维生素a强化乳清蛋白包装膜的研究

维生素A强化乳清蛋白包装膜的研究作者:叶子杰北京市青少年科学技术馆维生素A强化乳清蛋白包装膜的研究学生姓名：叶子杰1维生素A强化乳清蛋白包装膜的研究作者：叶子杰北京市青少年科学技术馆邮编：100009指导教师：马洪梅北京市青少年科学技术馆范克科中国人民大学附属中学任发政中国农业大学食品科学与营养工程学院摘要随着我国经济的高速增长，工业化生产的消费品越来越多地进入人们的生活，同时也产生了大量的包装废弃物，不仅造成资源的大量浪费，同时污染环境。因此开发可降解绿色包装材料和可食用包装膜已经成为食品工业的主要任务之一。可食性包装膜除了对食品的保护作用，还可发挥其作为食品特定组成部分，构成食品体系第二营养源的功能。乳清蛋白具有很好的营养价值，独特的功能性质以及良好的成膜性，是一种理想的绿色包装材料。向乳清蛋白食品包装膜添加营养素，对其进行营养强化，是一种外源补充人类膳食缺乏的营养素的好方法。维生素A（VA）是中国人膳食中普遍缺少的成分，而VA不稳定，用其他材料将其包埋起来制成微胶囊是保护其活性的一种有效手段。因此，本研究探究了以乳清蛋白作为壁材制做VA微胶囊的工艺，以及微胶囊的添加对乳清蛋白膜的机械性能以及微观结构的影响，最后还研究了添加到乳清蛋白膜中的VA在模拟的胃肠液中的释放情况。这项研究的主要成果是采用乳清蛋白作为原料，研制了一种含有VA微胶囊的营养强化食品包装膜，这种膜不仅可降解、对环境没有污染，还能够为人体补充VA。实验表明，此种膜具有良好的机械强度和水蒸气阻隔性，所包埋的VA在模拟的胃肠液中能够有效地释放。关键词：乳清蛋白，包装膜，维生素A，微胶囊，营养强化维生素A强化乳清蛋白包装膜的研究学生姓名：叶子杰2引言1.背景半个世纪以来，塑料包装材料由于其低廉的成本，良好的性能，精美的外观，一直被广泛应用在食品包装领域。然而，塑料是由一种或两种有机小分子单体聚合或共聚反应而制成的高分子聚合物，不易被微生物降解，也不能循环利用，造成的大量堆积，会严重污染环境。根据国际包装工业协会统计，对环境造成污染的垃圾中，塑料垃圾占72%，其中很大一部分来自食品塑料包装废弃物。此外，塑料包装袋容易产生有害气体和异味，而且其中的一些添加剂、残留溶剂等还会从塑料包装向食品中迁移，会对人体造成一定的毒副作用。随着食品工业的快速发展和人们环境保护意识的增强，塑料包装所带来的负面效应已日益受到人们的重视。近年来，世界各国开始加强对塑料包装的控制使用，意大利的卡多拉市从1986年底就立法禁止使用、销售塑料制食品容器及包装袋等，美国自1992年开始禁止使用塑料包装食品，我国也自2008年6月1日以来正式实行了“限塑令”。许多国家投入大量的人力物力，力求寻找可降解的绿色材料来取代塑料在食品包装中的应用。因此，开发可降解绿色包装材料和可食用包装膜已经成为了食品包装工业的首要任务之一。可食用膜不仅具有普通塑料包材对食品的保护作用，满足湿敏、氧敏、光敏等食品和鲜活农产品的保鲜要求，因其可食用特性，还可发挥其可作为食品特定组成部分，构成食品体系第二营养源的功能。2.乳清蛋白乳清蛋白是一类利用现代先进工艺从乳清中提取出来的蛋白质，它易消化吸收、具有很高的代谢效率和生物学价值[1]。近几年来，乳清蛋白在生物高分子食品包装材料中的应用逐渐兴起。有文献报道[2-4]，乳清蛋白是一种良好的成膜基料。天然的乳清蛋白呈球形，利用分子间氢键、离子键、疏水键、偶极相互作用以及二硫键作用等来维持其稳定的结构。在生理pH值下，乳清蛋白分子结构紧密，表面由水化膜包围，内部则含有许多隐藏的-OH、-SH和其他疏水基团。通过加热、酶处理、碱处理等变性手段，能破坏乳清蛋白的三级结构，使卷曲的球状分子链展开，解离出分子的亚基，从而导致蛋白质分子变性。变性后的蛋白质分子内部疏水基因、巯基暴露，分子间的相互作用加强，从而结合成立体网络结构，在合适的条件下就可以得到具有一定机械强度和阻隔性的膜[5]。乳清蛋白是最近几年才被用作可食用包装膜的基质材料。国外有很多报道表明，乳清蛋白膜有很好的营养价值和独特的功能性质，例如良好的阻隔氧气、油脂和芳香类物质的性能。但是由于蛋白分子中氨基酸残疾的亲水性，导致了乳清蛋白膜的水蒸气阻隔性较差，仍无法与塑料包装膜相比，极大地限制了其发展和应用。国内对乳清蛋白膜的研究还处于初级阶段，姚晓敏[6]等、张占路[7]对乳清蛋白成膜工艺进行了研究，并将乳清蛋白膜用于果蔬的涂膜保鲜。但总体来说，我国对乳清蛋白膜的研究与发达国家还有很大的差距。3.微胶囊化维生素维生素是维持人体正常生理功能所必需的一类微量低分子质量有机化合物。在食品加工维生素A强化乳清蛋白包装膜的研究学生姓名：叶子杰3中维生素不稳定性，选择一种相对缓和的微胶囊包被工艺是极为必要的。微胶囊是由天然或人工合成高分子制成的微型容器。包囊是指将固体颗粒、液体微滴或气体作为胶囊的芯材料，在其外形成一层连续而薄薄的包囊的过程。外部的一薄层物质称为壁材，此过程称为微胶囊技术。制备微胶囊型维生素常用的壁材有：淀粉及其衍生物类、糊精类、植物胶（海藻酸钠、琼脂、阿拉伯胶、黄原胶、卡拉胶等）、蛋白（明胶、酪蛋白及其盐类、植物蛋白等）、糖类（乳糖、糖浆、蔗糖、麦芽糖）、纤维素类、脂类（蜡类、卵磷脂、酯类等）等[8-10]。乳清蛋白在宽广的pH、温度和离子强度范围内具有良好溶解度，甚至在等电点即pH4-5时仍能溶解于水[11]，具有很好的微胶囊化特性，这使它成为一种新型的微胶囊壁材。常用到微胶囊化的乳清蛋白是乳清分离蛋白(WPI)和乳清浓缩蛋白(WPC)。乳清蛋白作为微胶囊产品壁材，已经应用于益生菌的包埋[12]，多不饱和脂肪酸EPA（二十碳五烯酸）和DHA（二十二碳六烯酸）的微胶囊化[13]，黄酮苷元微胶囊的制备[14]等等，得到的微胶囊产品具有较好的包埋效果和贮存稳定性。国内外对于以乳清蛋白作为壁材制备维生素微胶囊的研究鲜有报道。4.乳清蛋白营养强化膜乳清蛋白膜作为食品包装膜，目的是实现食品的贮藏保鲜，改良品质，强化营养和表面装饰。富含营养强化因子的包装膜更能提高食品的营养水平。维生素A，又称抗干眼醇，属于脂溶性维生素，其功能是维持眼睛在黑暗情况下的视力。缺乏维生素A时则患夜盲症。维生素A能促进儿童的正常生长发育，缺乏它时可引起生殖功能衰退，骨骼成长不良及生长发育受阻。维生素A还能维持上皮组织的健康，增加对传染病的抵抗力。长期缺乏维生素A，会引起皮肤、粘膜的上皮细胞萎缩、角质化或坏死。而目前维生素A是中国人的膳食中普遍缺少的成分，对于儿童、青少年以及经常面对电脑的职业女性来说，补充维生素A是刻不容缓的事[15]。维生素A营养强化食品在许多国家得到广泛的应用。维生素A为淡黄色油溶液，溶于脂肪或有机溶剂，但不溶于水，难以均匀的添加于食品中，在食品加工过程中易遭破坏。若将维生素A微胶囊化，则既能保持其固有特性，又能弥补其不足。以微胶囊化维生素A作为营养强化剂对食品包装膜进行营养强化，维生素A随可食性包装膜进入人体后释放出来，是一种很好的补充维生素A的途径。国内王华[16]，谢岩黎[17]已经研究并优化了维生素A微胶囊的制备，其在模拟胃液肠液中的释放也有人研究[18]。以乳清蛋白为壁材制备维生素A胶囊，并将其添加到乳清蛋白食品包装膜中对其进行营养强化，这在国内外研究中报道都较少。5.目的和意义随着我国食品工业的发展，食品包装的需求也越来越大，带给可食用包装膜巨大的市场发展潜力。这项研究以乳清蛋白为基础成膜材料，以乳清蛋白作为壁材制备微胶囊化维生素A，对乳清蛋白膜进行营养强化，以得到一种营养强化食品包装膜。这种膜不仅可降解、对环境没有污染，还能够为国人补充膳食中缺乏的维生素A，提高我国青少年体质；同时可为具有丰富营养价值和功能性质的乳清蛋白这些工业副产物开辟新的应用领域。维生素A强化乳清蛋白包装膜的研究学生姓名：叶子杰4实验一含维生素A乳清蛋白微胶囊的制备维生素A是人体不可缺少的一种重要的维生素。它能促进儿童和青少年长高，提高视力，使皮肤湿润、光滑细嫩，预防皮肤癌，减少传染病的发生，防止多种上皮肿瘤发生，促进鼻、喉、肺等表层的正常运作。但维生素A只可以在动物食品中发现,尤其是肝脏中，植物能在人体内转化成的维生素A的量非常少。因此，以植物性食物为主的亚洲和非洲人VA缺乏严重。中国人几乎每人都缺乏维生素A,其中妇女、儿童和青少年表现更为突出。维生素A直接关系到儿童、青少年的生长发育,女士的外观和健康[15]。所以在中国人饮食中补充维生素A刻不容缓。目前VA营养强化食品在许多国家得到广泛的应用，VA为淡黄色油溶液,溶于脂肪或有机溶剂，但不溶于水，在食品加工过程中易遭破坏。若将VA微胶囊化，则既能保持VA的固有特性，又能弥补其不足。目前，国内外关于VE和VD的微胶囊化研究比较深入[19]，但VA微胶囊的研究很少。目前国内用于VA包埋的壁材有明胶[16]、变性淀粉[17]，用天然乳清蛋白作为壁材的研究未见报道。微胶囊化的包埋率（通过测定胶囊中VA的总量和未包埋量来计算）是评价微胶囊品质的重要参数。本实验以乳清蛋白为壁材，用喷雾法制备VA微胶囊，设定了不同的芯壁比、均质压力和喷雾干燥的进风温度，以VA的包埋率和感官性质来评定成品的质量成品。1实验方法1.1材料VA，德国巴斯夫公司；乳清分离蛋白（BIPRO），美国DAVISCO公司；盐酸，乙酸，氢氧化钠，石油醚，北京化学试剂公司（化学纯）。1.2仪器与设备79-1型磁力加热搅拌器；HH-2型数显恒温水浴锅；JJ-1型定时电动搅拌器；Spectrumlab52型紫外分光光度计；pHS-25B型数字酸度计；电子分析天平；高剪切乳化分散机FA25（上海福鲁克流体机械公司），高压均质机（ATS，AH100D）LPG-5型离心式喷雾干燥机。1.3方法1.3.1工艺流程芯材(VA)+壁材(乳清蛋白)→乳化→高压均质→喷雾干燥→微胶囊产品1.3.2操作要点取5g乳清蛋白溶于100g的蒸馏水，合并后加的VA粉末，在避光条件下乳化，乳化，温度45～60℃，将pH值调节8.0，10000rpm高速剪切，之后一定的高压下均质三次；最后进行喷雾干燥；确定试验条件[16,19,20]，对试验条件下的微胶囊的包埋率进行测定。1.4微胶囊化效果的评定维生素A强化乳清蛋白包装膜的研究学生姓名：叶子杰51.4.1微胶囊中VA总量的测定[21]1.4.1.1紫外分光光度法制定VA标准工作曲线维生素A标准贮存液(1000IU/mL)：置醋酸维生素A标准样品(德国Merck公司，1000000IU/g)于65℃水浴，使其充分液化、摇匀。稍冷，精确称取0.1000g于100mL棕色容量瓶中，加异丙醇溶解并定容至刻度。维生素A标准使用液(10IU/mL):精确移取1.0mL1000IU/mL维生素A标准贮存液于100mL棕色容量瓶中，用异丙醇定容至刻度。分别移取10IU/mL维生素A标准使用液1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mL于l0mL棕色容量瓶中，异丙醇定容至刻度，摇匀。浓度分别为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0IU/mL。以异丙醇为空白对照，调零，于328nm处测定标准系列溶液的吸光度。以浓度为横坐标、吸光度为纵坐标得到维生素A标准工作曲线方程。1.4.1.2微胶囊样品中VA总量的测定皂化：精确称取样品1.5000g于平底烧瓶中，加入10mL、50%KOH溶液20mL无水乙醇、3粒沸石，摇匀，装上回流冷凝管，在85℃~90℃水浴回流60min。提取：样品皂化完全后，用l0mL温水冲冼冷凝管，将皂化液转入250mL分液漏斗中，每次用30mL无水乙醚提取3次皂化液，将乙醚层合并，用温水洗涤乙醚层(每次15mL)至洗涤水呈中性，弃去水层。乙醚提取液经置有少量无水硫酸钠的小漏斗滤入平底烧瓶，用20mL乙醚分2次洗涤分液漏斗，洗涤液同样经置有无水硫酸钠的小漏斗合并至平底烧瓶。挥发除去溶剂：将平底烧瓶置于水浴中，蒸馏并回收乙醚，待残留物剩lmL左右时，停止蒸馏。测定：于残留物中加入异丙醇使之溶解，并转移至l0mL棕色容量瓶中，定容至刻