響應(yīng)面法優(yōu)化普魯蘭多糖-明膠可食性膜制備工藝

高丹丹，江連洲,*，張 超，馬 越，趙曉燕

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心，北京 100097)

響應(yīng)面法優(yōu)化普魯蘭多糖-明膠可食性膜制備工藝

高丹丹1，江連洲1,*，張 超2，馬 越2，趙曉燕2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心，北京 100097)

采用單因素和響應(yīng)面分析法優(yōu)化普魯蘭多糖-明膠復(fù)合膜配方。結(jié)果表明：甘油添加量對抗拉強度的影響最大，普魯蘭多糖添加量的影響最小。當普魯蘭多糖添加量2.00%、明膠添加量5.00%、甘油添加量1.00%時，其抗拉強度達到最大，為85.18MPa，驗證實驗結(jié)果為89.83MPa，二者的相對誤差為5.18%，響應(yīng)面法優(yōu)化的組成真實可靠。

普魯蘭多糖；明膠；可食性膜；抗拉強度；響應(yīng)面分析

可食性包裝膜是以可食性生物大分子物質(zhì)為主要基質(zhì)，輔以可食性的增塑劑，通過一定的處理工序形成一種結(jié)構(gòu)致密的薄膜[1]。由于塑料包裝使用后的廢棄物難以降解以及對包裝食品的風(fēng)味影響，使得各國學(xué)者展開了對可食性膜的研發(fā)。Tong等[2]的普魯蘭多糖-海藻酸鈉-羧甲基纖維素復(fù)合膜和Gounga等[3]的乳清分離蛋白-普魯蘭多糖復(fù)合膜研究結(jié)果表明，普魯蘭多糖可食性膜透明度高、阻油、阻氧性好。Caroline等[4]的明膠膜和Li等[5]的魔芋葡甘聚糖-明膠可食性膜研究結(jié)果表明明膠膜熱封性好、機械性能較高，且明膠價格低廉。本實驗將普魯蘭多糖與明膠復(fù)合成膜，通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化普魯蘭多糖-明膠可食用膜的最佳配方，以期提高可食性膜的機械性能、透明度以及阻隔性能，制備出一種適合應(yīng)用在速溶咖啡、速溶方便面等領(lǐng)域的可食性內(nèi)包裝膜，為可食性膜的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

普魯蘭多糖 天津?qū)嵃l(fā)中科百奧工業(yè)生物技術(shù)公司；明膠 滄州市金箭明膠有限公司；甘油 北京化工廠。

SM-112型測厚儀 日本Teclock公司；Taxt Plus物性測試儀 英國Stable Micro Systems公司；PERMA TRAN-W Model 1/50 G水蒸氣透過率測試儀 美國Mocon公司；UV-1800型紫外分光光度計 日本島津公司；DZKW-4型電子恒溫水浴鍋 中國中興偉業(yè)儀器有限公司；BM-1型生物混合儀 日本Nihonseiki公司。

1.2 普魯蘭多糖-明膠可食性膜制備工藝優(yōu)化

明膠、普魯蘭多糖和甘油以不同的配比復(fù)合成膜。明膠溶解在90℃蒸餾水中，普魯蘭多糖溶解在60℃蒸餾水中，冷卻到室溫后添加甘油，攪拌均勻。成膜溶液傾倒在培養(yǎng)皿中，室溫成膜。揭膜后于40℃、50%相對濕度的干燥器中平衡2d，測定膜的指標。

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken[6]設(shè)計試驗，以普魯蘭多糖-明膠復(fù)合膜的抗拉強度為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面分析進行復(fù)合膜配方的優(yōu)化。

1.3 膜性能的測試方法

膜厚度根據(jù)GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度的測定：機械測量法》[7]，用測厚儀對每張膜測定厚度，均勻取13個點(其中1點過膜的中心點)，以平均值作為膜的厚度值。

膜的機械性能根據(jù)ASTM D 882-01《Annual Book of ASTM Standards》方法[8]，使用物性測試儀測定膜樣品的抗拉強度(TS)和斷裂延伸率(E)，兩個探頭的初始間距設(shè)定為40mm，拉引速度設(shè)定為1mm/s。其計算參照式(1)和(2)。

式中：TS為抗拉強度/MPa；F為膜斷裂時的最大拉力/N；S為膜的橫截面積/m2；E為斷裂延伸率/%；L0為膜樣品的長度/mm；L1為膜斷裂時的長度/mm。

膜的透光率應(yīng)用紫外分光光度計，將膜樣品貼在石英比色皿的一側(cè)，在波長600nm處測定復(fù)合膜的透光率。以空石英比色皿作為空白對照。

膜的水溶性取40μm的膜樣品剪裁成2cm×2cm規(guī)格，置于盛滿90℃水的燒杯中，以樣品的溶解時間來評價膜的水溶性。

膜的水蒸氣透過率(water vapor permeability，WVP)根據(jù)ASTM F 1249-05《Standard Test Method for Water Vapor Transmission》方法[9]，在室溫(23℃)、常壓條件下測定膜的水蒸氣透過率。測試時使用的載氣為高純氮氣，測試面積為5cm2。膜兩側(cè)相對濕度分別設(shè)定為50%和15%。

膜的油脂滲透系數(shù)(P0)根據(jù)谷宏等[10]的方法進行測定。于試管內(nèi)裝5mL色拉油，用圓形的膜樣品封住試管口，再放一張預(yù)先稱量質(zhì)量的濾紙片，室溫下(25℃)倒置放于50%相對濕度的干燥器中。一周后記錄濾紙片的質(zhì)量。油脂滲透系數(shù)的計算見式(3)。

式中：P0為油脂滲透系數(shù)/(g·mm/(m2·d))；Δm為質(zhì)量變化/g；h為膜厚度/mm；S為試管口面積/m2；t為測試時間/d。

2 結(jié)果與分析

2.1 普魯蘭多糖對復(fù)合膜成膜特性的影響

在明膠添加量為5.00%，甘油添加量為1.00%的條件下，研究不同普魯蘭多糖添加量對成膜特性的影響(表1)。當普魯蘭多糖添加量為2.00%時，復(fù)合膜抗拉強度、透光率最大，這是由于普魯蘭多糖和明膠這兩種聚合物在此條件下的相容性最好，分子間的相互作用增強。隨著普魯蘭多糖添加量的增加，復(fù)合膜的厚度增加，分子間的遷移率下降，故水蒸氣透過率和斷裂延伸率逐漸降低；油脂透過率所有測試組都未檢出，這是由普魯蘭多糖和明膠兩種聚合物致密的結(jié)構(gòu)所決定。另外，隨著普魯蘭多糖添加量的增加，復(fù)合膜的溶水時間逐漸增大。故普魯蘭多糖添加量為2.00%時，是此單因素的最優(yōu)條件。

表1 不同普魯蘭多糖添加量對復(fù)合膜成膜特性的影響Table 1 Effect of pullulan concentration on properties of composite films

2.2 明膠添加量對復(fù)合膜成膜特性的影響

表2 不同明膠添加量對成膜特性的影響Table 2 Effect of gelatin concentration on properties of composite films

在普魯蘭多糖添加量為2.00%，甘油添加量為1.00%的條件下，研究不同添加量的明膠對復(fù)合膜成膜特性的影響(表2)。結(jié)果顯示，復(fù)合膜的水蒸氣透過率和斷裂延伸率都是隨著明膠添加量的逐漸增加而逐漸降低，且試驗組都不透油，這是由于復(fù)合膜厚度的增加使得大分子聚合物相互聚集導(dǎo)致復(fù)合膜的阻隔性增強。明膠的水溶性較好，都在25s以內(nèi)完全溶解。另外，當明膠添加量為5.00%，復(fù)合膜的抗拉強度、透光率達到最大，這是由于普魯蘭多糖和明膠較好的相容性決定的，因此明膠優(yōu)化的最優(yōu)條件為5.00%。

2.3 甘油添加量對復(fù)合膜的成膜特性的影響

在普魯蘭多糖添加量為2.00%、明膠添加量為5.00%的條件下，研究不同甘油添加量對復(fù)合膜成膜特性的影響(表3)。結(jié)果顯示，隨著甘油添加量的逐漸增多，復(fù)合膜的溶水時間減少，水蒸氣透過率逐漸增加。這一方面是由于成膜原料都為親水性物質(zhì)，另一方面甘油也親水，會降低聚合物鏈間的分子間力，增加自由體積，使水蒸氣透過率增加[2,11]。同時隨著甘油添加量的增加，復(fù)合膜的抗拉強度驟降，斷裂延伸率逐漸上升。所以，甘油添加量為1.00%時膜的抗拉強度最大。

表3 甘油添加量對復(fù)合膜成膜特性的影響Table 3 Effect of glycerol concentration on properties of composite films

2.4 響應(yīng)面分析方案及分析結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken設(shè)計原理，綜合單因素試驗結(jié)果，選取普魯蘭多糖添加量、明膠添加量、甘油添加量作為對復(fù)合膜抗拉強度影響的因素，采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，不同添加量的普魯蘭多糖、明膠和甘油對復(fù)合膜抗拉強度的影響。試驗因素及水平見表4，試驗設(shè)計及結(jié)果見表5。

表4 普魯蘭多糖-明膠可食性膜制備工藝Box-Behnken試驗因素與水平表Table 4 Variables and their levels used in Box-Behnken experimental design

抗拉強度的總回歸方程為：TS＝84.95＋3.13A＋10.22B－32.26C－5.51AB＋3.54AC＋4.94BC－5.86A2－7.90B2－15.77C2，其線性相關(guān)系數(shù)R2＝0.9781，說明回歸方程擬合度很好。在單因素試驗和推薦使用的最優(yōu)組合的基礎(chǔ)上，綜合復(fù)合膜的斷裂延伸率、油脂透過率、水蒸氣透過率、水溶性、透光率等指標的考慮，分析數(shù)據(jù)求得最大值分別為A＝0.02、B＝0.05、C＝0.01，即復(fù)合膜的抗拉強度配方的最佳優(yōu)化條件為普魯蘭多糖添加量2.00%、明膠添加量5.00%、甘油添加量1.00%，在此條件下抗拉強度的預(yù)測值可達85.18MPa。為驗證響應(yīng)面分析法的可靠性，對該優(yōu)化條件進行驗證試驗[12-13]，每次做6個平行樣取平均值，再重復(fù)做3次并取平均值，抗拉強度的實際測得值為89.83MPa，二者的相對誤差僅5.18%，說明響應(yīng)面分析法優(yōu)化的工藝參數(shù)是可靠的，可以為普魯蘭多糖-明膠復(fù)合膜的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。在此條件下，復(fù)合膜的斷裂延伸率為(6.17±1.29)%，水蒸氣透過率為(149.08±11.23) g·m/(m2·d)，油脂透過系數(shù)未檢出，600nm波長處的透光率為(90.37±0.53)%，溶水時間為(20±3)s。

表5 普魯蘭多糖-明膠可食性膜制備工藝Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table 5 Box-Behnken experimental design and corresponding results

表6 抗拉強度的二次響應(yīng)模型方差分析Table 6 ANOVA for tensile strength with pullulan, gelatin and glycerol concentrations

由表6可知?？估瓘姸鹊亩雾憫?yīng)模型的P＜0.0001，說明模型是極顯著的，模型中影響復(fù)合膜抗拉強度的因素主次是C＞B＞A、其中B、C的影響是極顯著的(P＜0.01)。失擬項的P＝0.1838＞0.1，說明失擬不顯著，二次響應(yīng)模型能很好的描述此組試驗數(shù)據(jù)。

2.5 顯著交互作用對復(fù)合膜抗拉強度的影響

圖1 各因素之間交互影響膜抗張強度的響應(yīng)面和等高線圖Fig.1 Response surface and contour plots showing the effects of three variables on tensile strength of pullulan-gelatin composite films

3個因素之間的交互作用對膜抗拉強度影響見圖1。響應(yīng)曲面的坡度越陡峭，表明抗拉強度對兩因素添加量的改變越敏感[9]。由圖1a可知，響應(yīng)曲面的坡度較陡峭，說明抗拉強度對普魯蘭多糖和明膠添加量的改變較敏感。由等高線可知，當普魯蘭多糖在1.80%～2.20%時，明膠在4.00%～5.00%時抗拉強度最大，其預(yù)測值為85.95MPa。圖1b等高線可以看出，當甘油在1.00%時，抗拉強度最大，然后隨著甘油添加量的逐漸增加抗拉強度逐漸降低。在圖1c的等高線中，也是隨著甘油添加量的逐漸增加抗拉強度逐漸降低。這是因為甘油可以很容易地插入到聚合物的分子鏈間，并與分子鏈上的羥基、羰基形成氫鍵，破壞分子鏈間以及分子內(nèi)形成氫鍵，使得聚合物的相互作用減弱，從而降低了復(fù)合膜的抗拉強度[5,14-15]。

3 結(jié) 論

響應(yīng)面分析顯示甘油添加量對抗拉強度的影響最大，普魯蘭多糖添加量的影響最小。普魯蘭多糖-明膠可食性膜的最佳組成為普魯蘭多糖2.00%、明膠添加量5.00%，甘油添加量1.00%，在此條件下，復(fù)合膜的抗拉強度達到最大，復(fù)合膜的阻隔性也較好，并且成本也較低廉，適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

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Optimization of Pullulan-Gelatin Composite Films by Response Surface Analysis

GAO Dan-dan1，JIANG Lian-zhou1,*，ZHANG Chao2，MA Yue2，ZHAO Xiao-yan2
(1. College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China；2. Vegetable Research Center, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

The aim of the present study was to optimize the formulation of pullulan-gelatin composite films using one-factorat-time design and response surface methodology. The tensile strength of pullulan-gelatin composite films was affected most by glycerol concentration and least by pullulan concentration. Pullulan-gelatin composite films composed of 2% pullulan, 5% gelatin and 1% glycerol showed the highest tensile strength. A relative error of 5.18% was found between the actual (89.83 MPa) and predicted (85.18 MPa) tensile strength, suggesting high reliability of the optimized formulation.

pullulan；gelatin；edible film；tensile strength；response surface analysis

TS206.4

A

1002-6630(2012)18-0021-04

2011-07-12

北京市優(yōu)秀人才項目(2010D002020000012)；北京市百千萬人才專項

高丹丹(1986—)，女，碩士研究生，研究方向為糧食、油脂與植物蛋白工程。E-mail：Diana198691@126.com

*通信作者：江連洲(1960—)，男，教授，博士，研究方向為大豆蛋白。E-mail：jianglanzhou@nercv.org