CN101775222A - 一种乳清蛋白/TiO2可食用复合膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于功能乳品及食品包装领域的一种乳清蛋白/TiO₂可食用复合膜。该复合膜是在添加增塑剂的情况下将乳清蛋白溶液和TiO₂混合而制成的，其中，纳米TiO₂与乳清蛋白的重量比为(0.1-2)∶100，乳清蛋白溶液的质量百分比浓度为7-12％，复合膜的厚度为90-115μm。本发明还公开了该复合膜的制备方法。本发明的复合膜除可以有效的减少紫外线照射引起的食品腐败变质，从而延长食品的货架期外，还有较强的机械强度，且水蒸气透过率降低。

Description

一种乳清蛋白/TiO2可食用复合膜及其制备方法

技术领域

本发明属于功能乳品及食品包装领域，具体涉及一种乳清蛋白/TiO₂可食用复合膜及其制备方法。该复合膜具有抗紫外线效果，可以根据需要添加不同量的纳米TiO₂而得到不同白色的复合膜。

背景技术

传统的包装材料价格低廉，加工方便，但是因其无法被微生物降解而造成环境污染，危害人类的健康。随着人们生活水平的日益提高，人们越来越关注环境安全问题，因此“绿色包装”引起人们越来越多的重视。其中可食用膜以其安全、无毒、无污染和可食用性等优良品质受到越来越多的关注，并有取代传统塑料包装之势。

可食用膜是以天然可食性物质(如脂类，多糖，蛋白质等)为原料，添加可食用的增塑剂、交联剂等，通过不同分子间相互作用，并以包裹、涂布、微胶囊等形式覆盖于食品表面或内部的薄膜，可以阻隔水气、氧气或各种溶质的渗透，对食品起保护作用。目前较多的是以脂类、多糖、蛋白质等为原料制成的可食性膜。例如，公开号为CN101199314的中国专利中请介绍了一种谷氨酰胺转氨酶改性蛋白制备可食性膜的新工艺；公开号为CN101538407的中国专利申请介绍了一种小麦蛋白质/甲基纤维素复合型可食性膜的制备方法。

乳清蛋白是干酪生产中的副产品之一。乳清蛋白是牛奶乳清中存在的一类重要蛋白质，具有很高的营养价值和生物学效价。乳清蛋白可食用包装材料是一种无废弃物的资源型包装材料，可使资源得到最大限度的利用，符合当代可持续发展原则和建设环境友好型社会的要求。

近年来，乳清蛋白作为可食用膜基料并因其良好的营养特性及成膜能力，而成为研究的热点。例如，公开号为200710190608.5的中国专利中请介绍了一种乳清蛋白为基质的可食用膜的制备方法；公开号为200910079773.2的中国专利申请介绍了乳清蛋白膜及其制备方法与应用。

食品在贮藏过程中紫外线能够诱导腐败变质，而目前以乳清蛋白为基料的可食用膜对紫外线的阻挡能力较差，因此提高食品包装的抗紫外线能力势在必行。纳米TiO₂氧化活性较高、化学稳定性好，对环境无污染、对人体无毒害，成本低、应用范围广，是目前广泛应用的纳米光催化材料之一。但是，目前国内外尚未见到向乳清蛋白膜中添加纳米TiO₂以阻挡紫外线照射的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种乳清蛋白/TiO₂ 可食用复合膜。

本发明的另一目的在于提供一种上述乳清蛋白/TiO₂可食用复合膜的制备方法。

一种乳清蛋白/TiO₂可食用复合膜，该复合膜是在添加增塑剂的情况下将乳清蛋白溶液和纳米TiO₂混合而制成的，其中，纳米TiO₂与乳清蛋白的重量比为(0.1-2)∶100。

所述乳清蛋白溶液的质量体积比浓度为7-12％，溶剂为水。

所述乳清蛋白是乳清分离蛋白(whey protein isolate，简称WPI)。

所用纳米TiO₂颗粒的粒径范围在20-100nm。

所述复合膜的厚度为90-115μm，拉伸强度为5.29-11.15N/mm²，水蒸气透过系数为1.25-1g·mm/h·m²·kPa，透光率在可见光400nm和800nm处分别为68.95-1.11％和79.77-6.23％。

一种乳清蛋白/TiO₂可食用复合膜的制备方法，包括如下操作步骤：

(1)将质量百分比浓度为7-12％的乳清蛋白溶液在磁力搅拌器上持续搅拌，待其充分溶解后，调节pH至7-9；

(2)将步骤(1)所得溶液在70-90℃水浴中加热20-40min，待冷却至室温后，加入增塑剂，其中，增塑剂与乳清蛋白的重量比为(0.4-0.6)∶1；

(3)再向步骤(2)所得溶液中加入纳米TiO₂，充分搅拌至纳米TiO₂完全分散后超声波脱气，得到成膜液，其中，纳米TiO₂与乳清蛋白的重量比为(0.1-2)∶100；

(4)将上述成膜液加入到平底有机玻璃器皿中，其中，成膜液的用量为0.09-0.1g/cm²，在20-24℃，相对湿度为54-58％的条件下平衡至少48h，制得厚度为90-115μm的复合膜。

所述增塑剂为甘油或山梨醇。

本发明的有益效果：本发明将无机纳米粒子TiO₂引入到有机相中，提高了复合材料性能。同现有可食用膜相比，本发明的复合膜具有较好的抗紫外线效果，同纯乳清蛋白膜相比，本发明的复合膜除可以有效的减少紫外线照射引起的食品腐败变质，从而延长食品的货架期外，还有较强的机械强度，且水蒸气透过率降低。

附图说明

图1是WPI膜及WPI/TiO₂复合膜的透光率变化曲线；

图2是WPI膜及WPI/TiO₂复合膜的在200-280nm透光率变化曲线；

图3是WPI及WPI/TiO₂复合膜的实物图。

(a)WPI膜；(b)WPI/TiO₂复合膜(TiO₂与WPI的重量比为2∶100)

具体实施方式

以下制备实施例中关于膜厚度、拉伸性能、水蒸汽透过系数(WVP)、透光率及紫外线阻挡情况的测定方法如下：

(1)复合膜厚度的测定方法：使用数显千分尺测量膜的厚度。

(2)拉伸强度的测定方法

参照ASTM(1995)法，使用TMS-Pro质构仪测定拉伸性能，其中拉伸速度为1mm/s。拉伸强度(TS，N/mm²)按式(1)计算：

$\mathrm{TS}=\frac{F_t}{L\×W}---\left(1\right)$

式(1)中，F_t——最大拉力(N)；

L——膜样品的厚度(mm)；

W——膜样品的宽度(mm)；

(3)水蒸汽透过系数(WVP)的测定方法

参照GB 1037-88法，采用拟杯子法进行测定。水蒸气透过系数按式(2)计算：

$\mathrm{WVP}(g\·\mathrm{mm}/m^2\·h\·\mathrm{kPa})=\frac{W\×x}{A\×T\×\mathrm{\ΔP}}---\left(2\right)$

式(2)中，W——透湿杯的增重(g)；

x——膜的厚度(mm)；

A——膜外露面积(cm²)；

T——测量间隔时间(h)；

ΔP——膜两侧的水蒸气压差(kPa)；

(4)透光率及紫外线透过率的测定：采用紫外-可见分光光度法测定膜在200-800nm波长处的透光率。

实施例1

(1)将质量百分比浓度为10％的乳清分离蛋白水溶液在磁力搅拌器上持续搅拌2h，使其充分溶解，调节pH至8；

(2)将步骤(1)所得溶液在70℃水浴中加热30min，待冷却至室温后，加入甘油，其中，甘油与乳清分离蛋白的重量比为0.5∶1；

(3)再向步骤(2)所得溶液中加入纳米TiO₂，充分搅拌至纳米TiO₂完全分散后超声波脱气，得到成膜液，其中，纳米TiO₂与乳清蛋白的重量比详见表1；

(4)准确称取5g上述成膜液加入到直径8cm的有机玻璃皿中，置于恒温恒湿箱中，在22±2℃，相对湿度为56±2％的条件下，平衡4h，制得本发明的复合膜。

作为对照的WPI膜，其制备方法同本发明复合膜的制备方法，仅步骤(3)不同，即在步骤(2)的溶液中不加入纳米TiO₂，而直接将溶液超声波脱气，得到成膜液。

表1纳米TiO₂与乳清分离蛋白的重量比及其相应膜的参数

注：字母a和b表示著性差异分析结果，不同字母代表有显著性差异(P≤0.05)，相同字母表示无显著性差异。

由表1可见，本发明所制备的复合膜的厚度与WPI膜基本相同。

本发明复合膜的拉伸强度同WPI膜相比，有所增强。

当复合膜中TiO₂∶WPI的重量比大于等于1∶100时，同WPI膜相比，复合膜的水蒸气透过性明显降低，即复合膜对水蒸气的阻挡能力明显提高。

从表1、图1和图2可以看出，在200-800nm范围内，WPI膜的透光率最高，随着TiO₂添加量的增加而逐渐降低，膜的透光率明显降低，膜的透明度降低，说明纳米TiO₂的WPI中的分散降低了复合膜的透明度。同时，在200-400nm紫外线波长范围内，随着WPI复合膜中TiO₂添加量的增加，对紫外线的阻挡作用明显增强。在紫外线波长200-280nm范围内，TiO₂浓度大于等于1％时，WPI复合膜将紫外线完全阻挡。结果表明，WPI/TiO₂复合膜对紫外线有很好的阻挡作用。从图3也可看到本发明复合膜的透光率明显低于WPI膜。

实施例2

(1)将质量百分比浓度为7％的乳清分离蛋白水溶液在磁力搅拌器上持续搅拌2h，使其充分溶解，调节pH至7；

(2)将步骤(1)所得溶液在80℃水浴中加热30min，待冷却至室温后，加入甘油，其中，甘油与乳清分离蛋白的重量比为0.4∶1；

(3)再向步骤(2)所得溶液中加入纳米TiO₂，充分搅拌至纳米TiO₂完全分散后超声波脱气，得到成膜液，其中，纳米TiO₂与乳清蛋白的重量比1∶100；

(4)准确称取5g上述成膜液加入到直径8cm的有机玻璃皿中，置于恒温恒湿箱中，在22±2℃，相对湿度为56±2％的条件下，平衡48h，制得本发明的复合膜。

作为对照的WPI膜，其制备方法同上述复合膜的制备方法，仅步骤(3)不同，即在步骤(2)的溶液中不加入纳米TiO₂，而直接将溶液超声波脱气，得到成膜液。

利用上述方法得到的复合膜厚度为90-115μm，拉伸强度为5.83±0.54N/mm²，水蒸气透过率为1.23±0.02g·mm/h·m²·kPa在紫外线波长200-280nm范围内将紫外线完全吸收。而WPI膜的拉伸强度为4.34±0.26N/mm²，水蒸气透过率为1.46±0.01g·mm/h·m²·kPa。两者相比，复合膜的拉伸强度有所提高，水蒸气透过率明显降低，阻挡紫外线的能力明显增强。

实施例3

(1)将质量百分比浓度为12％的乳清分离蛋白水溶液在磁力搅拌器上持续搅拌2h，使其充分溶解，调节pH至9；

(2)将步骤(1)所得溶液在90℃水浴中加热30min，待冷却至室温后，加入甘油，其中，甘油与乳清分离蛋白的重量比为0.6∶1；

(3)再向步骤(2)所得溶液中加入纳米TiO₂，充分搅拌至纳米TiO₂完全分散后超声波脱气，得到成膜液，其中，纳米TiO₂与乳清蛋白的重量比1∶100；

(4)准确称取5g上述成膜液加入到直径8cm的有机玻璃皿中，置于恒温恒湿箱中，在22±2℃，相对湿度为56±2％的条件下，平衡48h，制得本发明的复合膜。

作为对照的WPI膜，其制备方法同上述复合膜的制备方法，仅步骤(3)不同，即在步骤(2)的溶液中不加入纳米TiO₂，而直接将溶液超声波脱气，得到成膜液。

利用上述方法得到的复合膜厚度为90-115μm，拉伸强度为9.48±0.85N/mm²，水蒸气透过率为1.01±0.01g·mm/h·m²·kPa，在紫外线波长200-280nm范围内，将紫外线完全阻挡。而WPI膜的拉伸强度为7.29±0.72N/mm²，水蒸气透过率为1.18±0.03g·mm/h·m²·kPa。两者相比，复合膜的拉伸强度有所提高，水蒸气透过率明显降低，阻挡紫外线的能力明显增强。

Claims (5)

1.一种乳清蛋白/TiO₂可食用复合膜，其特征在于，所述复合膜是在添加增塑剂的情况下将乳清蛋白溶液和纳米TiO₂混合而制成的，其中，纳米TiO₂与乳清蛋白的重量比为(0.1-2)∶100。

2.根据权利要求1所述的乳清蛋白/TiO₂可食用复合膜，其特征在于，所述乳清蛋白溶液的质量百分比浓度为7-12％。

3.根据权利要求1或2所述的乳清蛋白/TiO₂可食用复合膜，其特征在于，所述乳清蛋白是乳清分离蛋白。

4.一种权利要求1所述乳清蛋白/TiO₂可食用复合膜的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

(1)将质量百分比浓度为7-12％的乳清蛋白溶液在磁力搅拌器上持续搅拌，待其充分溶解后，调节pH至7-9；

(2)将步骤(1)所得溶液在70-90℃水浴中加热20-40min，待冷却至室温后，加入增塑剂，其中，增塑剂与乳清蛋白的重量比为(0.4-0.6)∶1；

(3)再向步骤(2)所得溶液中加入纳米TiO₂，充分搅拌至纳米TiO₂完全分散后超声波脱气，得到成膜液，其中，纳米TiO₂与乳清蛋白的重量比为(0.1-2)∶100；

(4)将上述成膜液加入到平底有机玻璃器皿中，其中，成膜液的用量为0.09-0.1g/cm²，在20-24℃，相对湿度为54-58％的条件下平衡至少48h，制得厚度为90-115μm的复合膜。

5.根据权利要求4所述的乳清蛋白/TiO₂可食用复合膜的制备方法，其特征在于，所述增塑剂为甘油或山梨醇。

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