CN115895050B - 一种定向调控淀粉基可食用膜性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向调控淀粉基可食用膜性能的方法，属于食品包装技术领域。本发明利用酶法改性淀粉的方法制备可食膜，利用淀粉分支酶通过对淀粉水解和转糖苷的作用，对淀粉分子结构中的α，1‑4和α，1‑6糖苷键进行调节，实现了高支化淀粉基膜的制备。通过酶作用工艺条件的转变，探究高支化淀粉成膜的结构基础和分子机制，实现对可食膜的性能优化和动态调控，为淀粉膜针对不同食品领域的应用奠定了基础，为食品环保可降解包装及应用提供了新思路与新手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种定向调控淀粉基可食用膜性能的方法，属于食品包装技术领域。
背景技术
食品包装薄膜包裹在食品表面，不仅可以隔离微生物和细菌，而且可以避免外来污染物的进入，从而实现延长食品保质期的作用。而塑料薄膜由于其优异的机械性能、良好的化学稳定性，在食品包装薄膜中占据了至关重要的地位。然而，塑料的不可降解性对环境造成了伤害，这限制了塑料膜的应用。以天然生物大分子为原料制备的可降解、可再生薄膜的发展引起了人们的关注。
淀粉由于其来源广泛、环保可降解及可再生等优点，成为了替代塑料作为食品包装材料的理想选择之一。而淀粉的固有性质决定了淀粉膜的力学性能、阻隔性能较差，膜的脆性高，且淀粉的亲水性使淀粉膜在相对湿度较高的环境中稳定性较差，这些缺点严重限制了淀粉膜的应用；而且通过改变淀粉自身结构从而实现定向调控淀粉膜性能的研究较少，故无法实现淀粉膜在不同食品领域中的精准多维应用。
发明内容
本发明提供了一种通过淀粉分支酶改性淀粉结构定向调控可食用膜性能的方法，是利用淀粉分支酶，动态调节淀粉中α-1,4和α-1,6糖苷键的含量，实现膜性能的动态变化。
本发明提供了一种制备可食用膜的方法，通过淀粉分支酶对淀粉进行高支化改性处理以定向调控可食用膜性能，所述方法包括以下步骤：
(1)调浆
将淀粉溶于水配制成淀粉乳，在25～50℃下搅拌均匀待用；
(2)糊化
将淀粉乳加热，使淀粉粒溶胀、崩溃，形成粘稠均匀的透明糊溶液；
(3)酶解
在45～55℃下，向淀粉乳中加入淀粉分支酶，催化淀粉进行水解与转糖苷，以实现酶法对淀粉结构进行高支化的改性；
(4)增塑
向步骤(3)酶解后的淀粉乳液中加入增塑剂，使小分子增塑剂掺入到淀粉分子之间，增大淀粉分子之间的间距，形成凝胶溶液；
(5)浇筑
采用流延法将步骤(4)所得凝胶溶液流延在聚丙烯表面皿内成膜，控制水平以保证膜厚均匀；
(6)烘干
在水平状态的真空干燥箱中对凝胶溶液进行烘干，干燥一定时间后即可得到高支化淀粉膜；
(7)保存
将高支化淀粉膜在恒温恒湿箱中保存备用。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中的淀粉种类为玉米淀粉、豌豆淀粉、木薯淀粉及小麦淀粉。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中淀粉乳的质量浓度的范围为3％～5％。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中淀粉乳加热的温度范围为90～100℃；加热时间为30min～1h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述淀粉分支酶的添加量为以干基计25-200U/g淀粉；加入淀粉分支酶后调节pH为6.0-7.5，于50-70℃下反应3-24h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述淀粉分支酶的添加量为以干基计25-200U/g淀粉；加入淀粉分支酶后调节pH为6.5-7.5，于65-70℃下反应6h以上。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(3)中所用的淀粉分支酶是指EC编号为2.4.1.18的酶。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(4)中增塑剂的种类为甘油、多元糖醇和二元醇中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(4)中，加入增塑剂后，在90～100℃保持30min～1h，以使小分子增塑剂掺入淀粉分子之间。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(5)中浇筑的厚度是0.050mm-0.200mm。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(5)中聚丙烯表面皿面积为33cm2，浇筑的凝胶量的范围为20～40g，厚度是0.050mm-0.200mm。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(6)中在真空干燥箱中烘干的温度范围为40～60℃，烘干时间为8～12h。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(7)中在恒温恒湿箱中保存的温度条件为25℃、相对湿度为50％，保存时间为24h。
本发明的有益效果：
本发明通过调浆、糊化对淀粉进行预处理，以达到淀粉粒晶体结构消失、氢键断开、在水中分散成胶体溶液、便于酶法改性的效果；再通过淀粉分支酶酶解处理来对淀粉结构进行定性改造，以达到淀粉分支度增加、实现淀粉分子重构的效果；再对改性后的淀粉进行增塑处理，再经浇筑、烘干得到可食用膜。
本发明利用生物酶法对淀粉进行高支化调控，使用淀粉分支酶切断淀粉分子中的α-1.4糖昔键，并将切下的链段通过α-1,6糖键转接至受体链上形成新的分支(见图1)，α-1,6-糖苷键相对含量提高，从而增加淀粉分支度，调节淀粉分子内部糖苷键的重构从而实现原淀粉分子结构的重排，为高支化淀粉基膜的制备夯实了结构基础。
本发明得到的淀粉基可食用膜表面由粗糙、多孔向表面平整光滑、均一连续转变，相对于没有经过分支酶改性的膜，拉伸强度有了明显提高，便于淀粉基可食用膜在不同食品包装领域中的应用。
附图说明
图1淀粉分支酶改性淀粉示意图。
图2支链淀粉分子结构图。
图3GBE改性对淀粉链长分布的影响。
图4GBE改性淀粉1H NMR图谱。
图5淀粉基膜的扫描电镜图。
图6玉米淀粉膜的拉伸强度。
图7玉米淀粉膜的热重曲线(左)与微商热重分析曲线(右)。
具体实施方式
为使本发明的目的、特点和技术方案更加明显易懂，特别是突出本发明各工艺协同作用带来的有益效果，下面通过具体实施例对本发明作更详细的描述。
实施例1：淀粉分支酶的添加量对高支化淀粉结构的调控
高支化淀粉制备的具体步骤
(1)调浆：取豌豆淀粉溶于去离子水中配制成浓度为3％的淀粉乳，在50℃均匀搅拌并保存30min待用。
(2)糊化：将淀粉乳加热至95℃恒定反应1h，使淀粉粒溶胀、崩溃，形成粘稠均匀的透明糊溶液。
(3)酶解：在50℃下，向淀粉乳中分别加入25、50、100、200U/g的Geobacillusstearothermophilus来源的淀粉分支酶进行恒温反应3h，使淀粉进行水解与转糖苷，实现酶法对淀粉结构进行高支化的改性。
实施例2：淀粉种类对淀粉分支酶改性的高支化淀粉结构的调控
(1)调浆：取豌豆淀粉和玉米淀粉分别溶于去离子水中配制成浓度为3％的淀粉乳，在50℃均匀搅拌并保存30min待用。
(2)糊化：将淀粉乳加热至95℃恒定反应1h，使淀粉粒溶胀、崩溃，形成粘稠均匀的透明糊溶液。
(3)酶解：在50℃下，向淀粉乳中加入25U/g的Geobacillus stearothermophilus来源的淀粉分支酶进行恒温反应3h，使淀粉进行水解与转糖苷，实现酶法对淀粉结构进行高支化的改性。
实施例3：淀粉分支酶改性时间对高支化淀粉结构的调控
(1)调浆：取豌豆淀粉溶于去离子水中配制成浓度为3％的淀粉乳，在50℃均匀搅拌并保存30min待用。
(2)糊化：将淀粉乳加热至95℃恒定反应1h，使淀粉粒溶胀、崩溃，形成粘稠均匀的透明糊溶液。
(3)酶解：在50℃下，向淀粉乳中加入25U/g的Geobacillus stearothermophilus来源的淀粉分支酶分别进行恒温反应3h、6h、9h，使淀粉进行水解与转糖苷，实现酶法对淀粉结构进行高支化的改性。
对照组1：
步骤(1)、步骤(2)与实施例1相同；
步骤(3)利用去离子水代替GBE酶，在50℃下，恒温反应3h。
对照组2：
步骤(1)、步骤(2)与实施例1相同；省略实施例1的步骤(3)。
对实施例1-3及对照组进行如下检测：
1.支链链长分布的测定
采用高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测器(HPAEC-PAD)测定样品链长分布，色谱分析条件为：超纯水、0.25M NaOH、1M NaAC溶液三元梯度淋洗，色谱柱CarboPacPA 200，流速0.5mL/min，柱温30℃，进样20μL。
支链淀粉是葡萄糖经α-1,4糖苷键连接形成主链，并通过α-1,6糖苷键连接形成侧链的高分支多糖，其结构如图2所示。其链长分布是指淀粉的α-1,6糖苷键经脱支酶切断后得到一系列聚合度(DP)不同的线性短链，即不同长度的葡聚糖链，再通过高效阴离子交换色谱，分析不同聚合度葡聚糖链的含量。
表1及图3为实施例1所得酶解液的链长分布的结果。为进一步分析高支化玉米淀粉的支链精细结构(即不同长度的葡聚糖链所占的具体比例)，将脱支酶切下的支链淀粉侧链链段按照长度进行分类，分别为DP 3～12、DP 13～24、DP 25～36、DP＞36，各链段含量如表1及图1所示。
表1淀粉分支酶不同添加量作用豌豆淀粉的支链分支链段含量
表1中同列数据上不同字母表示组间均值在p＜0.05水平上具有显著性差异。
由图3可知，豌豆淀粉的链长分布近似于正态分布，其中DP<13及DP 13～24的链段含量较高，经过GBE处理，改性淀粉的链段结构虽有所变化，但整体仍接近正态分布。改性后，链段DP<13及DP 24～36的含量随着酶添加量的增大而逐渐增加，DP 12～24及DP>36的含量逐渐减少，此结果表明，GBE整体上倾向于水解支链淀粉中较长的分子链段，并将切下的分子进行重连，导致长链含量减少、短链含量增加。
2.α-1,6-糖苷键含量的测定
采用核磁共振氢谱仪(1H NMR)研究淀粉的支化度。将酶解后的高支化淀粉样品进行冷冻干燥，后进行磨粉、过筛。取高支化淀粉溶解于重水(D2O)中得到20mg/mL溶液，沸水浴30min，将糊化后的样品冷冻干燥72h后，重新溶解于重水中(20mg/mL)，用于核磁共振氢谱仪(1HNMR)的检测。
采用1H NMR测定淀粉经过改性前后样品中α-1,6-糖苷键的相对含量，结果如图4所示。α-1,6-糖苷键与α-1,4-糖苷键的化学位移分别为4.97ppm及5.37ppm，。根据样品中α-1,4-糖苷键与α-1,6-糖苷键对应吸收峰的峰面积可得到α-1,6-糖苷键的相对含量。结果发现，实施例3中淀粉经过分支酶的改性后，其α-1,6-糖苷键相对含量随改性时间的延长而显著增加，说明淀粉分支酶改性可明显提高淀粉的分支度。
实施例4：淀粉分支酶添加量对高支化淀粉膜性能的调控
(1)增塑：取淀粉干基30％的甘油加入实施例1步骤(3)得到的淀粉乳酶解液中，在95℃进行反应30min，使小分子增塑剂掺入淀粉分子之间，增大淀粉分子之间的间距。
(2)浇筑：采用流延法将20g的凝胶溶液流延在聚丙烯表面皿内成膜，控制水平以保证膜厚均匀。
(3)烘干：在水平状态的60℃真空干燥箱中干燥8h后即可得到高支化淀粉膜。
(4)保存：将干燥膜从真空干燥箱中取出，将其在为25℃、相对湿度为50％的恒温恒湿箱中保存24h。
实施例5：淀粉分支酶对不同种类高支化淀粉膜性能的调控影响
(1)增塑：取淀粉干基30％的甘油加入实施例2步骤(3)得到的淀粉乳酶解液中，在95℃进行反应30min，使小分子增塑剂掺入淀粉分子之间，增大淀粉分子之间的间距。
(2)浇筑：采用流延法将20g的凝胶溶液流延在聚丙烯表面皿内成膜，控制水平以保证膜厚均匀。
(3)烘干：在水平状态的60℃真空干燥箱中干燥8h后即可得到高支化淀粉膜。
(4)保存：将干燥膜从真空干燥箱中取出，将其在为25℃、相对湿度为50％的恒温恒湿箱中保存24h。
实施例6：淀粉分支酶改性时间对高支化淀粉膜性能的调控影响
(1)增塑：取淀粉干基30％的甘油加入实施例3步骤(3)得到的淀粉乳酶解液中，在95℃进行反应30min，使小分子增塑剂掺入淀粉分子之间，增大淀粉分子之间的间距。
(2)浇筑：采用流延法将20g的凝胶溶液流延在聚丙烯表面皿内成膜，控制水平以保证膜厚均匀。
(3)烘干：在水平状态的60℃真空干燥箱中干燥8h后即可得到高支化淀粉膜。
(4)保存：将干燥膜从真空干燥箱中取出，将其在为25℃、相对湿度为50％的恒温恒湿箱中保存24h。
对照组3：
不加入增塑剂，其余均与实施例6一致。
对实施例4-6及对照组3进行如下检测：
1.扫描电子显微镜观察
将样品切片后粘在样品台上，并在表面均匀喷镀一层金粉，在3.0kV电压下观察，结果见图5。
图5为各组淀粉基膜的扫描电子显微镜观察结果。由对照组3与实施例6的组间对比结果可知，无论是否加入淀粉分支酶改性，甘油的加入，都使得淀粉分子的塑性提高，淀粉分子之间的间距聚合物分子间的引力，增加了淀粉材料的柔软性，故使得淀粉膜表面逐渐光滑。对照组3与实施例6组内对比显示，无论是否有甘油的增塑作用，经过淀粉分支酶的改性，淀粉膜的表面由粗糙、多孔向表面平整光滑、均一连续转变，并且此现象随着淀粉酶改性时间的延长而明显发生。空洞与粗糙面的大幅减少，有利于膜性能的提升，猜测是淀粉分子经过分支酶的改性后链结构重组，使得淀粉膜的表面结构更加致密和流畅。
2.力学性能
将薄膜裁剪成20×80mm的矩形样品条，设置两架板间距为20mm，拉伸速度为20mm/min，测定淀粉基膜的机械强度。
结果如图6所示，随着酶添加量的增大，淀粉膜的拉伸强度呈现出先增加后降低的趋势，酶添加量为25U/g时达到峰值，后开始呈现出下降的趋势；对比原淀粉膜(将对照组1的产物参照实施例6的方法制成膜)，其拉伸强度分别增加了100.09％、69.58％、49.75％、9.68％，结合链长分布结果，GBE整体上倾向于水解支链淀粉中较长的分子链段，并将切下的分子进行重连，导致长链含量减少、短链含量增加。高支化的提高增加了淀粉结晶的短程有序性，从而提高了淀粉膜的拉伸强度。
3.热力学性质
使用TGA 8000进行检测。将约3mg的淀粉膜装入坩埚盘中，然后从30℃加热至500℃，加热速率为15℃在氮气气氛下，气体流速为20mL/min。
结果如图7所示，GBE处理后的淀粉基薄膜的降解温度随着酶添加量的增加，逐渐下降，淀粉经过GBE酶改性后，脱支淀粉糊化后线性链重新排列，但比起原淀粉其结晶区域缩小，导致分解温度降低，此外，热稳定性的降低可能与淀粉链和淀粉无定形晶体结构之间的分子相互作用减弱有关。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (9)
1. 一种制备可食用膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）调浆
将淀粉溶于水配制成淀粉乳，在25~50℃下搅拌均匀待用；
（2）酶解
将淀粉乳加热，使淀粉粒溶胀、崩溃，形成粘稠均匀的透明糊溶液后降温至 45~55℃内，向淀粉乳中加入淀粉分支酶，催化淀粉进行水解与转糖苷，以实现酶法对淀粉结构进行高支化的改性；
（3）增塑
向步骤（2）酶解后的淀粉乳液中加入增塑剂，使小分子增塑剂掺入到淀粉分子之间，增大淀粉分子之间的间距，形成凝胶溶液；
（4）浇筑
采用流延法将步骤（3）所得凝胶溶液流延在聚丙烯表面皿内成膜，控制水平以保证膜厚均匀；
（5）烘干
在水平状态的真空干燥箱中对凝胶溶液进行烘干，干燥一定时间后即可得到高支化淀粉膜；
（6）保存
将高支化淀粉膜在恒温恒湿箱中保存备用；
其中，步骤（2）所述淀粉分支酶的添加量为以干基计25-200 U/g淀粉；加入淀粉分支酶后调节pH为6.0-7.5，于50-70℃下反应3-24 h。
2.根据权利要求1所述的一种制备可食用膜的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的淀粉种类为玉米淀粉、豌豆淀粉、木薯淀粉及小麦淀粉。
3.根据权利要求1所述的一种制备可食用膜的方法，其特征在于，所述步骤（1）中淀粉乳的质量浓度的范围为3%~5%。
4.根据权利要求1所述的一种制备可食用膜的方法，其特征在于，所述步骤（2）中淀粉乳加热的温度范围为90~100℃；加热时间为30min~1h。
5.根据权利要求1所述的一种制备可食用膜的方法，其特征在于，所述步骤（3）中增塑剂的种类为甘油、多元糖醇和二元醇中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种制备可食用膜的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，加入增塑剂后，在90~100℃保持30min~1h，以使小分子增塑剂掺入淀粉分子之间。
7.根据权利要求1所述的一种制备可食用膜的方法，其特征在于，所述步骤（4）中浇筑的厚度是0.050mm-0.200mm。
8.应用权利要求1~7任一所述方法得到的淀粉基可食用膜。
9.权利要求8所述淀粉基可食用膜在食品包装中的应用。
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