Màng Protein ăn được đặc tính và cải thiện tính chất của màng

Các màng protein ăn được đã nhận được sự quan tâm chú ý trong những năm gần đây bởi vì những lợi thế của chúng, bao gồm sử dụng chúng để làm v ật liệu bao gói có thể ăn được, qua việc tổng hợp các màng. Ngoài ra, màng protein ăn đư ợc cũng có thể được sử dụng để đóng gói riêng lẻ của các phần nhỏ trong thực phẩm, đặc biệt là những sản phẩm hiện chưa được đóng gói riêng lẽ do những lý do thực tiễn, chẳng hạn như đậu, các loại hạt và hạt điều. Ngoài ra, màng protein ăn đư ợc có thể được ứng dụng trong thực phẩm không đồng nhất tại các mặt phân giới giữa các lớp khác nhau trong thành phần. Chúng có thể được thiết kế để ngăn sự giảm độ ẩm trong thành phần và biến đổi chất tan trong th ực phẩm như pizza, bánh và kẹo. Hơn nữa, màng protein ăn được có chức năng như các chất mang cho những chất kháng khuẩn và chống oxy hóa.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ

Huế, 3/2015

MÀNG PROTEIN ĂN ĐƯỢC: ĐẶC TÍNH VÀ CẢI THIỆN

TÍNH CHẤT CỦA MÀNG

Thawien Wittaya1

[1] Prince of Songkla University, Department of Material Product Technology,, Thailand

(edible-films-characteristics-and-improvement-of-properties#SEC3)

http://www.intechopen.com/books/structure-and-function-of-food-engineering/protein-based-1 Giới thiệu

Các màng protein ăn được đã nhận được sự quan tâm chú ý trong những năm gần đây bởi vì những lợi thế của chúng, bao gồm sử dụng chúng để làm vật liệu bao gói có thể ăn được, qua việc tổng hợp các màng Ngoài ra, màng protein ăn được cũng có thể được sử dụng để đóng gói riêng lẻ của các phần nhỏ trong thực phẩm, đặc biệt là những sản phẩm hiện chưa được đóng gói riêng lẽ do những lý do thực tiễn, chẳng hạn như đậu, các loại hạt và hạt điều Ngoài ra, màng protein ăn được có thể được ứng dụng trong thực phẩm không đồng nhất tại các mặt phân giới giữa các lớp khác nhau trong thành phần Chúng có thể được thiết kế để ngăn sự giảm độ ẩm trong thành phần và biến đổi chất tan trong thực phẩm như pizza, bánh và kẹo Hơn nữa, màng protein ăn được có chức năng như các chất mang cho những chất kháng khuẩn và chống oxy hóa Thông qua một ứng dụng tương tự chúng cũng có thể được sử dụng ở bề mặt của thực phẩm để kiểm soát mức độ khuếch tán của các chất bảo quản từ bề mặt ngoài vào bên trong của thực phẩm.Một ứng dụng khả thi cho màng protein ăn được có thể sử dụng trong vật liệu đóng gói thực phẩm nhiều lớp cùng với màng không ăn được Trong trường hợp này, màng protein ăn được sẽ là lớp bên trong tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu thực phẩm Thông qua những chức năng liên quan đến tính cơ học và tính chống thấm, màng protein ăn được này có thể thay thế cho màng polymer tổng hợp

Trong trạng thái tự nhiên, protein thường tồn tại trong 2 loại protein dạng sợi và protein dạng cầu Loại thứ nhất là không tan trong nước và đóng vai trò là các nguyên liệu cấu trúc chính của các mô động vật Dạng protein hình cầu tan trong nước hoặc dung dịch của acid, bazo hoặc muối và có chức năng rộng rãi trong hệ thống đời sống Protein dạng sợi mở rộng hoàn toàn và liên kết chặt chẽ với nhau trong cấu trúc song song, thường thông qua liên kết hydro, để tạo thành sợi Protein dạng cầu gập lại thành cấu trúc hình cầu phức tạp được liên kết với nhau bằng một liên kết hydro, liên kết ion,

kỵ nước và liên kết cộng hóa trị (disulfide) Những tính chất hóa học và vật lý của những protein phụ thuộc vào giá trị tương đối của thành phần acid amin và vị trí của

nó dọc theo chuỗi polymer protein Đối với các protein dạng sợi thì collagen được quan tâm nhiều trong việc sản xuất màng ăn được Một số protein hình cầu, bao gồm gluten lúa mỳ, zein ngô, protein đậu nành, protein váng sữa và protein đậu ván, đã được nghiên cứu về tính chất tạo màng của chúng

Màng protein ăn được thường được tạo thành từ các dung dịch hoặc chất phân tán của protein khi bay hơi dung môi hoặc chất mang Các dung môi hoặc chất mang thường bị hạn chế bởi nước, ethanol hoặc hỗn hợp ethanol và nước

Thông thường, protein phải được biến tính bởi nhiệt, acid, bazo, và/hoặc các dung môi nhằm tạo thành những cấu trúc dãn dài hơn để cho sự hình thành của màng Sauk

hi dãn ra, các chuỗi protein kết hợp thông qua liên kết hydro, ion, kỵ nước và cộng hóa trị Mối tương tác của hai chuỗi cái mà tạo ra màng kết dính bị ảnh hưởng bởi mức độ dãn chuỗi và bản chất và trình tự các acid amin Sự phân bố đồng đều của các nhóm phân cực, kỵ nước và/hoặc nhóm thiol dọc theo chuỗi polymer protein làm tang khả năng của những tương tác tương ứng Kết quả việc thúc đẩy sự tương tác giữa hai chuỗi polymer trong màng là mạnh mẽ hơn nhưng giảm độ linh hoạt và chống thấm khí, hơi nước và chất lỏng Polymer chứa các nhóm mà có thể kết hợp bằng các liên kết hydro

và ion trong màng đó là chất chống thấm oxy tuyệt vời nhưng dễ bị ẩm Như vậy, màng protein được xem là chất chống thấm oxy tốt tại độ ẩm tương đối thấp

Những polymer có chứa một ưu thế của các nhóm kỵ nước là những chất chống thấm oxy yếu nhưng lại là chống thấm độ ẩm tuyện với Tuy nhiên, thực tế các protein không hoàn toàn kỵ nước và chứa chủ yếu hydrophilic acid amin làm hạn chế tính chống thấm của độ ẩm của nó Việc tạo thành của màng protein ăn được với độ thấm hơi nước thấp đòi hỏi bổ sung thêm các thành phần kỵ nước Điều này tương tự đối với các polymer tổng hợp Tại đây nhưng polymer chống thấm oxy có tính nhạy cảm với

độ ẩm phải kết hợp với một polymer kỵ nước khác hoặc kẹp giữa các lớp của polymer

kỵ nước để hạn chế khả năng của nước tránh làm giảm tính chất chống thấm Bởi vì tính chống hơi nước thấp của màng protein ăn được và chống lực cơ học thấp hơn so với polymer tổng hợp nên ứng dụng của chúng bị hạn chế ở trong đóng gói thực phẩm Những cải tiến về tính chất của màng protein ăn được đã được nghiên cứu để tìm kiếm các ứng dụng phù hợp Ở chương này cung cấp thông tin chi tiết của màng protein ăn được và những tính chất của chúng, sản xuất màng protein ăn được, những phương pháp sử dụng để tạo ra màng protein ăn được, sự cải thiện tính chất của màng và những ứng dụng tiềm năng của chúng

2 Những loại màng protein ăn được

nó đủ tài liệu kết cấu, vật lý, hóa học và các đặc tính miễn dịch; nó có thể được chế biến thành nhiều hình thức; và nó dễ được chiết suất và tinh chế với số lượng lớn Việc sản xuất màng collagen từ da động vật có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một quá trình khô hoặc ướt với một số điểm tương đồng Chúng bao gồm: (a) xử lý kiềm

để loại lông và thu lại collagen từ carbonhydrate và những protein khác; (b) trương nở acid và đồng nhất để tạo thành khoảng 4,5% gel ẩm (quá trình ướt) hoặc khoảng 10% bột gel ẩm (quá trình khô); (c) đùn thành một ống; và (d) trung hòa ống ép đùn, rửa ống của muối, xử lý ống bằng chất làm dẻo và các mối liên kết chéo và sấy khô đến độ

ẩm từ 12-14% (thứ tự phụ thuộc vào quá trình làm ướt hay khô được sử dụng) (Hood, 1988)

2.2 Màng gelatin

Gelatin là duy nhất trong số những hydrocolloid trong việc hình thành một chất nhiệt thuận nghịch với nhiệt độ nóng chảy gần với nhiệt độ cơ thể, điều đó đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng ăn được và dược phẩm Về cơ bản, gelatin thu được bằng cách kiểm soát quá trình thủy phân từ xơ không hòa tan protein, collagen, và được tìm thấy rộng rãi trong tự nhiên như các thành phần chính của da, xương và mô liên kết Gelatin bao gồm một chuỗi duy nhất của các acid amin Các tính chất đặc trưng của geatin là hàm lượng các acid amin glycine, proline và hydroxyproline Gelatin cũng

có một hỗn hợp của các chuỗi đơn và đôi không gập của một chất ưa nước (Ross- Murphy, 1992) Vào khoảng nhiệt độ 400C, dung dịch gelain ờ trạng thái keo lỏng và hình thành kết cấu gel chịu nhiệt thuận nghịch khi được làm mát Trong quá trình đặc

lại, các chuỗi trải qua một quá trình chuyển đổi rối loạn trật tự về hình dạng và có xu hướng phục hồi cấu trúc collagen xoắn ba (Ross-Murphy, 1992)

Gelatin được sử dụng để đóng gói thực phẩm có độ ẩm thấp hoặc các nguyên liệu thực phẩm pha dầu và dược phẩm Đóng gói có tác dụng bảo vệ chống lại oxy hóa và ánh sang, cũng như xác định số lượng thành phần hoặc liều lượng thuốc.Ngoài ra, màng gelatin được hình thành như là lớp phủ trên các loại thịt để giảm sự xâm nhập của oxy,

độ ẩm và mất dầu (Gennadios và các cộng sự, 1994) Ngoài ra, gelatin có thể tạo thành màng rõ ràng và chắc chắn, được sử dụng để đóng gói và các chế phẩm vi nang và các viên nang trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm.Màng gelatin có thể được tạo thành

từ 20-30% gelatin, 10-30% chất làm dẻo (glycerin hoặc sorbitol) và 40-70% nước tiếp theo là làm khô gel gelatin (Guilbert, 1986) Tuy nhiên, màng gelatin cũng như hầu hết các màng protein khác, không phải là chất chống thấm nước lý tưởng, điều đó làm hạn chế về ứng dụng của nó như màng ăn được và vật liệu sinh học Tuy nhiên, thay đổi của mạng lưới polymer thông qua liên kết chéo của các chuỗi polymer có thể được áp dụng để cải thiện các chức năng của màng protein

2.3 Protein zein ngô

Zein là protein quan trọng nhất trong ngô Nó là một protein prolamin và do đó hòa tan trong 70-80% ethanol (Dickey và Parris, 2002) Zein là một loại nguyên liệu tương đối kỵ nước và nhiệt Bản chất kỵ nước của zein có liên quan đến hàm lượng của các acid amin không phân cực (Shkla và Cheryan, 2001) Về mặt kỹ thuật, các màng được làm từ một loại protein hòa tan trong rượu như zein, có đặc tính chống thấm tương đối cao so với các protein khác Zein là màng hoàn hảo về tính chất và được sử dung để chế tạo các màng phân hủy sinh học Màng zein được hình thành thông qua sự phát triển của tương tác kỵ nước, liên kết hydro và hạn chế cầu nối disulfide giữa các chuỗi trong chất nền màng (Gennadios và các cộng sự, 1994) Màng này giòn và do đó đòi hỏi phải bổ sung các chất làm dẻo để tăng tính linh hoạt Màng zein chống thấm nước tương đối tốt so với những màng khác(Guilbert, 1986) Vỏ zein cũng có khả năng làm giảm độ ẩm và độ săn chắc và làm chậm sự biến đổi màu sắc ( giảm oxy và carbon dioxide) trong trái cây tươi Ngoài ra, zein cũng có thể tham gia vào các lớp phủ nhựa bao bì thông thường Mặc dù, zein không hòa tan trong nước có độ pH trung tính, nó

có độ thẩm thấu hơi nước cao hơn so với các polymer tổng hợp điển hình Tuy nhiên, các đặc tính chống thấm hơi nước có thể được cải thiện bằng cách thêm acid béo hoặc

sử dụng một thuốc thử liên kết ngang Tuy nhiên, khi chất liên kết chéo được sử dụng, tính ăn được của màng cần được xem xét

2.4 Màng gluten lúa mì

Gluten lúa mì là một protein không hòa tan của bột mì trong đó bao gồm một hỗn hợp của các phân tử polypeptide, và là protein hình cầu Sự cố kết và độ đàn hồi của gluten tạo tính toàn vẹn cho bột mì và tạo điều kiện hình thành màng Gluten lúa mì bao gồm hai nhóm chính của các protein không hòa tan: gliadins, bao gồm protein trọng lượng phân tử thấp; glutenins chứa protein trọng lượng phân tử cao Gliadins là các protein monomeric duy nhất trong đó các cầu nối disulfide hình thành bên trong chuỗi protein hoặc không, trong khi glutenins tạo polymer phân tử lượng cao được duy trì bởi các liên kết disulfide liên chuỗi Màng từ glutenins có đặc tính chống thấm mạnh

và tốt hơn những màng từ Gliadin hoặc toàn bộ gluten Màng Gliadin thể hiện tính chất quang học tốt hơn nhưng về khả năng chịu nước lại kém hơn Các tính chất của những màng này làm cho chúng nhạy cảm với phương pháp xử lý nhiệt, có thể dẫn đến thay đổi tính chất của màng Ngoài ra, Gliadin dễ hòa tan trong ethanol 70%, Glutenin thì không (Gennadios và Weller, 1990) Mặc dù không hòa tan trong nước tự nhiên, nhưng gluten lúa mì lại hòa tan trong dung dịch nước có pH cao hoặc thấp ở cường độ ion thấp (Krull và Inglett, 1971) Màng gluten lúa mì có thể phân hủy sinh học hoàn toàn sau 36 ngày trong quá trình lên men hiếu khí và trong vòng 50 ngày trong đất nông nghiệp mà không sinh ra các sản phẩm độc hại (Domenek và cộng sự, 2004)

Về mặt kỹ thuật, màng gluten lúa mì có thể được hình thành bằng cách làm khô dung dịch trong ethanol Sự phân tách liên kết disulfide mới trong quá trình làm khô màng sau đó được cho là quan trọng đối với sự hình thành cấu trúc màng gluten lúa

mì, cùng với liên kết hydro và liên kết kỵ nước (Gennadios và Weller, 1990) Việc bổ sung các chất làm dẻo như glycerin trong màng gluten là cần thiết để cải thiện tính linh hoạt của màng gluten lúa mì Tuy nhiên, tăng tính linh hoạt của màng bằng cách làm tăng hàm lượng dẻo có thể làm giảm các đặc tính chống thấm, độ đàn hồi của màng Ngoài ra, độ tinh khiết của gluten lúa mì cũng ảnh hưởng đến sự tạo thành màng và tính chất cơ học; Gluten tinh khiết cao hơn thì màng được tạo nên có độ bền và chắc chắn hơn Màng gluten lúa mì là màng chống oxy hiệu quả, nhưng lại chống thấm hơi nước kém Sư chống thấm hơi nước kém cảu gluten lúa mì là do bản chất ưa nước của protein và số lượng đáng kể các chất là dẻo ưa nước để tạo nên tính linh hoạt cho màng Các tính chất của màng gluten lúa mì có thể được cải thiện bằng cách sử dụng một tác nhân liên kết ngang như glutaraldehyde, hoặc xử lý nhiệt

2.5 Màng protein đậu nành

Protein đậu nành từ hạt đậu nành đã được sử dụng như là một thành phần trong hầu hết mọi sản phẩm thực phẩm có sẵn cho người tiêu dùng, vì nó có chứa chất dinh dưỡng cao

và đặc tính chức năng tuyệt vời Hàm lượng protein của đậu nành (38 - 44%) cao hơn nhiều

so với hàm lượng protein trong hạt ngũ cốc (8 - 15%) Các protein đậu tương phần lớn có trọng lượng phân tử khác nhau, 200 - 600 kDa Hầu hết các protein đậu nành (90%) là globulin, có thể được phân đoạn thành 2S, 7S, 11s và 15s theo hệ số lắng của chúng 7S và 11s là phần chính, là khoảng 37% và 31% tổng số protein chiết được và có khả năng trùng hợp (Cho và Rhee, 2004) Protein đậu nành bao gồm cả chuỗi phân cực và không phân cực Chúng có các tương tác nội và ngoại phân tử mạnh, chẳng hạn như liên kết hydro, các tương tác lưỡng cực, điện tích và kỵ nước Các tương tác phân cực và điện tích mạnh giữa chuỗi mạch bên của các phân tử protein đậu nành hạn chế luân chuyển phân đoạn và tính

di động phân tử, làm tăng độ cứng, điểm hiệu suất và độ bền kéo của màng protein đậu nành (Zhang và cộng sự, 2001)

Bởi vì protein đậu nành rất phong phú, không tốn kém, có khả năng tự phân hủy sinh học và dinh dưỡng cao, chúng cho thấy tiềm năng được phát triển như là màng ăn được và phân hủy sinh học Sự hình thành của màng từ protein đậu nành đã được mô tả như là một quá trình hai bước: (a) dung dịch tạo màng được làm nóng, phá vỡ các cấu trúc protein, liên kết gốc disulfide bị tách ra và các nhóm sulfhydryl và nhóm kỵ nước lộ ra ngoài; (b)

sự hình thành của liên kết disulfide, kỵ nước và hydrogen mới Các protein không gấp cuộn thành cấu trúc thứ cấp này liên kết thông qua tương tác giữa các phân tử, chẳng hạn như cầu disulfide và các tương tác kỵ nước, dẫn đến sự hình thành của một mạng lưới, xảy ra trong quá trình sấy khô

Về mặt kỹ thuật, màng protein ăn được có thể hình thành liên kết tại các vị trí khác nhau và có tiềm năng cao để hình thành một số liên kết Tuy nhiên, màng protein đậu nành còn có đặc tính chống thấm khí ẩm thấp do tính ưa nước của nó và do số lượng đáng kể các chất làm dẻo ưa nước được sử dụng trong quá trình sản xuất màng Một phương pháp được sử dụng rộng rãi để làm tăng độ chống thấm hơi nước của màng là bổ sung các hợp chất kỵ nước như chất béo vào cấu trúc màng Ngoài ra, cách khác để cải thiện các tính chất của màng protein đậu nành là thay đổi các protein thông qua mạng lưới liên kết chéo của các chuỗi protein Sự hiện diện của các nhóm chức năng phản ứng trong chuỗi bên acid amin của protein làm cho liên kết quá trình ngang có thể nhờ hóa chất, enzyme hay xử lý vật lý

2.6 Màng casein

Protein sữa có thể được phân thành hai loại: casein và protein whey Casein bao gồm

ba thành phần chính, α, ß, và κ-casein, cùng nhau tạo thành các keo micelle trong sữa, có chứa một số lượng lớn các phân tử casein và được ổn định bằng một cầu nối calcium phosphate (Kinsella, 1984) Các phân tử casein có một cấu trúc thứ cấp ít được xác định, thay cho một cấu trúc xoắn ngẫu nhiên mở Casein, trong đó bao gồm 80% protein sữa, kết tủa khi sữa tách kem được acid hóa đến điểm đẳng điện casein khoảng 4.6 (Dalgleish, 1989) Acid hóa hòa tan các phosphate canxi, do đó giải phóng các phân tử casein riêng lẻ, trong đó kết hợp để tạo thành acid hòa tan casein Các casein acid có thể được chuyển đổi sang các muối của casein hòa tan bằng cách trung hòa chức năng thông qua việc bổ sung các chất kiềm Màng protein ăn được dựa trên các muối của casein khác nhau có thể thu được bằng cách hòa tan trong nước theo sau phương pháp đúc và sấy khô Các muối của màng casein được làm từ dung dịch nước không qua xử lý nhiệt do tính chất cuộn xoắn ngẫu nhiên của chúng Tương tác trong dung dịch tạo màng có thể bao gồm kỵ nước, ion,

và liên kết hydro (Avena-Bustillos và Krochta, 1993) Màng caseinate là trong suốt và linh hoạt, nhưng có đặc tính chống thấm nước kém Ở điều kiện thử nghiệm so sánh, màng caseinate xuất hiện để có các rào cản độ ẩm tương tự như màng gluten lúa mì và màng protein đậu nành nhưng những rào cản độ ẩm kém hơn so với màng zein ngô Casein đã được nghiên cứu để hình thành các màng đứng riêng và lớp phủ trên các sản phẩm thực phẩm Màng mỏng có chứa casein đã bảo vệ trái cây và các loại rau khô khỏi hấp thụ độ

ẩm và sự oxy hóa Lớp phủ nhũ tương caseinate-lipid thành công trong việc làm giảm sự thất thoát độ ẩm từ cà rốt và quả bí đã gọt vỏ (Avena-Bustillos và cộng sự, 1993)

2.7 Màng protein đậu xanh

Đậu xanh được biết đến như một thành phần tiềm năng của màng biopolymeric vì hàm lượng protein cao Các hạt đậu xanh chứa khoảng 25-30% protein Các protein từ đậu xanh chứa nhiều protein có trọng lượng phân tử (MW) lớn giữa 24 và 55 kDa với một số có ít hơn 24 kDa Tuy nhiên, có một lượng nhỏ protein có khối lượng phân tử giữa 24 và 14,2 kDa Các thành phần acid amin của đậu xanh rất giàu các acid amin thiết yếu như leucine, isoleucine, lysine, và phenylalanine và cũng rất giàu amino acid có tính acid như acid glutamic và acid aspartic Tuy nhiên, acid amin có chứa lưu huỳnh, như methionine và cysteine cũng được phát hiện trong protein đậu xanh (2,75 và 3,62%) (Keereekasetsuk và cộng sự, 2009)

Bourtoom (2008) chuẩn bị và phân tích những màng từ protein đậu xanh Nó đã được tìm thấy các tính chất cơ học (độ bền kéo và độ giãn dài tại điểm gãy) của các màng protein đậu xanh có tính chất cơ học cao và đặc tính chống thấm hơi nước Chúng tốt hơn so với các nguồn protein khác như casein, protein đậu nành cô lập, gluten lúa mì, protein đậu

phộng và protein cá tan trong nước Tuy nhiên, những màng protein đậu xanh vẫn cho thấy đặc tính chống thấm khí và hơi nước thấp hơn đáng kể so với một số loại polyme tổng hợp (polyethylene mật độ cao, polyvinyl chloride, cellulose acetate và polyester) Khả năng chống thấm của các màng protein đậu xanh protein thấm hơi nước là hạn chế do các đầu

ưa nước vốn có của protein Việc chuyển hơi nước thông qua màng protein cũng được hỗ trợ bởi sự hiện diện của một chất làm dẻo ưa nước, ưa hấp phụ của các phân tử nước Tuy nhiên, các tính chất của màng protein đậu xanh có thể được cải thiện bằng cách thêm các vật liệu kỵ nước và cũng sử dụng hóa chất và enzyme liên kết chéo

3 Sự hình thành các màng protein ăn được

Các loại màng protein ăn được có thể được hình thành bởi hai phương pháp khác nhau: phương pháp tạo màng bề mặt và các phương pháp lắng

3.1 Sự tạo thành màng ở bề mặt

Màng thu được bằng cách làm nóng kéo dài dung dịch màng và chúng được thu nhận

từ bề mặt, để ráo nước và khô Việc sử dụng phương pháp này đã được mô tả như là một quá trình hai bước liên quan đến sự biến tính nhiệt của các protein tiếp theo là mất nước bề mặt Dưới tác dụng của nhiệt làm thay đổi cấu trúc ba chiều của protein và các nhóm chức năng hiện hữu; chẳng hạn như CO và NH của liên kết peptid, các nhóm amin mạch bên, các nhóm chất kỵ nước, tham gia vào các nội phân tử liên kết hydro và tương tác tĩnh điện (Wang và Damodaran, 1991) Trong quá trình sấy, các protein mở ra đến được với nhau và trở thành liên kết thông qua tương tác giữa các phân tử (disulfide và tương tác

kỵ nước) Điều này dẫn đến sự hình thành một mạng lưới protein để bẫy các thành phần của màng như các chất làm tăng độ dẻo (Gennadios và Weller, 1991) Màng được tạo thành xảy ra trong điều kiện biến tính, điều này được giả định rằng các protein trong màng vẫn còn ở trạng thái biến tính hoàn toàn

Tuy nhiên, hoàn toàn có thể là các protein biến tính sẽ trải qua một phần sự gấp cuộn lại, do đó hồi phục một số cấu trúc thứ cấp trong quá trình tạo màng Có thể hiểu rằng mức

độ refolding như vậy ảnh hưởng đến số lượng các nhóm chức năng có sẵn cho các tương tác giữa các phân tử và do đó sự hình thành và sự ổn định của mạng lưới màng (Subirade

và cộng sự, 1998) Wu và Bates (1973) đã nghiên cứu màng từ sữa đậu phộng Họ báo cáo rằng trong thời gian gia nhiệt sữa đậu phộng, phân tử protein có trọng lượng cao được chia thành các phân tử có trọng lượng thấp hơn Lần xử lý nhiệt đầu làm phân tách các conarachin và sau đó phân chia arachin để tạo thành các tiểu đơn vị nhỏ của phức hợp không hòa tan ở bề mặt Ngoài ra, các lực của mặt phân giới có thể bắt đầu hình thành các

mạng lưới protein bằng cách bẫy các giọt dầu và nước thoát ra khỏi bề mặt để tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành của mạng lưới protein (Farnum và cộng sự, 1976.)

3.2 Phương pháp lắng

Màng thu được bằng phương pháp này thường được thực hiện bằng cách đúc và làm khô màng trên một bề mặt không dính Về mặt kỹ thuật, quá trình đúc bao gồm làm khô lớp dung dịch hoặc lớp ở trạng thái gel với độ dày của màng được kiểm soát Kỹ thuật này rất hữu ích để bắt chước một số quy trình công nghiệp để hình thành màng tinh bột như là trường hợp cho dip-molding Trong phương pháp này, được sử dụng cho lớp phủ thực phẩm cũng như các ứng dụng không phải thực phẩm, trạng thái gel thường được ưa thích

để thiết lập các dung dịch nóng trên bề mặt khi làm mát Jaynes và Chou (1975) sử dụng phương pháp này để sản xuất màng protein-lipid đậu nành Họ đã sử dụng phương pháp phân lập protein ở pH tự nhiên 6,6 đúc trên chảo nướng tráng Teflon và sấy khô ở 1000C Màng được làm từ phương pháp kết tủa thì đồng đều hơn so với phương pháp tạo màng

ở bề mặt Độ dày màng có thể được kiểm soát bởi số lượng tổng chất rắn trong lớp dung dịch không giống như trường hợp phương pháp tạo màng ở bề mặt đã sử dụng Trong những năm gần đây, hầu hết các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật kết tủa để sản xuất những màng ăn được Tuy nhiên, tạo hình vật chất và đúc nhiệt độ có thể thay đổi tùy theo tình trạng và loại bề mặt Các kỹ thuật lắng đã được sử dụng để làm màng từ protein gluten lúa mì, zein ngô, casein, whey protein phân lập, đậu nành protein phân lập và cô đặc protein gạo

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến màng protein ăn được

4.1 Loại nguyên liệu

Các nguyên liệu được sử dụng trong các dung dịch màng được phân loại theo đặc tính hòa tan của chúng, phân thành hai loại, ưa nước và kỵ nước Vật liệu hút nước như protein đậu nành phân lập, whey protein phân lập, protein cá hòa tan trong nước và protein đậu xanh tan trong nước Nhóm kỵ nước như zein của ngô, sáp là không tan trong nước nhưng chúng tan trong chất lỏng không phân cực như rượu Sự khác biệt về đặc tính hòa tan của các nguyên liệu ảnh hưởng đến năng lượng cần thiết để thu được màng protein khô và sử dụng nó trên các loại thực phẩm Carbohydrate như alginate, carregeenan, pectin, tinh bột, cellulose và các dẫn xuất cellulose cung cấp mạng lưới màng đứng riêng vững chắc, nhưng khả năng chống thấm nước kém vì bản chất ưa nước của nguyên liệu được sử dụng (Kester

và Fennema, 1986) Protein cung cấp hàng rào khí tốt nhưng đặc tính chống thấm hơi nước kém Tuy nhiên, một số màng protein như màng zein bắp hiện khả năng chống nước tốt hơn so với các màng protein khác vì zein có chứa lượng cao các acid amin mạch bên kỵ

nước Màng lipid, được làm từ vật liệu kỵ nước như sáp, acid béo, cho thấy tính chống thấm hơi nước xuất sắc nhưng tính chất cơ học kém

ốc (Banker, 1966)

Kinsella Và Phillips (1989) đã tóm tắt các đặc điểm phân tử mong muốn cho sự hình thành các màng protein: 1) phân tử hòa tan cao thúc đẩy sự khuếch tán nhanh chóng; 2) các phân tử lớn hơn cho phép tương tác với bề mặt phân giới, kết quả là màng trở nên vững chắc hơn; 3) các phân tử amphipathic tạo ra sự phân bố không cân xứng của các gốc không phân cực và có tích điện để cải thiện sự tương tác bề mặt; 4) các vùng linh động tạo điều kiện thuận lợi cho tương tác pha và sự trải ra ở mặt phân giới; 5) độ phân tán của các nhóm ảnh hưởng đến tính tương tác protein-protein trong các màng và lực đẩy tĩnh điện giữa bọt khí gần nhau; 6) gốc phân cực cung cấp các gốc hydrate hóa hoặc tích điện để tách riêng các bọt khí qua một bên, liên kết và giữ nước; 7) việc duy trì cấu trúc có thể tăng sự chồng chéo lên nhau và sự tương tác từng đoạn trong màng; 8) vùng tương tác có thể ảnh hưởng đến sự kết tủa của các phân đoạn chức năng khác nhau, tạo điều kiện cho các phản ứng phụ trong không khí và pha dung dịch

4.3 pH

pH đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo các màng protein được làm từ nguyên liệu hòa tan trong nước, chẳng hạn như protein tách từ đậu nành và protein whey, khả năng hòa tan của các protein phụ thuộc vào điểm đẳng điện của chúng (pI) Trong việc hòa tan các chất đại phân tử, các lực liên kết giữa các phân tử chất tan bị trung hòa bởi sự liên kết với các phân tử dung môi (Banker, 1966) Các chức năng của các polymer liên quan đến tính chất hòa tan đó ảnh hưởng hơn nữa đến các đặc tính màng Các nhóm phụ trách đẩy lẫn nhau và tạo ra một chuỗi polymer trải dài khi các nhóm chức năng của polymer tuyến tính bị ion hóa trong thời gian hòa tan Mức độ hòa tan càng lớn và chuỗi tích điện càng rộng thì chuỗi càng ngày được duỗi ra

Sự tương tác giữa các phân tử polymer tích điện và các phân tử của dung môi phân cực tăng với sự tăng điện tích trên chuỗi Khả năng hòa tan protein lớn nhất thu được ở pH tại điểm đẳng điện của nó (pI) Tuy nhiên, để sản xuất một màng ăn được ở pH cực trị, tính chất cảm quan cũng phải được xem xét cùng với các tính chất khác của màng Gennadios và cộng sự (1993) đã nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến màng protein đậu nành (dạng isolate) và nhận thấy rằng các điều kiện như acid cao (pH <1) hoặc kiềm (pH > 12) đều ức chế sự hình thành của màng protein đậu nành dạng isolate Kinsella & Phillip (1989) báo cáo rằng các màng hình thành ở pH gần điểm đẳng điện của các protein chính thì đặc hơn và bền hơn

4.4 Nhiệt độ sấy khô

Màng protein ăn được thường thu được bằng phương pháp đúc Kỹ thuật này liên quan đến việc làm khô dung dịch keo phức tạp gồm các protein, một dung môi và thông thường

là trước đó chất làm dẻo đổ vào một khuôn thích hợp Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đặc trưng riêng phụ thuộc vào các đặc điểm khác nhau của các nguyên liệu, chẳng hạn như sự xuất hiện của một giai đoạn gel từ trước hoặc xảy ra sự đông lại do nhiệt trong quá trình sấy Hơn nữa, hiện tượng khác nhau có thể xảy ra như sự chuyển đổi từ kết cấu dai sang pha thủy tinh, một sự tách pha (không tương thích nhiệt động lực học) hoặc kết tinh Sự tương tác giữa các chất hóa lý của polymer sinh học và điều kiện làm khô là rất quan trọng (Devani và cộng sự 2009)

Các lực tương tác trong các cấu trúc protein bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Nhiệt độ là yếu

tố làm biến tính mạnh mẽ các protein, và thậm chí cả sự ổn định nhiệt và cấu tạo của protein phụ thuộc vào các thành phần acid amin Trong thời gian làm khô, khi nước được loại bỏ dần, cấu tạo của protein thay đổi Hơn nữa, mức độ protein mở ra quyết định loại và tỷ lệ kết cộng hóa trị (liên kết S-S) hoặc không đồng hóa trị (tương tác kỵ nước, ion và liên kết hydro) tương tác có thể được thiết lập giữa các chuỗi protein Được biết rằng các chuỗi có thể tương tác mạnh hơn và dễ dàng, đặc biệt là thông qua cầu nối disulfide, khi các protein

bị biến tính (Mauri và Anon, 2006) Sự gắn kết của các mạng lưới cuối cũng sẽ là một chức năng của các cầu nối này và xác định các tính chất của những màng thu được

Ngoài ra, sự tương tác hydrophillic tăng, liên kết hydro và tương tác tĩnh điện giảm khi nhiệt độ tăng Điều này dẫn đến sự hỗ trợ của kết dính giữa các màng polymer và chất nền (Banker, 1966) Nhiệt độ cao (70-1000C) ảnh hưởng đến sự tạo thành các cấu trúc không linh động trong dung dịch protein vì protein biến tính (Chefel và công sự 1986) Nhiệt độ quá nóng hoặc tỷ lệ bốc hơi dung môi quá mức trong quá trình sản xuất có thể làm màng không liên kết chặt chẽ (Guilbert và cộng sự 1986) Các protein hòa tan trong nước như

protein đậu nành và protein whey cần một nhiệt độ cao hơn và thời gian dài hơn để hình thành màng so với các màng từ protein hòa tan trong rượu như zein ngô hoặc gluten lúa

mì Nhiệt độ sấy cao hơn của các màng tan được trong nước có thể hạn chế tính sử dụng của màng Tuy nhiên, độ ẩm tương đối thấp cũng có thể được sử dụng để tạo màng ở nhiệt

độ thấp

4.5 Nồng độ

Màng protein hình thành nên các cấu trúc phức tạp Tương tác protein-protein trong các tập hợp có thể có bản chất khác nhau (tĩnh điện hay kỵ nước…), dẫn đến sự cố kết khác nhau Điều này có thể ảnh hưởng đến tính linh động của protein và khả năng tạo màng của chúng Nồng độ của các dung dịch màng ảnh hưởng đến sự tự kết dính của polyme lớn và tỷ lệ của khung mạng hình thành trong các quá trình tạo màng Bên cạnh đó, nồng

độ protein trong dung dịch màng cũng có thể ảnh hưởng đến sự hình thành của các mạng lưới protein Ở nồng độ protein thấp hơn có ít sự tương tác giữa protein-protein, trong khi ở nồng độ protein cao hơn thì chúng tự khuếch tán Ở nồng độ tối ưu, với độ nhớt trung gian có thể thu được liên kết bền vững giữa các phân tử cao nhất Tuy nhiên, nồng độ tối ưu của mỗi màng protein đòi hỏi nồng độ khác nhau Việc sản xuất của màng với phân tách protein whey đòi hỏi nồng độ protein tương đối cao (> 8%) trong các dung dịch hình thành màng để sự hình thành của cầu nối S-S xảy ra (Sothornvit và Krochta, 2001) Trong khi đó, các màng được sản xuất từ protein cá chuẩn bị với nồng độ 1,5 - 2% cho thấy màng mạnh hơn các nồng độ khác

4.6 Độ ẩm tương đối

Sự tương tác giữa nước với màng protein ăn được được coi là ưu tiên để giải thích sự thay đổi thuộc tính vật lý gây ra bởi sự hiện diện của độ ẩm Sự hấp thụ hơi nước bởi các vật liệu khô thường được cho là liên quan đến sự liên kết của các phân tử nước với các vị trí ưa nước đặc biệt, như nhóm carboxylic, amino và hydroxy, ngoài các nhóm peptide mạch chính Ở độ ẩm tương đối cao, sự hấp phụ đa phân tử xảy ra thông qua sự căng lên

và thay đổi cấu tạo trong các cấu trúc phân tử Về cơ bản, các đặc tính của màng bao protein thay đổi với cùng mức độ như thời gian lưu trữ, đặc biệt là nếu so với những màng bao tổng hợp, do sự bất ổn nội tại của nguyên liệu Những biến đổi này có thể ảnh hưởng đến các tính chất của màng, chẳng hạn làm thay đổi các đặc tính Do đó, sự oxy hóa các nhóm sulfhydryl của protein có thể gây ra sựthoái biến của các chuỗi polyme (Micard và cộng

sự, 2000) Những thay đổi về thể chất bao gồm polymer và sắp xếp có thể là do sự di chuyển của các thành phần trọng lượng phân tử thấp được sử dụng trong xây dựng màng,