【摘要】：功能性乳清分離蛋白-酪蛋白酸鈉(WPI-NaCas:Whey protein isolate-Sodium caseinate)復(fù)合薄膜是本課題研發(fā)制備的一種新型的可食性薄膜包裝材料,具有親水性、可溶性、可生物降解性和抗菌性,在食品活性包裝及生物制藥領(lǐng)域替代部分塑料,極富潛力。作者旨在從包裝工程的角度,研究WPI-NaCas薄膜的包裝特性、抗菌性能的調(diào)控變性機(jī)制及歸類(lèi)方法,并對(duì)其等溫吸濕動(dòng)力學(xué)特性和抗菌介質(zhì)的遷移行為進(jìn)行模擬。主要研究?jī)?nèi)容及成果如下： 1.乳清分離蛋白-酪蛋白酸鈉復(fù)合薄膜制備工藝的優(yōu)化、酶致改性及其包裝性能的調(diào)控 采用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)法,研究了各成膜因素對(duì)WPI-NaCas薄膜包裝特性的影響,并構(gòu)建了相互間的函數(shù)關(guān)系,找出了各性能參數(shù)的主要或顯著性影響因素,以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜包裝特性的定向、定量調(diào)控。通過(guò)優(yōu)化工藝配方,篩選出了對(duì)部分塑料材料替代性最好的一組WPI-NaCas復(fù)合薄膜。研究發(fā)現(xiàn)：各組實(shí)驗(yàn)樣品中,甘油是影響薄膜性能指標(biāo)的重要參數(shù),隨著甘油和酪蛋白酸鈉含量的提高,薄膜對(duì)氣體及水蒸氣的阻隔性能下降,乳清分離蛋白的作用則反之。其中,D組樣品(5%WPI/2%NaCas/50%glycerol,50℃)的阻氣阻濕性能最高,并顯示出了適度而良好的機(jī)械性能、光學(xué)性能和水溶性。 通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,研究了谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶TGase的濃度、反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度等工藝參數(shù)對(duì)WPI-NaCas復(fù)合蛋白成膜溶液性質(zhì)、薄膜性能參數(shù)及微觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同影響作用。研究發(fā)現(xiàn)：谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶降低了成膜溶液的D50和D90粒度值,并顯著地降低了薄膜的水溶性和水蒸氣透過(guò)率,并在一定條件下提高了其抗張強(qiáng)度。電鏡掃描分析顯示,酶法改性薄膜的微觀結(jié)構(gòu)更為光滑、致密、有序。但TGase酶作用對(duì)成膜溶液的表觀黏度、薄膜樣品的熱重變化等影響不顯著。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明酶的反應(yīng)時(shí)間為薄膜抗張強(qiáng)度TS和水蒸氣透過(guò)率WVP等性能參數(shù)的主要影響因素,其次分別為反應(yīng)溫度、酶的添加量。酶法變性的優(yōu)化工藝條件為：0.1mg/mL TGase濃度、50℃C反應(yīng)溫度、30min反應(yīng)時(shí)間。WPI-NaCas復(fù)合薄膜酶法改性之后,其疏水性、剛性及阻透性得以提高,使其作為替代性的生物可降解聚合物投入實(shí)際應(yīng)用成為可能。 2.活性抗菌復(fù)合蛋白膜的物理性能、抑菌性能研究及其吸濕行為的分析及模擬 研究了添加不同濃度的大蒜精油(GO)、山梨酸鉀(PS)、乳酸鏈球菌素(N)和納米二氧化鈦(Nano-TiO2)的功能活性蛋白薄膜對(duì)食品致病菌大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌性及其機(jī)械性能和物理性能。研究發(fā)現(xiàn)：適量的抗菌劑與WPI-NaCas薄膜的相容性較好,抗菌劑的添加改變了薄膜的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,降低了薄膜的水蒸氣透過(guò)率,提高了薄膜的疏水性和耐熱性。更為重要的是,WPI-NaCas薄膜是各類(lèi)抗菌劑的良好載體,添加了Nisin及載入了Nano-TiO2的抗菌復(fù)合蛋白膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有明顯的抑制作用。PS的添加能有效地抑制金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng),但對(duì)大腸桿菌無(wú)效。添加了GO的復(fù)合蛋白膜對(duì)大腸桿菌無(wú)抑制作用,當(dāng)其添加量高于300μl·(200mL)-1時(shí),方能對(duì)金黃色葡萄球菌產(chǎn)生抑制作用。 關(guān)于對(duì)不同相對(duì)濕度條件下,作為活性抗菌介質(zhì)載體的抗菌薄膜的吸濕動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究,發(fā)現(xiàn)：采用Peleg經(jīng)典模型來(lái)描述WPI-NaCas抗菌薄膜的吸濕特性及其發(fā)展進(jìn)程,具有較高的置信度及吻合度。無(wú)需考慮其物理意義,能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地模擬出常數(shù)k1、k,回歸系數(shù)a、b、c、d并進(jìn)一步預(yù)測(cè)：薄膜在吸濕過(guò)程中任意時(shí)刻t的水分含量Mt、達(dá)到給定吸濕水平R所需的時(shí)間tR、任意相對(duì)濕度RH條件下的平衡水分含量Me及等溫吸濕曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)。WPI-NaCas抗菌薄膜的水蒸氣透過(guò)率WVP因其親水性及高濃度甘油的存在,隨著環(huán)境中相對(duì)濕度RH的提高,呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。固定非線(xiàn)性重回歸分析表明,在薄膜的Me值模擬函數(shù)關(guān)系中,相比于溫度影響因子,水分活度值aw起主導(dǎo)貢獻(xiàn)作用。活性抗菌WPI-NaCas薄膜無(wú)論在包裝性能方面,還是在抑菌性能方面均有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),在食品的活性包裝系統(tǒng)及生物制藥領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?3.抗菌劑在二元體系中的遷移性分析及模擬 研究了不同初始含量的山梨酸鉀抗菌防腐劑,從兩種復(fù)合蛋白薄膜向食品模擬體系中的擴(kuò)散遷移機(jī)制,確定了山梨酸鉀的擴(kuò)散系數(shù)及遷移類(lèi)型,并建立了高度非線(xiàn)性的親水性復(fù)合蛋白膜的遷移模型。研究發(fā)現(xiàn)：山梨酸鉀在抗菌薄膜-食品模擬體系中的擴(kuò)散過(guò)程為非-費(fèi)克(Non-Fick)型擴(kuò)散過(guò)程或第二類(lèi)輸送(Type-Ⅱ)過(guò)程,其溶解擴(kuò)散過(guò)程取決于松弛動(dòng)力學(xué)。自擬的負(fù)指數(shù)增長(zhǎng)回歸模型不僅能夠精確可靠地模擬溶質(zhì)山梨酸鉀的擴(kuò)散行為,也能有效地模擬溶劑的吸附溶脹現(xiàn)象,相對(duì)于冪律模型,在擴(kuò)散范圍及緩釋薄膜擴(kuò)散模擬方面更具優(yōu)勢(shì)。改良的布朗擴(kuò)散-溶脹松弛線(xiàn)性疊加模型,融合了費(fèi)克第二定律和一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,能夠可靠地量化親水性薄膜在擴(kuò)散過(guò)程中不同程度的松弛行為。WPI-NaCas、Gelatin-NaCas兩種復(fù)合蛋白薄膜均為抑菌劑山梨酸鉀的良好載體。 4.復(fù)合蛋白薄膜種類(lèi)及其包裝性能參數(shù)的聚類(lèi)分析 對(duì)30種不同配方、不同加工工藝制備的WPI-NaCas蛋白薄膜的樣品及包裝性能指標(biāo)分別進(jìn)行了Q型、R型及雙向聚類(lèi)分析,分析結(jié)果表明：30個(gè)實(shí)驗(yàn)組樣品,或其7個(gè)包裝性能指標(biāo)之間,存在相關(guān)性,可以分別進(jìn)行科學(xué)歸類(lèi)。樣品(Q型)聚類(lèi)分析顯示,當(dāng)歐氏距離為40時(shí),可將樣品分為5大類(lèi),其中,實(shí)驗(yàn)組28和30最為相似；而包裝性能指標(biāo)(R型)聚類(lèi)分析顯示,薄膜的透氣性和霧度指標(biāo)最為相似；雙向聚類(lèi)分析歸類(lèi)結(jié)果與薄膜制備實(shí)驗(yàn)已知條件a、c、b分組完全吻合,并按其相似度條件依次排序。聚類(lèi)分析方法在可食性、功能性復(fù)合蛋白膜的分類(lèi)、比較、鑒別方面具有可行性和有效性,為進(jìn)一步研究及比較新型包裝材料的性能特點(diǎn)提供了理論依據(jù)。
【圖文】：

研究的基本框架及思路Fig.1.1Thebasicframeworkandmethodologyoftheresearch總之，可食性復(fù)合蛋白薄膜的研宄仍處于初級(jí)階段，具有廣闊的研發(fā)空間

/=1圖2.0研宄的基本框架及思路Fig.2.0 The basic framework and methodology of the research2.2.2實(shí)驗(yàn)的總體安排本研宄采用四因素六水平的均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方法[7i](見(jiàn)表2.1)，以原料配方中乳清分離蛋白濃度及1)、酪蛋白酸鈉濃度;^(2)、甘油的添加比例；^(3)及成膜溫度Z(4)為四個(gè)
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.2;TS206.4

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本文編號(hào)：2534926