秸稈粉制作肉用易降解膜的干燥工藝優(yōu)化

張 ，楊 婷，侯小強(qiáng)，姬懿珊，田 浩

(成都大學(xué) 生物工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

我國的秸稈廢棄物年產(chǎn)量約6 億噸，每年約有5 億噸的秸稈被焚燒［1］.焚燒處理不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，影響公路、民航等交通安全，而且還造成資源的巨大浪費(fèi)［2－3］.秸稈的主要成分是纖維素(含量在31% ～45%)和木質(zhì)素，這些成分均有利于防水防油，適合制作肉制品包裝材料.我們前期的研究發(fā)現(xiàn)，利用秸稈粉與大豆分離蛋白按照一定比例混合，可制得強(qiáng)度較高的膜，但是干燥條件改變會嚴(yán)重影響膜強(qiáng)度的穩(wěn)定性［4］.對秸稈粉和大豆分離蛋白形成膜的干燥條件進(jìn)行優(yōu)化，不僅有利于制作強(qiáng)度穩(wěn)定的易降解膜，而且有利于其工業(yè)化應(yīng)用.因此，在前期工作基礎(chǔ)上，本研究擬對秸稈粉與大豆分離蛋白形成膜的干燥條件進(jìn)行優(yōu)化.

1 材 料

實驗所用材料包括:油菜秸稈采收于成都市龍泉驛區(qū)成都大學(xué)周邊地區(qū)，大豆分離蛋白(SPI，蛋白質(zhì)含量91.2%，水分含量7.2%)購自山東禹城禹王生態(tài)有限公司.

2 方 法

2.1 秸稈粉碎

將收割的新鮮秸稈剁成約20 cm 長的小節(jié)，置于戶外暴曬60 d 后，再在120 ℃干燥2 h 后，用9FZ-280 型粉碎機(jī)粉碎.根據(jù)前期研究結(jié)論選用過100 目的秸稈粉為原料［4］.

2.2 膜厚度對膜強(qiáng)度的影響

通過控制混合粉與水的比例得到不同厚度的膜.根據(jù)文獻(xiàn)［4］中的最適工藝，將秸稈粉、大豆分離蛋白、葡萄糖和甘油的質(zhì)量及體積總和分別為0.53、1.59、3.18、6.36、8.48、10.6 的混合物，與80 mL 水溶解，均質(zhì)后倒入9.5 cm×24 cm 的方形模具中，在60 ℃風(fēng)干成膜.所得膜的厚度分別為0.14 mm、0.26 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm.

2.3 干燥溫度對膜強(qiáng)度的影響

根據(jù)膜厚度實驗結(jié)果，選擇厚度為0.6 mm 的膜進(jìn)行干燥溫度實驗.按照混合物水的比例制得0.6 mm 后膜的混合液，均質(zhì)后倒入9.5 cm ×24 cm模具中，分別置于50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、100 ℃條件下風(fēng)干.

2.4 干燥時間對膜強(qiáng)度的影響

根據(jù)膜厚度實驗及不同溫度干燥實驗結(jié)果，選擇厚度為0.6 mm 的膜進(jìn)行干燥溫度實驗.按照混合物水的比例制得0.6 mm 后膜的混合液，均質(zhì)后倒入9.5 cm×24 cm 模具中，置于80 ℃分別干燥4 h、4.5 h、5.5 h、6 h、6.5 h、7 h.

2.5 膜強(qiáng)度的測定

用TA.XT2i-plus 型質(zhì)構(gòu)儀測定膜強(qiáng)度.將4 cm×9.5 cm 的膜方塊兩端固定，用P 0.25S 探頭以1.0 mm/s 的切割膜，以膜破裂時的最大正向力評價膜強(qiáng)度.每個試樣做6 次平行實驗.

2.6 膜的溶解性實驗

2.6.1 密閉條件下溶解性實驗.

將制得的包裝膜剪裁成4.5 cm×4.5 cm 大小，取4 張膜置于200 mL 燒杯中，加水100 mL，保鮮膜封口保存，每天攪拌5 min，觀察其溶解狀況.

2.6.2 自然條件下溶解性實驗.

將制得的包裝膜剪裁成4.5 cm×4.5 cm 大小，取4 張膜掩埋于成都大學(xué)周邊土地，使其完全置于自然條件下，每天定時觀察其溶解狀況.

2.7 干燥條件優(yōu)化

采用3 因素、6 中心、1 響應(yīng)、20 次實驗的中心旋轉(zhuǎn)設(shè)計，對膜強(qiáng)度有顯著影響的膜厚度、干燥溫度、干燥時間進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化.響應(yīng)各因素編碼見表1.

表1 因素編碼及因素水平

2.8 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2003 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析并繪圖.采用SAS 9.0 進(jìn)行響應(yīng)面實驗方案設(shè)計，并對實驗結(jié)果進(jìn)行擬合優(yōu)化.

3 結(jié)果與討論

3.1 膜厚度對膜強(qiáng)度的影響

干燥時膜厚度對膜強(qiáng)度的影響見圖1.圖中數(shù)據(jù)顯示，膜強(qiáng)度隨著膜厚度的增加而顯著增加(p ＜0.05)，但是當(dāng)膜厚度增加至0.6 mm 后，膜厚度對膜強(qiáng)度的影響不顯著(p ＞0.05).因此，應(yīng)選擇膜厚度在0.5 ～0.7 mm 作為優(yōu)化干燥條件時膜厚度的取值范圍.

圖1 膜厚度對膜強(qiáng)度的影響

膜在風(fēng)干過程，秸稈粉、大豆分離蛋白、葡萄糖及甘油和水會通過分子間的相互作用形成具有一定強(qiáng)度的膜.當(dāng)膜的厚度較薄時，在風(fēng)干過程中，膜中的水分由于快速蒸發(fā)，導(dǎo)致形成的膜強(qiáng)度不足，而厚度較厚的膜，由于風(fēng)干過程中有表皮層的保護(hù)，秸稈粉、大豆分離蛋白、葡萄糖及甘油和水之間有更多的時間形成分子間作用力.這可能是膜強(qiáng)度隨膜的厚度增加而增加的主要原因.

3.2 干燥溫度對膜強(qiáng)度的影響

干燥溫度對膜強(qiáng)度的影響如圖2 所示.圖中數(shù)據(jù)顯示，在50 ℃～80 ℃范圍內(nèi)，膜強(qiáng)度隨干燥溫度的升高而增加，但是當(dāng)溫度升至100 ℃時，膜強(qiáng)度反而顯著(p ＜0.05)低于60 ℃、70 ℃和80 ℃.因此，選擇干燥溫度為70 ℃～100 ℃作為膜干燥時的溫度取值范圍較合適.

圖2 干燥溫度對膜強(qiáng)度的影響

風(fēng)干溫度影響水分的蒸發(fā)速率和大豆分離蛋白的變性程度.當(dāng)干燥溫度較低時，水分蒸發(fā)速率低，秸稈粉、大豆分離蛋白、葡萄糖及甘油和水之間形成分子間的相互作用力的時間較長，但溫度過低，不利于蛋白質(zhì)變性，分子間形成的作用力較弱.高溫時由于水分過快蒸發(fā)，導(dǎo)致膜的脆度增加.這可能是在80℃風(fēng)干時形成的膜強(qiáng)度較其他溫度時高的主要原因.

3.3 干燥時間對膜強(qiáng)度的影響

圖3 干燥時間對膜強(qiáng)度的影響

干燥時間對膜強(qiáng)度的影響如圖3 所示.圖中數(shù)據(jù)顯示，干燥4.5 h 時膜的強(qiáng)度與干燥5.5 h、6.5 h間無顯著差異(p ＞0.05).干燥6 h 時膜的強(qiáng)度高于干燥4h 的膜強(qiáng)度(p ＜0.05)，但是與干燥6.5 h 和7h 時膜強(qiáng)度間無顯著差異(p ＞0.05).由此可知，選擇干燥時間為4 h ～6.5 h 作為優(yōu)化膜干燥條件時干燥時間的取值范圍較合適.

干燥時間對膜強(qiáng)度的影響類似干燥溫度.過長的干燥時間會導(dǎo)致膜中水分的大量蒸發(fā)，形成的膜脆度較高.較短的干燥時間雖然使膜中水分蒸發(fā)較慢，但是干燥時間短導(dǎo)致大豆分離蛋白與水分子間形成的作用力較弱.這可能是干燥4.5 h 時膜的強(qiáng)度較干燥4 h 和7 h 時高的主要原因.

3.4 干燥工藝優(yōu)化

3.4.1 響應(yīng)面實驗方案及實驗結(jié)果.

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，對膜厚度(THICK)、干燥溫度(TEM)、干燥時間(TIM)進(jìn)行綜合優(yōu)化.優(yōu)化實驗方案及結(jié)果見表2.對表2 中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，所得擬合結(jié)果的顯著性分析見表3.

表2 響應(yīng)面實驗方案及實驗結(jié)果

表3 中各因素的顯著性分析顯示，一次項中膜厚度(p = 0.022869 ＜0.05)和干燥時間(p =0.014622 ＜0.05)對膜強(qiáng)度的影響顯著，而且干燥時間的影響程度要大于膜厚度.二次項中膜厚度的平方、膜厚度和溫度的交叉、干燥溫度和干燥時間的交叉對膜強(qiáng)度也有顯著影響(p ＜0.05).

因此，在膜干燥過程中，應(yīng)重點控制膜厚度和干燥時間.

表3 因素及數(shù)學(xué)模型的顯著性分析

表3 中主模型的p =0.012664 ＜0.05，失擬項的p=0.061953 ＞0.05，結(jié)合R2=0.806，可知所得模型(式1)能較好地反映膜厚度、干燥溫度、干燥時間與膜強(qiáng)度間的關(guān)系.

式中，THICK 為膜厚度，mm;TEM 為干燥溫度，℃;TIM 為干燥時間，h;Y1 為膜強(qiáng)度，kg.

3.4.2 擬合模型驗證.

為了進(jìn)一步確認(rèn)所得模型的可靠性，以便對最優(yōu)干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，并預(yù)測最優(yōu)的膜干燥條件.通過對式1 進(jìn)行驗證，所得結(jié)果見表4.

表4 擬合模型在預(yù)測水解度的有效性驗證

表4 中數(shù)據(jù)顯示，實測膜強(qiáng)度和預(yù)測膜強(qiáng)度的結(jié)果較相近，表中有5 組實驗的相對誤差小于10%，有3 組驗證結(jié)果的相對誤差大于10%，但小于30%.由此可知，所得模型具有較好的可靠性，可用于預(yù)測最優(yōu)的膜制備工藝.

3.4.3 干燥工藝優(yōu)化.

根據(jù)所得的擬合模型，以膜強(qiáng)度最高為優(yōu)化目標(biāo)，得出膜干燥的最優(yōu)工藝為膜厚度0.52 mm、干燥溫度59.8 ℃、干燥時間7.35 h，對應(yīng)的膜強(qiáng)度為6.4 kg.

各因素對膜強(qiáng)度的影響也可以從響應(yīng)面(見圖4)看出.在干燥時間為7.35 h 時，圖中膜強(qiáng)度受膜厚度的影響大于干燥溫度;在干燥溫度為59.8 ℃時，膜強(qiáng)度隨膜厚度和干燥時間的變化均有明顯的改變.這與擬合分析中膜厚度和干燥時間對膜強(qiáng)度有顯著影響的結(jié)果相符合.

圖4 膜強(qiáng)度的響應(yīng)面圖

3.5 膜溶解性實驗

將制作的膜置于水中和埋在土中觀察其降解情況.當(dāng)將膜在密閉條件下置于水中時，浸泡7 d 后可完全分解為小碎片;當(dāng)埋在土中時，經(jīng)過7 d 后完全降解.由此可知，用秸稈粉和大豆分離蛋制作的膜具有較好的可降解性.因此，將這種膜用于快餐食品中肉類及其他食品包裝，將會產(chǎn)生很好的社會效益.

4 結(jié) 論

在分析膜厚度、干燥溫度和干燥時間對膜強(qiáng)度影響的基礎(chǔ)上，對膜的干燥條件進(jìn)行了優(yōu)化.擬合分析結(jié)果顯示，所得擬合模型具有較好的顯著性.在此基礎(chǔ)上，對膜的干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出膜厚度0.52 mm、干燥溫度59.8 ℃、干燥時間7.35 h 時，所得膜的強(qiáng)度最高，對應(yīng)的膜強(qiáng)度為6.4 kg.膜的可降解性實驗結(jié)果顯示，所得膜的降解性較好.

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［4］張 ，楊婷，侯小強(qiáng)，等.利用秸稈粉制作肉用易降解包裝膜的研究［J］.成都大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，33(4):320－324.