CN113278178A - 一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法，包括：（1）制备改性大豆分离蛋白溶液、（2）制备壳聚糖、（3）制备壳聚糖溶液、（4）制备混合膜液、（5）增塑与脱气和（6）成膜。本发明利用大豆分离蛋白和壳聚糖为原料再辅以甘油进行可食膜的开发，可以提高单属性可食膜的性能，并且壳聚糖可从虾蟹壳中进行提取，可以达到资源的回收利用，提高了废弃物的综合利用价值。

Description

一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法
技术领域
本发明属于农产品深加工技术领域，涉及一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法。
背景技术
大豆因为其独特的化学组成而成为世界上最具有经济价值和食用价值的农产品之一。在谷物及其他豆科植物中，大豆中的蛋白质含量最高，约为40％。大豆分离蛋白是以低温脱溶大豆粕为原料生产的一种全价蛋白类食品添加剂。大豆分离蛋白中蛋白质含量在90％以上，氨基酸种类有近20种，并含有人体必需氨基酸。在食品中适当添加大豆分离蛋白可以提高蛋白功效比值。根据蛋白质沉降速率的不同，大豆分离蛋白分为2S、7S、11S和15S蛋白，其中含量最高的两种成分是7S蛋白和11S蛋白。
大豆分离蛋白具有一系列功能特性而被广泛应用于食品工业中，主要功能特性包括：(1)乳化性、(2)凝胶性、(3)发泡性、(4)成膜性。临床表明大豆分离蛋白还具有保健功能：(1)清除血液中多余固醇类的卵磷脂；(2)显著血液中降低胆固醇含量；(3)脂质和亚油酸可以防止心血管疾病。
甲壳素又称几丁质、甲壳质，是一种从海洋甲壳类动物的壳中提取出来的多糖物质，化学式为(C8H13O5N)n，呈淡米黄色至白色，溶于浓盐酸、磷酸、硫酸和乙酸，不溶于碱及其它有机溶剂，也不溶于水。甲壳素应用范围很广泛，在工业上可做布料、衣物、染料、纸张和水处理等；医疗用品上可做隐形眼镜、人工皮肤、缝合线、人工透析膜和人工血管等；用作化妆品美容剂、毛发保护、保湿剂等；此外可用作鱼饲料、植物抗病毒剂等。
壳聚糖是甲壳素的一级衍生物，化学成分为聚葡糖胺，是由甲壳素经过NaOH溶液脱去分子中的乙酰基得到的。由于壳聚糖是甲壳素的衍生物，所以也称作脱乙酰甲壳素，在由几丁质经过脱乙酰过程而得到的化学产物，它的化学名称被称作聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。由于壳聚糖具有生物官能性、相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能，而且还是天然的高分子，所以引起了各行各业广泛关注，主要体现在以下领域内：医药、食品、化工、生化和生物医学工程等诸多领域。壳聚糖目前已经在食品行业内得到充分利用，由于其壳聚糖自身的粘度较大，难溶于水，故利用其特性与大豆分离蛋白进行反应，从而进行可食用膜的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法，包括下列步骤：
步骤1：将1-10g大豆分离蛋白溶解于150-250mL的蒸馏水中，溶解后，80-90℃条件下水浴加热25-35min以对大豆分离蛋白进行改性，然后冷却至40-48℃，并保温0.8-1.2h，得到A液；
步骤2：将虾壳清洗干净后放入烘箱中，采用温度60-70℃干燥2-3h；将干燥后的虾壳粉碎至40-60目，得到虾壳粉；将虾壳粉与质量分数为4-6％的HCl溶液按质量比1:5.0-10.0混合，搅拌反应以脱除虾壳粉中的钙，得到的反应物料过滤收集滤渣；将滤渣采用纯化水洗涤，沥去水分；
将沥去水分的滤渣与纯化水按质量比1:10-25混合，搅拌均匀调节pH值至3.0-3.2，然后添加酸性蛋白酶，保持温度50-51℃、搅拌转速30-60r/min，酶解90-120min，得到的酶解物料过滤收集酶解滤渣；
将酶解滤渣放入纯化水中，超声波处理后过滤，收集得到超声波清洗滤渣；将超声波清洗滤渣与质量分数为40-45％的NaOH溶液按质量比1:2.5-5.0混合，加热至90-92℃反应1-2h；反应液过滤，收集得到碱处理滤渣；采用纯化水洗涤碱处理滤渣，然后烘干滤渣，得到壳聚糖；
步骤3：称取1-6g的壳聚糖溶解于150-400mL的质量分数为0.4-0.6％的乙酸溶液中，搅拌使其溶解，调节pH值至2.9-3.1，采用转速50-100r/min搅拌3.5-4.5h，得到B液；
步骤4：将A液加入到B液中，加入的同时进行搅拌操作得到混合溶液，混合溶液中控制总底物的质量分数为2％；
步骤5：向混合溶液中加入甘油，搅拌均匀进行增塑处理；将增塑后的混合溶液放入真空环境中，静置5-10min，除去气泡；
步骤6：将脱气后的混合溶液倒入模具中，制成厚度0.04-0.06mm的薄膜，将薄膜连同模具一起放入干燥设备中，在40-60℃下干燥至薄膜固定成型，即得到可食用膜成品。
优选的技术方案为：步骤2中，调节pH值使用质量分数为0.5-5.0％的HCl溶液。
优选的技术方案为：所述酸性蛋白酶的酶活力为5-20万U，添加量为滤渣质量的1.0-5.0％。
优选的技术方案为：超声波处理时的工艺参数为：超声波频率25-35KHz、功率密度0.25-0.50W/cm2、超声波处理时间10-20min。
优选的技术方案为：混合溶液中，壳聚糖与改性大豆分离蛋白质量的比例为2：1-1：2。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的优点是：
1、本发明利用大豆分离蛋白和壳聚糖为原料再辅以甘油进行新型可食膜的开发，可以提高单属性可食膜的性能，并且壳聚糖可从虾蟹壳中进行提取，可以达到资源的回收利用，提高了废弃物的综合利用价值。
2、本发明通过开发新型可食用型膜可以为解决现存的生物保鲜问题开阔一种新的思路，并且能提高大豆分离蛋白的应用。
3、本发明通过开发新型的可食用型膜，相较于传统的膜而言，能大大提高其理化性质，增强其保鲜作用，且在可食用的应用层面不会产生污染，不会产生任何的垃圾以及二次污染，可达到绿色环保的要求。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
实施例1：一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法
一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法，其特征在于，包括以下技术步骤。
(1)制备改性大豆分离蛋白
称取5g大豆分离蛋白，溶解于200mL的蒸馏水中，充分溶解后，85℃下水浴加热30min，对大豆分离蛋白进行改性，再冷却至45℃，保温1h，得到A液。
(2)制备壳聚糖
虾壳原料，为无霉变、无腐烂、新鲜的小龙虾虾壳。
粉碎与脱钙。将虾壳清洗干净，放入烘箱中，采用温度65℃干燥2.5h，至虾壳含水量低于10％；将干燥后的虾壳粉碎至50目，得到虾壳粉；将虾壳粉、质量分数为5％的HCl溶液按质量比1:7.5混合，充分搅拌反应，脱除虾壳粉中钙；反应物料采用中速滤纸过滤，收集酸解滤渣；将滤渣采用足量的食品级纯化水洗涤，沥去水分，备用。
酶解去蛋白。将酸解滤渣、食品级纯化水按质量比1:18混合并放入带有搅拌和保温功能的酶处理设备中，充分搅拌混合物料，然后滴加质量分数为2％HCl溶液调节混合液pH3；向混合液中添加酸性蛋白酶，保持温度50.5℃、搅拌转速45r/min，酶解110min；酶解物料采用中速滤纸过滤，收集酶解滤渣，备用。所述的酸性蛋白酶，酶活力为10万U，添加量为酸解滤渣质量的2.16％。
脱乙酰基处理。室温下，将酶解滤渣放入足量的食品级纯化水中，采用超声波频率30KHz、功率密度0.35W/cm2的超声波充分处理15min，然后采用中速滤纸过滤，收集超声波清洗滤渣；将超声波清洗滤渣、质量分数为42％NaOH溶液按质量比1:3混合，放入带有冷凝水回流装置的热反应设备中，采用温度91℃反应1.5h；将反应液采用中速滤纸过滤，收集碱处理滤渣；采用足量的食品级纯化水充分洗涤碱处理滤渣，然后烘干滤渣，得到壳聚糖，备用。
(3)制备壳聚糖溶液
称取3.5g(2)中壳聚糖溶解于300mL的质量分数为0.5％的乙酸溶液中，充分搅拌使其溶解，并利用0.1mol/L的NaOH对pH进行调节，使得pH为3.0，在此条件下，使用采用转速75r/min搅拌4h，以制备性质结构更加稳定的壳聚糖溶液，制备得B液；
(4)制备混合膜液
量取制备所得的改性大豆分离蛋白溶液和改性壳聚糖溶液若干备用，将A液缓慢加入到B液中，加入的同时进行搅拌操作，在改性壳聚糖溶液的pH为3.0的前提下，大豆分离蛋白溶液可以更好的溶入壳聚糖溶液中。混合溶液中控制总底物为2％(即m大豆分离蛋白+m壳聚糖＝2％膜液)。混合膜液中，壳聚糖、改性大豆分离蛋白质量的比例大致范围为2：1～1:2，在这范围内进行最佳比例的探究。
(5)增塑与脱气
向(4)中混合溶液中加入适量1.5g甘油，充分搅拌均匀，进行增塑处理；将增塑后的混合溶液放入真空环境中，在真空表压-0.09～-0.10MPa环境中，静置7min，除去气泡。
(6)成膜
将(5)中脱气后的混合溶液倒入模具中，成厚度0.05mm的薄膜，将薄膜连同模具一起放入干燥设备中，在50℃下干燥至薄膜固定成型，即得到可食用膜成品。所述的模具，为具有密闭底部和一定框边高度的框形，材质为具有一定耐高温材质的食品级塑料或不锈钢。当虾壳蛋白酶解的工艺优化为：酶添加量为2.16％、酶解温度50.5℃、pH值3.0。在该条件下，虾壳脱蛋白率为78.9％。利用脱蛋白后的虾壳制备壳聚糖，甲壳素的提取率为62.6％，壳聚糖产率为34.2％本实施例的虾壳脱蛋白率为78.9％。利用脱蛋白后的虾壳制备壳聚糖，甲壳素的提取率为62.6％，壳聚糖产率为34.2％。
表1:SPI:CS对膜性能的影响。
SPI:CS TS(MPa) E(％) WVP
3:0 5.05±0.25 2.51±0.13 1.3021±0.0651
2:1 8.08±0.41 6.13±0.31 0.9324±0.0462
1:1 8.76±0.44 8.77±0.44 0.7843±0.0391
1:2 9.47±0.47 4.46±0.22 1.0453±0.0521
0:3 11.34±0.57 3.32±0.17 1.1578±0.0578
由表1可以看出，五种成膜材料配比下，膜的抗拉强度存在显著差异(p≤0.05)，且随着SPI：CS的减小，膜的抗拉强度逐渐增大。这是因为当SPI用量较低时，CS的用量相对较高，较弱的蛋白质与多糖之间的结合力被较强的多糖之间的结合力所取代，因此，复合膜的抗拉强度随着CS比例的增加而增大；膜的断裂伸长率随着壳聚糖比例的增大差异趋于显著(p≤0.05)，变化趋势为先增大后减小。
注：
(1)SPI：大豆分离蛋白。
(2)CS：壳聚糖。
(3)TS：抗拉强度。
(4)E：断裂伸长率。
(5)WVP：水蒸气透过系数。
(6)抗拉强度以及断裂伸长率检测方法按照国标进行，为GB13022-91；
(7)水蒸气透过系数按照GB1037-1988，用透湿杯辅以调温调湿箱测定。
表2:甘油添加量对膜性能的影响
甘油添加量(％) TS(MPa) E(％) WVP
0.5 11.08±0.56 9.51±0.45 1.1521±0.0551
1.0 9.76±0.49 11.13±0.56 1.0934±0.0546
1.5 8.45±0.41 13.77±0.69 0.9843±0.0491
2.0 7.17±0.36 16.46±0.83 0.8453±0.0421
2.5 6.34±0.32 23.32±1.17 0.7128±0.0357
由表2可以看出，甘油浓度越大，对抗拉强度的影响越显著(p≤0.05)。随着甘油添加量的增大，膜的抗拉强度逐渐减小。这是因为甘油的加入，破坏了膜中原有大分子链的结构，降低了大分子的聚合度，增大了膜结构中分子的自由空间，导致膜的结晶度下降，分子的有序性也受到影响，分子之间的相互作用减弱，宏观表现为膜的抗拉强度下降。甘油浓度对断裂伸长率的影响显著(P≤0.05)，甘油添加量越大，膜的塑性越高，其断裂伸长率越大，只有在甘油添加量差值较大时才存在显著差异(P≤0.05)。随着甘油添加量的增加，膜的形即先降低后升高，这与成膜时两种成膜材料中的单一成分对甘油添加量的最适需要量不同有关。
注：
(1)TS：抗拉强度。
(2)E：断裂伸长率。
(3)WVP：水蒸气透过系数。
(4)抗拉强度以及断裂伸长率检测方法按照国标进行，为GB13022-91。
(5)水蒸气透过系数按照GB1037-1988,用透湿杯辅以调温调湿箱测定。
表3:pH对膜性能的影响
Figure BDA0003116410060000051
Figure BDA0003116410060000061
由表3可以看出，pH对抗拉强度存在显著差异(p≤0.05)，随着pH的增大，膜的抗拉强度先增大后减小，在pH＝3时，抗拉强度达最大值。在pH 4～5时，膜的断裂伸长率变化最为显著(p≤0.05)，；膜的WVP随pH的增加变化不显著(P>0.05)。
注：
(1)TS：抗拉强度。
(2)E：断裂伸长率。
(3)WVP：水蒸气透过系数。
(4)抗拉强度以及断裂伸长率检测方法按照国标进行，为GB13022-91。
(5)水蒸气透过系数按照GB1037-1988,用透湿杯辅以调温调湿箱测定。
表4:干燥温度对膜性能的影响
干燥温度 TS(MPa) E(％) WVP
50 12.88±0.66 16.51±0.85 0.8621±0.0451
55 11.26±0.54 15.53±0.76 0.9934±0.0546
60 10.45±0.51 14.27±0.69 1.2843±0.0591
65 9.17±0.46 13.46±0.63 1.4753±0.0621
70 8.34±0.42 12.12±0.61 1.5128±0.0757
由表4可以看出，膜的抗拉强度随干燥温度的升高而下降，且变化趋势显著(p≤0.05)。这是因为，温度越高，溶剂蒸发越快，使得成膜大分子在通过分子间有序交联形成较规则的聚集态结构之前被过早的固定下来，温度过高将导致膜表面出现裂缝或厚薄不均等缺陷。当温差大于10℃时，膜的断裂伸长率和WVP的变化较为显著(p≤0.05)，膜的断裂伸长率随干燥温度的增大而减小。随着干燥温度的升高，膜的WVP增大。
注：
(1)TS：抗拉强度。
(2)E：断裂伸长率。
(3)WVP：水蒸气透过系数。
(4)抗拉强度以及断裂伸长率检测方法按照国标进行，为GB13022-91。
(5)水蒸气透过系数按照GB1037-1988,用透湿杯辅以调温调湿箱测定。
实施例2：一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法
一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法，包括下列步骤：
步骤1：将1g大豆分离蛋白溶解于150mL的蒸馏水中，溶解后，80℃条件下水浴加热25min以对大豆分离蛋白进行改性，然后冷却至40℃，并保温0.8h，得到A液；
步骤2：将虾壳清洗干净后放入烘箱中，采用温度60℃干燥2h；将干燥后的虾壳粉碎至40目，得到虾壳粉；将虾壳粉与质量分数为4％的HCl溶液按质量比1:5.0混合，搅拌反应以脱除虾壳粉中的钙，得到的反应物料过滤收集滤渣；将滤渣采用纯化水洗涤，沥去水分；
将沥去水分的滤渣与纯化水按质量比1:10混合，搅拌均匀调节pH值至3.0，然后添加酸性蛋白酶，保持温度50℃、搅拌转速30r/min，酶解90min，得到的酶解物料过滤收集酶解滤渣；
将酶解滤渣放入纯化水中，超声波处理后过滤，收集得到超声波清洗滤渣；将超声波清洗滤渣与质量分数为40％的NaOH溶液按质量比1:2.5混合，加热至90℃反应1h；反应液过滤，收集得到碱处理滤渣；采用纯化水洗涤碱处理滤渣，然后烘干滤渣，得到壳聚糖；
步骤3：称取1g的壳聚糖溶解于150mL的质量分数为0.4％的乙酸溶液中，搅拌使其溶解，调节pH值至2.9，采用转速50r/min搅拌3.5h，得到B液；
步骤4：将A液加入到B液中，加入的同时进行搅拌操作得到混合溶液，混合溶液中控制总底物的质量分数为2％；
步骤5：向混合溶液中加入甘油，搅拌均匀进行增塑处理；将增塑后的混合溶液放入真空环境中，静置5min，除去气泡；
步骤6：将脱气后的混合溶液倒入模具中，制成厚度0.04mm的薄膜，将薄膜连同模具一起放入干燥设备中，在40℃下干燥至薄膜固定成型，即得到可食用膜成品。
优选的实施方式为：步骤2中，调节pH值使用质量分数为0.5％的HCl溶液。
优选的实施方式为：所述酸性蛋白酶的酶活力为5万U，添加量为滤渣质量的5.0％。
优选的实施方式为：超声波处理时的工艺参数为：超声波频率25KHz、功率密度0.25W/cm2、超声波处理时间10min。
优选的实施方式为：混合溶液中，壳聚糖与改性大豆分离蛋白质量的比例为2-1。
实施例3：一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法
一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法，包括下列步骤：
步骤1：将10g大豆分离蛋白溶解于250mL的蒸馏水中，溶解后，90℃条件下水浴加热35min以对大豆分离蛋白进行改性，然后冷却至48℃，并保温1.2h，得到A液；
步骤2：将虾壳清洗干净后放入烘箱中，采用温度70℃干燥3h；将干燥后的虾壳粉碎至40-60目，得到虾壳粉；将虾壳粉与质量分数为6％的HCl溶液按质量比1:10.0混合，搅拌反应以脱除虾壳粉中的钙，得到的反应物料过滤收集滤渣；将滤渣采用纯化水洗涤，沥去水分；
将沥去水分的滤渣与纯化水按质量比1:25混合，搅拌均匀调节pH值至3.2，然后添加酸性蛋白酶，保持温度51℃、搅拌转速-60r/min，酶解120min，得到的酶解物料过滤收集酶解滤渣；
将酶解滤渣放入纯化水中，超声波处理后过滤，收集得到超声波清洗滤渣；将超声波清洗滤渣与质量分数为45％的NaOH溶液按质量比1:5.0混合，加热至92℃反应2h；反应液过滤，收集得到碱处理滤渣；采用纯化水洗涤碱处理滤渣，然后烘干滤渣，得到壳聚糖；
步骤3：称取6g的壳聚糖溶解于400mL的质量分数为0.6％的乙酸溶液中，搅拌使其溶解，调节pH值至3.1，采用转速100r/min搅拌4.5h，得到B液；
步骤4：将A液加入到B液中，加入的同时进行搅拌操作得到混合溶液，混合溶液中控制总底物的质量分数为2％；
步骤5：向混合溶液中加入甘油，搅拌均匀进行增塑处理；将增塑后的混合溶液放入真空环境中，静置10min，除去气泡；
步骤6：将脱气后的混合溶液倒入模具中，制成厚度0.06mm的薄膜，将薄膜连同模具一起放入干燥设备中，在60℃下干燥至薄膜固定成型，即得到可食用膜成品。
优选的实施方式为：步骤2中，调节pH值使用质量分数为5.0％的HCl溶液。
优选的实施方式为：所述酸性蛋白酶的酶活力为20万U，添加量为滤渣质量的1.0％。
优选的实施方式为：超声波处理时的工艺参数为：超声波频率35KHz、功率密度0.50W/cm2、超声波处理时间20min。
优选的实施方式为：混合溶液中，壳聚糖与改性大豆分离蛋白质量的比例为1：2。
以上所述者仅为用以解释本发明之较佳实施例，并非企图具以对本发明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之发明精神下所作有关本发明之任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护之范畴。

Claims (5)

1.一种利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法，其特征在于：包括下列步骤：
步骤1：将1-10g大豆分离蛋白溶解于150-250mL的蒸馏水中，溶解后，80-90℃条件下水浴加热25-35min以对大豆分离蛋白进行改性，然后冷却至40-48℃，并保温0.8-1.2h，得到A液；
步骤2：将虾壳清洗干净后放入烘箱中，采用温度60-70℃干燥2-3h；将干燥后的虾壳粉碎至40-60目，得到虾壳粉；将虾壳粉与质量分数为4-6%的HCl溶液按质量比1:5.0-10.0混合，搅拌反应以脱除虾壳粉中的钙，得到的反应物料过滤收集滤渣；将滤渣采用纯化水洗涤，沥去水分；
将沥去水分的滤渣与纯化水按质量比1:10-25混合，搅拌均匀调节pH值至3.0-3.2，然后添加酸性蛋白酶，保持温度50-51℃、搅拌转速30-60r/min，酶解90-120min，得到的酶解物料过滤收集酶解滤渣；
将酶解滤渣放入纯化水中，超声波处理后过滤，收集得到超声波清洗滤渣；将超声波清洗滤渣与质量分数为40-45%的NaOH溶液按质量比1:2.5-5.0混合，加热至90-92℃反应1-2h；反应液过滤，收集得到碱处理滤渣；采用纯化水洗涤碱处理滤渣，然后烘干滤渣，得到壳聚糖；
步骤3：称取1-6g的壳聚糖溶解于150-400mL的质量分数为0.4-0.6%的乙酸溶液中，搅拌使其溶解，调节pH值至2.9-3.1，采用转速50-100r/min搅拌3.5-4.5h，得到B液；
步骤4：将A液加入到B液中，加入的同时进行搅拌操作得到混合溶液，混合溶液中控制总底物的质量分数为2%；
步骤5：向混合溶液中加入甘油，搅拌均匀进行增塑处理；将增塑后的混合溶液放入真空环境中，静置5-10min，除去气泡；
步骤6：将脱气后的混合溶液倒入模具中，制成厚度0.04-0.06mm的薄膜，将薄膜连同模具一起放入干燥设备中，在40-60℃下干燥至薄膜固定成型，即得到可食用膜成品。
2.根据权利要求1所述的利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法，其特征在于：步骤2中，调节pH值使用质量分数为0.5-5.0%的HCl溶液。
3.根据权利要求1所述的利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法，其特征在于：所述酸性蛋白酶的酶活力为5-20万U，添加量为滤渣质量的1.0-5.0%。
4.根据权利要求1所述的利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法，其特征在于：超声波处理时的工艺参数为：超声波频率25-35KHz、功率密度0.25-0.50W/cm2、超声波处理时间10-20min。
5.根据权利要求1所述的利用大豆分离蛋白与壳聚糖制备可食膜的方法，其特征在于：混合溶液中，壳聚糖与改性大豆分离蛋白质量的比例为2：1-1：2。
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