pH和小麦粉筋度对发酵小麦粉-大豆分离蛋白膜理化性质的影响

江睿钊; 赵源; 石林凡; 任中阳; 张玉苍; 翁武银

doi:10.13386/j.issn1002-0306.2024060080

pH和小麦粉筋度对发酵小麦粉-大豆分离蛋白膜理化性质的影响

江睿钊^1,,
赵源¹,
石林凡^{1, 2},
任中阳^{1, 2},
张玉苍^{1, 2},
翁武银^{1, 2, ,}

1.
集美大学海洋食品与生物工程学院，福建厦门 361021
2.
福建省海洋功能食品工程技术研究中心，福建厦门 361021

基金项目: 国家自然科学基金面上项目（32272266）；“十四五”国家重点研发计划重点专项（2021YFD2100204）。

详细信息

作者简介:
江睿钊（1999−），男，硕士研究生，研究方向：食品加工与安全，E-mail：852066136@qq.com

通讯作者:
翁武银（1974−），男，博士，教授，研究方向：蛋白质化学和水产加工，E-mail：wwymail@jmu.edu.cn。

中图分类号: TS206.4
计量
- 文章访问数: 27
- HTML全文浏览量: 6
- PDF下载量: 7
出版历程
- 收稿日期: 2024-06-06
- 网络出版日期: 2025-03-04

Effectof pH and Gluten Content of Wheat Flour on the Physicochemical Properties of Fermented Wheat Flour-Soy Protein Isolate Films

JIANG Ruizhao^1,,
ZHAO Yuan¹,
SHI Linfan^{1, 2},
REN Zhongyang^{1, 2},
ZHANG Yucang^{1, 2},
WENG Wuyin^{1, 2, ,}

1.
College of Ocean Food and Biological Engineering, Jimei University, Xiamen361021, China
2.
Fujian Provincial Engineering Technology Research Center of Marine Functional Food, Xiamen361021, China

摘要

摘要: 为利用小麦粉（wheat flour，WF）改良大豆分离蛋白（soy protein isolate，SPI）膜的性质，利用发酵的中筋WF-SPI在pH为7、8、9下制备了膜，以及利用含有低筋、中筋、高筋、特高筋的WF通过发酵后在pH 9下制备了WF-SPI膜。通过测定膜的微观结构、傅里叶变换红外光谱、十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰氨凝胶电泳、机械性能、水蒸气透过率和热稳定性，探究pH和WF筋度对发酵WF-SPI膜理化性质的影响。WF-SPI膜的表面结构伴随pH的增加逐渐光滑致密，且膜中的蛋白分子间相互作用逐渐增强。伴随pH的增加，WF-SPI膜的抗拉伸强度（tensile strength，TS）和玻璃化转变温度（glass transition temperature，T_g）逐渐提高，而断裂伸长率（elongation at break，EAB）和水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）逐渐降低。特高筋WF中的蛋白结构没有完全展开无法与SPI发生充分的相互作用，结果导致特高筋WF-SPI膜中的蛋白质会聚集在膜的下表面并破坏其致密的网络结构。中筋WF-SPI膜的TS和T_g分别达到12.53 MPa和50.94 °C的最高值，而其WVP、透明度值和溶解度均达到最低值。因此，中筋WF和SPI经过发酵后在pH9下制备的复合膜具有良好的理化性质，研究结果将为WF-SPI膜的研发提供新的思路。
- 大豆分离蛋白 /
- 小麦粉 /
- pH /
- 筋度 /
- 复合膜
Abstract: To enhance the properties of soy protein isolate (SPI) films using wheat flour (WF), medium-gluten WF-SPI films were prepared using film-forming solutions with pH values of 7, 8, and 9. The WF-SPI films with low, medium, high, and ultrahigh gluten concentrations were prepared when the pH of the film-forming solution was 9. The effects of pH and WF gluten content on the physicochemical properties of the fermentative WF-SPI films were investigated by measuring the microstructure, using Fourier transform infrared spectroscopy, sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis, mechanical properties, water vapor permeability, and thermal stability. The surface structure of the WF-SPI films was smooth and dense, and the interactions among the proteins increased with increasing pH. With increasing pH, the tensile strength (TS) and glass transition temperature of the WF-SPI films increased, while the elongation at break and water vapor permeability (WVP) decreased. The ultrahigh wheat gluten aggregated on the lower surface of the WF-SPI films disrupted the dense network structure. Additionally, the protein structure of the ultrahigh gluten was not fully unfolded to interact with SPI. The TS and glass transition temperature of the WF-SPI films with medium gluten strength WF reached maximum value of 12.53 MPa and 50.94 °C respectively, while the lowest WVP, transparency value and solubility were observed. Therefore, the composite films prepared from medium gluten WF and SPI, after fermentation at pH9, exhibited excellent physicochemical properties. These results offer a new approach to developing WF-SPI films.
- soy protein isolate /
- wheat flour /
- pH /
- gluten content /
- composite film

HTML全文

近年来，由于塑料包装带来的环境污染问题，利用蛋白质、脂质、多糖等天然高分子材料制备可食膜成为食品包装行业的研究热点之一^[1]。大豆分离蛋白（soy protein isolate，SPI）价格低廉、来源丰富且具有良好的成膜性能，但SPI膜的水蒸气阻隔能力较差，严重限制了其在食品包装中的应用^[2]。有研究报道，添加SPI含量10%~40%的谷朊粉（wheat gluten，WG）或20%的油脂等疏水物质可以显著提高SPI膜的水蒸气阻隔能力，这主要是由于疏水基团降低了膜对水分子的亲和能力^[3−4]。前期研究还发现，添加发酵的WG可以显著提高WG-SPI膜的水蒸气阻隔能力，这是由于发酵处理使WG内部的疏水基团暴露提高膜的表面疏水性^[5]。然而，WG价格远高于SPI和小麦粉（wheat flour，WF），因此利用WG生产的蛋白膜不易推广应用。

WG是WF的主要成分之一，其含量约占WF的8.0%~16.0%^[6]。WF主要由淀粉、蛋白、水分、脂质以及少量纤维素和无机盐组成，不仅成本低，还具有良好的成膜性能^[6]。根据蛋白质含量不同，WF可以分为低筋WF（8.0%≤蛋白质含量<10.0%）、中筋WF（10.0%≤蛋白质含量<12.2%）、高筋WF（12.2%≤蛋白质含量<14.0%）和特高筋WF（蛋白质含量≥14.0%）^[7]。Sliwinski等^[8]研究WF筋度对面团性质的影响时，发现高筋WF发酵得到的面团由于WG含量较多，因此其延展性优于低筋WF。高筋WF在发酵过程中容易发生聚集^[9]，但提高pH可以阻碍蛋白质分子间相互作用抑制聚集体的形成^[10]。另一方面，SPI膜在碱性pH条件下能够形成光滑致密的网络结构，这是因为展开的蛋白结构在成膜过程容易发生分子交联^[11]。Liu等^[12]研究发现SPI内部的疏水基团和巯基随着pH的增加而暴露，导致SPI-氧化玉米淀粉复合膜中的疏水相互作用和二硫键增强，膜的表面疏水性和抗拉伸强度提高。也有研究报道，玉米醇溶蛋白在碱性条件下结构展开，促进了其与玉米淀粉间的相互作用，进而提高了复合膜的机械性能和水蒸气阻隔能力^[13]。以上研究主要集中于通过提高pH促使高筋度WF与SPI结构展开发生相互作用，进而影响WF-SPI膜的理化性质。然而，利用发酵协同pH作用对不同筋度的WF-SPI复合膜的理化性质影响研究尚未见报道。

本文旨在提高SPI膜的水蒸气阻隔能力和降低生产成本，通过测定WF-SPI膜的微观结构、蛋白质组成、机械性能和水蒸气透过率等指标，探究pH和WF筋度对WF-SPI膜理化性质的影响。

1. 材料与方法

1.1 材料与仪器

大豆分离蛋白（蛋白含量91%）　临沂山松生物制品有限公司；低筋小麦粉（蛋白含量8.5%）、中筋小麦粉（蛋白含量10.5%）、高筋小麦粉（蛋白含量12.8%）、特高筋小麦粉（蛋白含量14.0%）　新乡良润全谷物食品有限公司；活性干酵母　安琪酵母股份有限公司；Na₂CO₃、K₂CO₃（分析纯）　西陇科学股份有限公司；十二烷基硫酸钠、丙烯酰胺（分析纯）　美国Bio-Rad公司；β-巯基乙醇（分析纯）　上海麦克林生化科技有限公司。

WFB-A617破壁机　美国西屋电器公司；UM113搅拌脱泡机　日本Unix公司；G-7C厚度计　日本Ozaki MFG公司；Phenom ProX G6扫描电子显微镜　美国赛默飞世尔科技公司；Nicolet iS50傅里叶变换红外光谱仪　美国Thermo Nicolet公司；TA-XT Plus质构仪　英国Stable Micro System公司；YS3010色差仪　深圳三恩时科技有限公司；UV-8000A紫外-可见分光光度计　上海元析仪器有限公司；Q2000差示扫描量热仪　美国TA公司。

1.2 实验方法

1.2.1 WF-SPI的发酵

称取1.5 g活性干酵母和5 g白砂糖分散于150 mL蒸馏水中，在30 °C下活化20 min后得到酵母菌液。分别称取50 g低筋、中筋、高筋、特高筋WF与50 g SPI和150 mL酵母菌液混合均匀，在30 °C和相对湿度（RH）75%的环境下发酵4 h后供以下实验使用。

1.2.2 发酵WF-SPI膜的制备

将0.9 g Na₂CO₃和0.1 g K₂CO₃溶解于100 mL蒸馏水配制成枧水。根据前期预实验的结果，取30 g发酵后的样品和3 g甘油分散于150 mL蒸馏水中，使用破壁机处理5 min，再利用枧水将溶液pH调至7、8、9，以未调pH的中筋WF-SPI溶液作为空白组（pH6.83）。在75 °C下搅拌30 min后得到成膜液。将成膜液脱除气泡后浇筑在50 mm×50 mm的硅树脂板上使其分散均匀，并在25 °C和RH 50%下干燥24 h。将干燥的膜样品从硅树脂板上剥离下来，放在25 °C和RH 50%下平衡48 h后分析理化性质。

1.2.3 微观结构

在充分干燥的膜样品表面喷金后，通过扫描电子显微镜在10 kV的加速电压下，以20000×的放大倍数观察膜的上表面和下表面的微观结构。

1.2.4 傅里叶变换红外光谱

将厚度一致的膜样品置于干燥硅胶中充分脱水后，使用傅里叶变换红外光谱仪在分辨率为4 cm⁻¹和扫描波数范围为4000~800 cm⁻¹的条件下扫描32次。

1.2.5 机械性能

将膜样品裁成20 mm×45 mm的矩形，并使用厚度计随机测量5个点计算得到膜样品的平均厚度。设置夹具初始间距为30 mm，测试速率设置为60 mm/min，使用质构仪测定膜的机械性能。根据公式（1）和（2）分别计算抗拉伸强度（tensile strength，TS）和断裂伸长率（elongation at break，EAB）。

$\rm {TS}{(MP}{a})=\frac{{F}{m}}{{A}}$

(1)

式中：F_m为拉断样品所需的最大拉力（N）；A为截面面积（mm²）。

$\text{EAB}\text{(\%) =}\frac{\text{L}}{\text{30}}\text{× 100}$

(2)

式中：L值为膜断裂时增加的长度（mm）；30为夹具初始间距（mm）。

1.2.6 水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）

参照Arfat等^[14]的方法并稍作修改测定WF-SPI膜的水蒸气透过率。测定前，使用厚度计随机测量5个点计算膜样品的平均厚度。利用膜将装有干燥硅胶的塑料瓶口密封，并将塑料瓶置于30 °C和RH 100%的密闭环境中，随储存时间的变化测定塑料瓶的重量。根据公式（3）计算膜样品的WVP。

$\rm 水蒸气透过率(g\cdot m^{-1}\cdot s^{-1}\cdot Pa^{-1})=w \times x\times A^{-1} \times t^{-1}\times \Delta p^{-1}$

(3)

式中：w是塑料瓶增加的重量（g）；x是膜的厚度（m）；A是膜覆盖塑料瓶口的面积（m²）；t是储存时间（s）；Δp是30 °C时膜两侧的水蒸气压差（4244.9 Pa）。

1.2.7 色泽

以标准板（L₀^*=91.86，a₀^*=−0.88，b₀^*=1.42）作为对照，使用色差仪测定膜的色泽参数L^*值（亮度），a^*值（红度）和b^*值（黄度）。

1.2.8 透明度值

实验前，使用厚度计随机测量膜样品上的5个点以计算平均厚度。以空气作为背景，将膜固定在样品支架上，使用紫外-可见分光光度计在波长600 nm处测定膜的透光率。并根据公式（4）计算得到膜的透明度值。

$\text{透明度值}\text=\frac{-\text{lg}\text{T}_{600}}{\text{x}}$

(4)

式中：T₆₀₀为600 nm处的透光率（%）；x是膜的厚度（mm）。

1.2.9 溶解度

参照Weng和Zheng^[15]的方法并稍作修改测定WF-SPI膜的溶解度。实验前，将膜裁剪成20 mm×20 mm的矩形并置于称量皿中，在105 °C下干燥24 h后称重。根据公式（5）计算得到膜样品的水分含量（moisture content，MC）。将膜样品称重后再浸没在蒸馏水中，在摇床振荡24 h后收集不溶解的部分，在105 °C下干燥24 h后称重。根据公式（6）计算得到膜的溶解度：

$\rm MC({\text{%}}) =\frac{{m}_{0}{- m}_{1}}{{m}_{0}}\times{ 100}$

(5)

式中：m₀是膜的初始质量（g）；m₁是膜干燥后的质量（g）。

$\rm 溶解度({\text{%}}) =\frac{{m}_{0}{- m}_{0}\times{ MC - m}_{1}}{{m}_{0}{- m}_{0}\times{ MC}}\times{ 100}$

(6)

式中：m₀是膜的初始质量（g）；m₁是膜不溶解部分干燥后的质量（g）；MC为膜的水分含量（%）。

1.2.10 差示扫描量热分析

将2 mg充分干燥的膜密封在液体铝坩埚中，使用差示扫描量热仪以5 °C/min的升温速率从20 °C升温至80 °C。试验后使用配套软件处理得到膜的玻璃化转变温度（glass transition temperature，T_g）。

1.2.11 十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰氨凝胶电泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）

将膜溶解在含有20 mmol/L Tris-HCL、2% SDS、8 mol/L尿素的缓冲液（pH8.8）中，不添加β-巯基乙醇得到非还原状态电泳样品，或添加β-巯基乙醇得到还原状态电泳样品。使用浓度为4%的浓缩胶和浓度为10%的分离胶进行电泳。电泳结束后，使用考马斯亮蓝R-250染色，并在含有甲醇和乙酸的混合溶液中脱色。

1.3 数据处理

所有实验至少重复3次，以平均值±标准偏差的形式显示结果。使用Origin软件作图。使用SPSS statistics 26.0软件对数据进行单因素方差分析和Duncan’s检验分析显著性差异（P<0.05）。

2. 结果与分析

2.1 微观结构

pH对中筋WF-SPI膜微观结构的影响如图1（a）所示。空白组中膜的上表面和下表面均呈现出粗糙的网络结构。随成膜液pH的增加，WF-SPI膜上表面和下表面的粗糙度均呈减小的趋势。Papadaki等^[16]研究pH对乳清蛋白膜的影响时，发现提高pH可以促进乳清蛋白内部疏水基团和巯基基团的暴露，进而增强疏水相互作用和分子间二硫键，形成光滑致密的网络结构。另一方面，在pH9下利用不同筋度WF与SPI制备的膜上表面均光滑致密而下表面结构粗糙（图1b）。究其原因，是在WG-SPI膜的干燥过程中，亲水性较强的SPI分子伴随水分的蒸发逐渐迁移到复合膜的上表面，结果导致膜的上表面光滑致密而下表面呈现粗糙的结构^[3]。随着筋度的增加，WF-SPI膜下表面的粗糙度增大且可以观察到颗粒状聚集体。这可能是特高筋WF的WG蛋白结构在发酵中未完全展开，结果导致不溶物质聚集在膜的下表面^[17]。

图 1 pH（a）和WF筋度（b）对WF-SPI膜微观结构的影响

Figure 1. Effect of pH (a) and gluten content of WF (b) on the microstructure of WF-SPI films

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.2 傅里叶变换红外光谱

有研究报道，波数3274 cm⁻¹的酰胺A带特征峰与氢键的形成有关^[18]；波数1633、1532、1235 cm⁻¹的特征峰代表的酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅱ带和酰胺Ⅲ带，分别与C=O拉伸、N-H弯曲和C-N拉伸有关，特征峰的强度与共价键相互作用呈正相关^[18]。如图2（a）所示，伴随成膜液pH的增加，WF-SPI膜的酰胺A带、酰胺Ⅰ带和酰胺ⅠⅠ带的特征峰强度均逐渐增强，表明膜基质中蛋白分子间的氢键和共价键相互作用增强。这可能是由于WF-SPI蛋白结构随pH的增加逐渐展开，促进蛋白分子间的相互作用。Kumari等^[19]研究pH对葫芦巴蛋白膜理化性质影响时，也发现pH的增加促进蛋白分子间的相互作用，进而导致膜酰胺A、酰胺Ⅰ带和酰胺ⅠⅠ带的特征峰强度出现增强。另一方面，如图2（b）所示，当WF筋度从中筋增加至特高筋时，WF-SPI膜酰胺A带的特征峰强度明显减弱。这可能是由于特高筋WF中WG的蛋白结构未完全展开，导致膜基质的相容性减弱（图1b），进而阻碍了WF-SPI膜中的蛋白分子间相互作用。Li等^[20]在研究花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜的理化性质时，也发现复合膜组分间的相容性降低会阻碍蛋白分子间相互作用，结果导致膜酰胺A带的特征峰强度下降。

图 2 不同pH（a）和WF筋度（b）的WF-SPI膜的FTIR光谱图

Figure 2. FTIR spectra of WF-SPI films with different pH (a) and gluten content of WF (b)

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.3 机械性能

TS是膜中蛋白链之间的内聚力产生的抗拉伸阻力，而EAB可以衡量膜的柔韧性^[21]。pH和WF筋度对WF-SPI膜机械性能的影响如表1所示。空白组中膜的TS和EAB分别为4.75 MPa和62.17%。当成膜液的pH提高至9时，WF-SPI膜的TS逐渐增大至12.53 MPa而EAB逐渐减小至33.59%（P<0.05）。这可能是蛋白分子间的相互作用增强的缘故。Cao等^[22]研究pH对SPI-明胶复合膜机械性能的影响时也发现了类似现象。另一方面，伴随WF筋度的增加，WF-SPI膜的TS出现先增大后减小的趋势，而EAB却逐渐增大。Sun等^[23]研究豌豆淀粉-花生分离蛋白复合膜的理化性质时，发现添加豌豆淀粉后复合膜的EAB显著增大，并归因于淀粉与蛋白发生相互作用形成了柔性的网络结构。在本研究中，特高筋WF中的WG可能未完全展开，导致特高筋WF中的小麦淀粉与SPI发生的相互作用的比例增加，进而导致膜的EAB显著增大（P<0.05）。

表 1 pH和WF筋度对WF-SPI膜机械性能和水蒸气透过率的影响

Table 1. Effect of pH and gluten content of WF on the mechanical properties and water vapor permeability of WF-SPI films

WF筋度	pH	TS（MPa）	EAB（%）	WVP（×10⁻¹⁰ g·m⁻¹·s⁻¹·Pa⁻¹）
中筋	6.83	4.75±0.08^e	62.17±8.87^b	3.67±0.14^a
中筋	7	5.51±0.36^e	53.42±10.68^bc	2.85±0.10^c
中筋	8	8.59±1.21^d	44.40±9.79^c	2.41±0.07^d
中筋	9	12.53±0.69^a	33.59±7.34^d	1.93±0.22^e
低筋	9	11.10±0.24^b	30.21±4.15^d	2.43±0.05^d
中筋	9	12.21±0.18^a	35.08±4.76^d	1.93±0.12^e
高筋	9	12.00±0.65^ab	58.31±13.20^b	2.39±0.09^d
特高筋	9	10.06±0.82^c	87.90±12.01^a	3.31±0.11^b
注：同一列中不同小写字母代表显著性差异（P<0.05），表2同。

下载: 导出CSV

| 显示表格

2.4 WVP

pH和WF筋度对WF-SPI膜WVP的影响如表1所示，空白组中膜的WVP为3.67×10⁻¹⁰ g·m⁻¹·s⁻¹·Pa⁻¹。当成膜液的pH增加至9时，WF-SPI膜的WVP显著降低至1.93×10⁻¹⁰ g·m⁻¹·s⁻¹·Pa⁻¹（P<0.05）。这可能是由于在pH9下变性伸展开的蛋白容易形成致密网络的膜结构（图1）。Sharma等^[24]研究pH对芝麻蛋白膜性质的影响时，也发现致密的网络结构能有效阻碍水蒸气的透过。另一方面，当WF筋度从低筋增加至中筋时，WF-SPI膜的WVP从2.43×10⁻¹⁰ g·m⁻¹·s⁻¹·Pa⁻¹显著降低至1.93×10⁻¹⁰ g·m⁻¹·s⁻¹·Pa⁻¹（P<0.05）。这可能是随着疏水性蛋白WG含量的增加，沉积在WG-SPI膜下表面的疏水基团含量随之增多，进而导致膜的WVP出现降低^[3]。当利用高筋度WF制备WF-SPI膜时WVP出现显著升高（P<0.05），这可能是膜中蛋白分子间相互作用减弱的缘故。类似现象也出现在Silva等^[25]研究的果胶-乳清蛋白膜中，他们发现膜基质中的蛋白分子间相互作用减弱会导致膜的WVP出现增加趋势。

2.5 色泽

pH和WF筋度对WF-SPI膜色泽的影响如表2所示。SPI在碱性条件下颜色变暗黄，结果导致膜的L^*值降低而b^*值增大^[26]。伴随pH的增加WF-SPI膜的L^*值和a^*值逐渐降低，而b^*值逐渐增大（表2）。另一方面，伴随WF筋度的增加，WF-SPI膜的L^*值和a^*值逐渐降低，b^*值逐渐增大（表2）。b^*值上升是由于WF中淀粉含有的无色黄酮在碱性条件易生成黄色的查尔酮型结构物质^[27]。

表 2 pH和WF筋度对WF-SPI膜色泽和透明度值的影响

Table 2. Effect of pH and gluten content of WF on the color and transparency value of WF-SPI films

WF筋度	pH	颜色参数			透明度值
WF筋度	pH	L^*	a^*	b^*	透明度值
中筋	6.83	91.67±0.05^a	-1.22±0.02^a	8.34±0.06^f	6.11±0.09^a
中筋	7	91.25±0.08^b	-1.32±0.02^b	9.53±0.18^e	5.30±0.32^b
中筋	8	90.65±0.23^c	-2.38±0.08^c	11.93±0.54^d	2.51±0.21^c
中筋	9	90.48±0.16^d	-2.86±0.05^d	13.53±0.32^c	2.02±0.12^e
低筋	9	90.72±0.20^c	-2.83±0.06^d	13.11±0.51^c	2.21±0.08^de
中筋	9	90.77±0.21^c	-2.88±0.10^d	13.15±0.49^c	2.12±0.08^e
高筋	9	90.05±0.06^e	-3.12±0.02^e	14.72±0.16^b	2.37±0.03^d
特高筋	9	89.69±0.20^f	-3.34±0.02^f	16.00±0.38^a	2.66±0.10^c

下载: 导出CSV

| 显示表格

2.6 透明度值

pH和WF筋度对WF-SPI膜透明度值的影响如表2所示。据报道，透明度值与膜的表面粗糙度和网络结构的致密程度有关，透明度值越高表明膜越不透明^[28−29]。空白组中膜的透明度值为6.11，而pH9下制备的WF-SPI膜透明度值为2.02（表2）。这可能是因为WF-SPI膜中的蛋白分子间相互作用伴随pH的增加而增强（图2），使形成的网络结构变得更加致密且表面粗糙度下降（图1），结果导致膜的透明度值下降。另一方面，伴随WF筋度的增加，WF-SPI膜的透明度值呈先减小后增大的趋势（P<0.05）。这可能是由于利用中筋WF制备的WF-SPI膜具有最低的表面粗糙度（图1），进而减少了光透过时发生的光散射。然而，伴随WF筋度的进一步提高，WF-SPI膜的网络结构变松散（图1），结果导致膜的透明度值显著增大（P<0.05）。

2.7 溶解度

pH对WF-SPI膜溶解度的影响如图3（a）所示。空白组中膜的溶解度为14.69%。当成膜液pH增加至9时，WF-SPI膜的溶解度显著降低至5.48%（P<0.05）。这可能与pH的增加增强了WF-SPI膜中的分子间相互作用有关（图2）。Bourtoom^[30]研究pH对绿豆分离蛋白膜性质的影响时，发现伴随pH的增加绿豆蛋白膜中的蛋白分子间相互作用增强，与水分子间的相互作用减弱，结果导致膜的溶解度降低。另一方面，WF筋度对WF-SPI膜溶解度的影响如图3（b）所示。当WF筋度从中筋提高至特高筋时，WF-SPI膜的溶解度显著增大（P<0.05）。这可能是由于特高筋WF-SPI膜基质的分子间相互作用减弱（图2），导致膜的溶解度提高。Basiak等^[31]研究小麦淀粉-乳清分离蛋白复合膜时，也发现膜基质的蛋白分子间相互作用减弱会促进亲水基团与水分子的相互作用，导致溶解度提高。

图 3 pH（a）和WF筋度（b）对WF-SPI膜溶解度的影响

注：不同小写字母代表显著性差异（P<0.05）。

Figure 3. Effect of pH (a) and gluten content of WF (b) on the solubility of WF-SPI films

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.8 差示扫描量热分析

pH对WF-SPI膜热稳定性的影响如图4（a）所示。空白组中膜的T_g为44.50 °C。伴随pH的增加，WF-SPI膜的T_g逐渐提高。研究报道，当成膜液pH从7.5提高至9.5时，藜麦蛋白的结构展开促进蛋白分子间相互作用增强，结果导致藜麦蛋白膜的T_g增大^[32]。Sakkara等^[33]研究pH对玉米淀粉膜性质的影响时，发现膜基质中的分子间相互作用在碱性条件下出现增强，形成更稳定的网络结构，结果导致膜的热稳定性提高。研究结果表明增加成膜溶液的pH可以提高WF-SPI膜的热稳定性。

图 4 不同pH（a）和WF筋度（b）的WF-SPI膜的DSC热谱图

Figure 4. DSC thermogram of WF-SPI films with different pH (a) and gluten content of WF (b)

下载: 全尺寸图片幻灯片

WF筋度对WF-SPI膜热稳定性的影响如图4（b）所示。低筋WF-SPI膜的T_g为47.94 °C，而当WF筋度从低筋提高至中筋时膜的T_g升高至50.62 °C。这是由于WG中含有大量的二硫键，膜基质中的二硫键含量增多会提高WG-SPI膜的热稳定性^[3]。然而，当WF筋度从中筋提高至特高筋时WF-SPI膜的T_g却逐渐降低。这可能是由于特高筋WF中的蛋白结构未完全展开，膜基质中的分子间相互作用减弱（图2），导致膜的热稳定性降低。Al-Hassan等^[34]在研究明胶-西米淀粉复合膜时，也发现复合膜中的分子间相互作用减弱会导致膜的T_g出现降低。也有研究表明阿魏酸-米渣蛋白复合膜的T_g与TS存在正相关^[35]。类似的现象也出现在本研究中，WF-SPI膜的T_g越高其TS越大（表1）。

2.9 电泳分析

SPI主要由7S球蛋白的α'、α、和β亚基与11S球蛋白的A、A₃和B亚基组成^[18]；WF主要由低分子量谷蛋白（LMW-GS）亚基组成^[36]。pH对WF-SPI膜蛋白质组成的影响如图5（a）所示。在非还原条件下，WF-SPI膜主要含有7S球蛋白的亚基和无法进入浓缩胶的高分子量聚合物（HMWA）。伴随成膜液pH的增大，WF-SPI膜的HMWA条带浓度逐渐增加。这可能是蛋白结构在碱性条件下展开发生相互作用，结果形成高分子物质。类似的现象也出现在pH对米糠蛋白膜的影响中，pH11下制备的米糠蛋白膜HMWA条带浓度比pH7制备的膜强^[37]。在还原条件的SDS-PAGE中，HMWA条带浓度降低而11S球蛋白亚基和LMW-GS亚基的条带浓度增大，这说明WF中的LMW-GS亚基与11S球蛋白的亚基形成分子间二硫键交联。

图 5 pH（a）和WF筋度（b）对WF-SPI膜蛋白组成的影响

注：M代表蛋白质分子质量标准品。

Figure 5. Effect of pH (a) and gluten content of WF (b) on protein patterns of WF-SPI films

下载: 全尺寸图片幻灯片

WF筋度对WF-SPI膜蛋白质组成的影响如图5（b）所示。当WF筋度从中筋逐渐提高至特高筋后，WF-SPI膜的HMWA条带浓度出现降低，而A亚基条带的浓度出现增强。这可能是由于膜中的蛋白分子间相互作用减弱（图2）。Denavi等^[38]研究SPI-明胶复合膜时也发现，膜基质中的蛋白分子间交联减弱会导致膜的HMWA条带浓度降低。这些结果进一步表明，含有特高筋WF的复合膜中蛋白分子间交联出现减弱，导致膜的抗拉伸强度（表1）和热稳定性（图4b）出现降低。

3. 结论

本研究揭示了pH和WF筋度对WF-SPI膜理化性质的影响规律。伴随pH的增加，WF-SPI膜基质间的分子间相互作用增强，膜上表面和下表面的网络结构逐渐光滑致密，进而导致膜的抗拉伸强度、水蒸气阻隔能力和热稳定性提高。当WF筋度从低筋提高至中筋时，WF-SPI膜中的蛋白间相互作用增强，进而提高了膜的机械性能和水蒸气阻隔能力。然而，在特高筋的WF-SPI膜中，WF中的蛋白结构未完全展开，破坏了WF-SPI膜致密的网络结构并阻碍膜中的蛋白分子间相互作用，结果导致膜的抗拉伸强度、水蒸气阻隔能力和热稳定性降低。因此，利用中筋WF和SPI经过发酵后，在pH为9的条件下可以形成结构致密并具有良好理化性质的复合膜。

图 1 pH（a）和WF筋度（b）对WF-SPI膜微观结构的影响

Figure 1. Effect of pH (a) and gluten content of WF (b) on the microstructure of WF-SPI films

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 不同pH（a）和WF筋度（b）的WF-SPI膜的FTIR光谱图

Figure 2. FTIR spectra of WF-SPI films with different pH (a) and gluten content of WF (b)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 pH（a）和WF筋度（b）对WF-SPI膜溶解度的影响

注：不同小写字母代表显著性差异（P<0.05）。

Figure 3. Effect of pH (a) and gluten content of WF (b) on the solubility of WF-SPI films

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 不同pH（a）和WF筋度（b）的WF-SPI膜的DSC热谱图

Figure 4. DSC thermogram of WF-SPI films with different pH (a) and gluten content of WF (b)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 pH（a）和WF筋度（b）对WF-SPI膜蛋白组成的影响

注：M代表蛋白质分子质量标准品。

Figure 5. Effect of pH (a) and gluten content of WF (b) on protein patterns of WF-SPI films

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 pH和WF筋度对WF-SPI膜机械性能和水蒸气透过率的影响

Table 1 Effect of pH and gluten content of WF on the mechanical properties and water vapor permeability of WF-SPI films

WF筋度	pH	TS（MPa）	EAB（%）	WVP（×10⁻¹⁰ g·m⁻¹·s⁻¹·Pa⁻¹）
中筋	6.83	4.75±0.08^e	62.17±8.87^b	3.67±0.14^a
中筋	7	5.51±0.36^e	53.42±10.68^bc	2.85±0.10^c
中筋	8	8.59±1.21^d	44.40±9.79^c	2.41±0.07^d
中筋	9	12.53±0.69^a	33.59±7.34^d	1.93±0.22^e
低筋	9	11.10±0.24^b	30.21±4.15^d	2.43±0.05^d
中筋	9	12.21±0.18^a	35.08±4.76^d	1.93±0.12^e
高筋	9	12.00±0.65^ab	58.31±13.20^b	2.39±0.09^d
特高筋	9	10.06±0.82^c	87.90±12.01^a	3.31±0.11^b
注：同一列中不同小写字母代表显著性差异（P<0.05），表2同。

下载: 导出CSV

表 2 pH和WF筋度对WF-SPI膜色泽和透明度值的影响

Table 2 Effect of pH and gluten content of WF on the color and transparency value of WF-SPI films

WF筋度	pH	颜色参数			透明度值
WF筋度	pH	L^*	a^*	b^*	透明度值
中筋	6.83	91.67±0.05^a	-1.22±0.02^a	8.34±0.06^f	6.11±0.09^a
中筋	7	91.25±0.08^b	-1.32±0.02^b	9.53±0.18^e	5.30±0.32^b
中筋	8	90.65±0.23^c	-2.38±0.08^c	11.93±0.54^d	2.51±0.21^c
中筋	9	90.48±0.16^d	-2.86±0.05^d	13.53±0.32^c	2.02±0.12^e
低筋	9	90.72±0.20^c	-2.83±0.06^d	13.11±0.51^c	2.21±0.08^de
中筋	9	90.77±0.21^c	-2.88±0.10^d	13.15±0.49^c	2.12±0.08^e
高筋	9	90.05±0.06^e	-3.12±0.02^e	14.72±0.16^b	2.37±0.03^d
特高筋	9	89.69±0.20^f	-3.34±0.02^f	16.00±0.38^a	2.66±0.10^c

下载: 导出CSV

参考文献(38)

[1]	刘树萍, 彭秀文, 张佳美, 等. 蛋白/植物精油基复合膜的形成机制及在食品保鲜上的应用研究进展[J]. 食品工业科技,2023,44(22):342−351. [LIU S P, PENG X W, ZHANG J M, et al. Research progress on the formation mechanism of protein/essential oil-based composite films and application in food preservation[J]. Science and Technology of Food Industry,2023,44(22):342−351.] LIU S P, PENG X W, ZHANG J M, et al. Research progress on the formation mechanism of protein/essential oil-based composite films and application in food preservation[J]. Science and Technology of Food Industry, 2023, 44（22）: 342−351.
[2]	MAJUMDER S, HUANG S, ZHOU J, et al. Tannic acid-loaded halloysite clay grafted with silver nanoparticles enhanced the mechanical and antimicrobial properties of soy protein isolate films for food-packaging applications[J]. Food Packaging and Shelf Life,2023,39:101142. doi: 10.1016/j.fpsl.2023.101142
[3]	江睿钊, 石林凡, 任中阳, 等. 谷朊粉对大豆分离蛋白膜理化性质的影响[J]. 中国粮油学报,2024,39(5):79−85. [JIANG R Z, SHI L F, REN Z Y, et al. Effect of wheat gluten on the physicochemical properties of soy protein isolate films[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2024,39(5):79−85.] JIANG R Z, SHI L F, REN Z Y, et al. Effect of wheat gluten on the physicochemical properties of soy protein isolate films[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2024, 39（5）: 79−85.
[4]	ZHAO Y, REN Z, SHI L, et al. Effect of W/O pre-emulsion prepared with different emulsifiers on the physicochemical properties of soy protein isolate-based emulsion films[J]. Food Hydrocolloids,2023,139:108440. doi: 10.1016/j.foodhyd.2022.108440
[5]	MA S, LIU N, WANG Z, et al. Wheat bran dietary fibre-induced changes in gluten aggregation and conformation in a dough system[J]. International Journal of Food Science & Technology,2021,56(1):86−92.
[6]	WANG J, SUN X, XU X, et al. Wheat flour-based edible films:Effect of gluten on the rheological properties, structure, and film characteristics[J]. International Journal of Molecular Sciences,2022,23(19):11668. doi: 10.3390/ijms231911668
[7]	周涛, 李研东, 马晓迪, 等. 小麦面粉中蛋白质量对馒头品质的影响[J]. 河北农业,2022(10):37−38. [ZHOU T, LI Y D, MA X D, et al. Effect of protein quality in wheat flour on steamed bread quality[J]. Hebei Agriculture,2022(10):37−38.] ZHOU T, LI Y D, MA X D, et al. Effect of protein quality in wheat flour on steamed bread quality[J]. Hebei Agriculture, 2022（10）: 37−38.
[8]	SLIWINSKI E L, KOLSTER P, PRINS A, et al. On the relationship between gluten protein composition of wheat flours and large-deformation properties of their doughs[J]. Journal of Cereal Science,2004,39(2):247−264. doi: 10.1016/j.jcs.2003.10.006
[9]	邢金金, 张霞, 母梦羽, 等. 不同筋力小麦面筋聚集特性及结构特性分析[J]. 食品研究与开发,2024,45(2):72−79. [XING J J, ZHANG X, MU M Y, et al. Analysis of gluten aggregation characteristics and structural characteristics of wheat with different gluten strengths[J]. Food Research and Development,2024,45(2):72−79.] doi: 10.12161/j.issn.1005-6521.2024.02.011 XING J J, ZHANG X, MU M Y, et al. Analysis of gluten aggregation characteristics and structural characteristics of wheat with different gluten strengths[J]. Food Research and Development, 2024, 45（2）: 72−79. doi: 10.12161/j.issn.1005-6521.2024.02.011
[10]	JIANG H, PAN J, HU X, et al. A combination of alkaline pH-shifting/acidic pH and thermal treatments improves the solubility and emulsification properties of wheat glutenin[J]. Food Chemistry,2022,393:133358. doi: 10.1016/j.foodchem.2022.133358
[11]	MAURI A N, AÑÓN M C. Effect of solution pH on solubility and some structural properties of soybean protein isolate films[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,2006,86(7):1064−1072. doi: 10.1002/jsfa.2457
[12]	LIU C, YU B, TAO H, et al. Effects of soy protein isolate on mechanical and hydrophobic properties of oxidized corn starch film[J]. LWT,2021,147:111529. doi: 10.1016/j.lwt.2021.111529
[13]	TEKLEHAIMANOT W H, RAY S S, EMMAMBUX M N. Characterization of pre-gelatinized maize starch-zein blend films produced at alkaline pH[J]. Journal of Cereal Science,2020,95:103083. doi: 10.1016/j.jcs.2020.103083
[14]	ARFAT Y A, BENJAKUL S, PRODPRAN T, et al. Development and characterisation of blend films based on fish protein isolate and fish skin gelatin[J]. Food Hydrocolloids,2014,39:58−67. doi: 10.1016/j.foodhyd.2013.12.028
[15]	WENG W, ZHENG H. Effect of transglutaminase on properties of tilapia scale gelatin films incorporated with soy protein isolate[J]. Food Chemistry,2015,169:255−260. doi: 10.1016/j.foodchem.2014.08.012
[16]	PAPADAKI A, KACHRIMANIDOU V, LAPPA I K, et al. Tuning the physical and functional properties of whey protein edible films:Effect of pH and inclusion of antioxidants from spent coffee grounds[J]. Sustainable Chemistry and Pharmacy,2022,27:100700. doi: 10.1016/j.scp.2022.100700
[17]	MA W, YU Z, SHE M, et al. Wheat gluten protein and its impacts on wheat processing quality[J]. Front Agric Sci Eng,2019,6(3):279. doi: 10.15302/J-FASE-2019267
[18]	HU Y, SHI L, REN Z, et al. Characterization of emulsion films prepared from soy protein isolate at different preheating temperatures[J]. Journal of Food Engineering,2021,309:110697. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2021.110697
[19]	KUMARI N, BANGAR S P, PETRŮ M, et al. Development and characterization of fenugreek protein-based edible film[J]. Foods,2021,10(9):1976. doi: 10.3390/foods10091976
[20]	LI C, ZHU W, XUE H, et al. Physical and structural properties of peanut protein isolate-gum Arabic films prepared by various glycation time[J]. Food Hydrocolloids,2015,43:322−328. doi: 10.1016/j.foodhyd.2014.06.003
[21]	HE Z, ZHAO J, LIU C, et al. Ameliorating effect of γ-aminobutyric acid on the physical performance of whey protein films[J]. Food Hydrocolloids,2022,124:107207. doi: 10.1016/j.foodhyd.2021.107207
[22]	CAO N, FU Y, HE J. Preparation and physical properties of soy protein isolate and gelatin composite films[J]. Food Hydrocolloids,2007,21(7):1153−1162. doi: 10.1016/j.foodhyd.2006.09.001
[23]	SUN Q, SUN C, XIONG L. Mechanical, barrier and morphological properties of pea starch and peanut protein isolate blend films[J]. Carbohydrate Polymers,2013,98(1):630−637. doi: 10.1016/j.carbpol.2013.06.040
[24]	SHARMA L, SINGH C. Sesame protein based edible films:Development and characterization[J]. Food Hydrocolloids,2016,61:139−147. doi: 10.1016/j.foodhyd.2016.05.007
[25]	SILVA K S, FONSECA T M R, AMADO L R, et al. Physicochemical and microstructural properties of whey protein isolate-based films with addition of pectin[J]. Food packaging and shelf life,2018,16:122−128. doi: 10.1016/j.fpsl.2018.03.005
[26]	MAURI A N, AÑÓN M C. Mechanical and physical properties of soy protein films with pH-modified microstructures[J]. Food Science and Technology International,2008,14(2):119−125. doi: 10.1177/1082013208092130
[27]	WANG X, ZHANG X, HOU H, et al. Metabolomics and gene expression analysis reveal the accumulation patterns of phenylpropanoids and flavonoids in different colored-grain wheats (Triticum aestivum L. )[J]. Food Research International,2020,138:109711. doi: 10.1016/j.foodres.2020.109711
[28]	ZHAO Y, TIAN R, CUI M, et al. Insight into the formation mechanism of soy protein isolate films improved by dialdehyde starch with different degrees of aldehyde substitution[J]. Food Hydrocolloids,2023,145:109071. doi: 10.1016/j.foodhyd.2023.109071
[29]	姚峰, 陈书霖, 唐兰兰, 等. 鱼皮质量分数对热水浸提明胶的性质及其成膜性能的影响[J]. 食品工业科技,2015,36(10):114−118,124. [YAO F, CHEN S L, TANG L L, et al. Effect of skin concentration on properties and film-forming ability of gelatin from tilapia skin by hot-water extraction[J]. Science and Technology of Food Industry,2015,36(10):114−118,124.] YAO F, CHEN S L, TANG L L, et al. Effect of skin concentration on properties and film-forming ability of gelatin from tilapia skin by hot-water extraction[J]. Science and Technology of Food Industry, 2015, 36（10）: 114−118,124.
[30]	BOURTOOM T. Factors affecting the properties of edible film prepared from mung bean proteins[J]. International Food Research Journal,2008,15(2):167−180.
[31]	BASIAK E, GALUS S, LENART A. Characterisation of composite edible films based on wheat starch and whey-protein isolate[J]. International Journal of Food Science & Technology,2015,50(2):372−380.
[32]	MIR N A, RIAR C S, SINGH S. Effect of film forming solution pH on antibacterial, antioxidant and structural characteristics of edible films from modified quinoa protein[J]. Food Hydrocolloids,2023,135:108190. doi: 10.1016/j.foodhyd.2022.108190
[33]	SAKKARA S, NATARAJ D, VENKATESH K, et al. Effect of pH on the physicochemical properties of starch films[J]. Journal of Applied Polymer Science,2020,137(15):48563. doi: 10.1002/app.48563
[34]	AL-HASSAN A A, NORZIAH M H. Starch-gelatin edible films:Water vapor permeability and mechanical properties as affected by plasticizers[J]. Food Hydrocolloids,2012,26(1):108−117. doi: 10.1016/j.foodhyd.2011.04.015
[35]	沈凯青, 李倩如, 曾绍校, 等. 阿魏酸-米渣蛋白复合膜的结构及性能[J]. 食品工业科技,2019,40(18):201−206. [SHEN K Q, LI Q R, ZENG S X, et al. Structural and functional properties of ferulic acid-rice residue protein composite film[J]. Science and Technology of Food Industry,2019,40(18):201−206.] SHEN K Q, LI Q R, ZENG S X, et al. Structural and functional properties of ferulic acid-rice residue protein composite film[J]. Science and Technology of Food Industry, 2019, 40（18）: 201−206.
[36]	ZHANG Y, GUO X, SHI C, et al. Effect of soy proteins on characteristics of dough and gluten[J]. Food Chemistry,2020,318:126494. doi: 10.1016/j.foodchem.2020.126494
[37]	WANG N, SALEH A S M, GAO Y, et al. Effect of protein aggregates on properties and structure of rice bran protein-based film at different pH[J]. Journal of Food Science and Technology,2019,56(11):5116−5127. doi: 10.1007/s13197-019-03984-3
[38]	DENAVI G A, PÉREZ-MATEOS M, AÑÓN M C, et al. Structural and functional properties of soy protein isolate and cod gelatin blend films[J]. Food Hydrocolloids,2009,23(8):2094−2101. doi: 10.1016/j.foodhyd.2009.03.007

施引文献

资源附件(0)

图(5) / 表(2)

计量

文章访问数: 27
HTML全文浏览量: 6
PDF下载量: 7
被引次数: 0

1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.2 实验方法
1.2.1 WF-SPI的发酵
1.2.2 发酵WF-SPI膜的制备
1.2.3 微观结构
1.2.4 傅里叶变换红外光谱
1.2.5 机械性能
1.2.6 水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）
1.2.7 色泽
1.2.8 透明度值
1.2.9 溶解度
1.2.10 差示扫描量热分析
1.2.11 十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰氨凝胶电泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）
1.3 数据处理
2. 结果与分析
2.1 微观结构
2.2 傅里叶变换红外光谱
2.3 机械性能
2.4 WVP
2.5 色泽
2.6 透明度值
2.7 溶解度
2.8 差示扫描量热分析
2.9 电泳分析
3. 结论

1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.2 实验方法
1.2.1 WF-SPI的发酵
1.2.2 发酵WF-SPI膜的制备
1.2.3 微观结构
1.2.4 傅里叶变换红外光谱
1.2.5 机械性能
1.2.6 水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）
1.2.7 色泽
1.2.8 透明度值
1.2.9 溶解度
1.2.10 差示扫描量热分析
1.2.11 十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰氨凝胶电泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）
1.3 数据处理
2. 结果与分析
2.1 微观结构
2.2 傅里叶变换红外光谱
2.3 机械性能
2.4 WVP
2.5 色泽
2.6 透明度值
2.7 溶解度
2.8 差示扫描量热分析
2.9 电泳分析
3. 结论

参考文献(38)

施引文献

资源附件(0)

pH和小麦粉筋度对发酵小麦粉-大豆分离蛋白膜理化性质的影响

作者简介: 江睿钊（1999−），男，硕士研究生，研究方向：食品加工与安全，E-mail：852066136@qq.com

通讯作者: 翁武银（1974−），男，博士，教授，研究方向：蛋白质化学和水产加工，E-mail：wwymail@jmu.edu.cn。

计量

出版历程