干熱改性葛根淀粉成膜工藝的研究

張帆 屈紫薇

摘要[目的]研究干熱改性葛根淀粉的最優(yōu)成膜工藝參數(shù)，為干熱改性葛根淀粉膜的工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。[方法]以透光率、水蒸氣透過系數(shù)、溶解度等為評價指標(biāo)，通過研究改性淀粉用量、甘油濃度和干燥溫度對干熱改性葛根淀粉膜特性的影響，確定最優(yōu)成膜工藝參數(shù)。[結(jié)果]干熱改性葛根淀粉膜的最優(yōu)成膜工藝參數(shù)為改性葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0%，甘油添加量1.5%，烘干溫度80 ℃。[結(jié)論]該研究可為葛根淀粉的深度開發(fā)利用提供參考。

關(guān)鍵詞葛根淀粉；羧甲基纖維素鈉；干熱改性；成膜特性

中圖分類號TS236文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）09-0086-04

Study on Filming Technology of Modified Kudzu Starch by Dry Heating

ZHANG Fan，QU Ziwei

（College of Environmental Science and Engineering，Anhui Normal University，Wuhu，Anhui 241003）

Abstract[Objective] In order to provide a theoretical basis for modified kudzu starch edible film in industrial production，the optimal parameters of the filmforming process were studied.[Method] The effect of modified kudzu starch concentration，glycerol addition and drying temperature on the characteristics of dry heating kudzu starch film were studied by measuring light transmittance，water vapor permeability and solubility.[Result] The optimized processing parameters of modified kudzu starch film was modified starch concentration 5.0%，glycerol addition 1.5% and drying temperature 80 ℃.[Conclusion] The study can provide reference for further development and utilization of kudzu starch.

Key wordsKudzu starch；CMC；Dry heating modification；Filmforming property

葛根俗稱野葛，在我國大部分地區(qū)均有種植，分布廣泛。葛根中含有豐富的淀粉、黃酮類物質(zhì)以及纖維素，是一種藥食兩用的植物，在我國南方地區(qū)廣泛為人們所食用[1]。葛根淀粉不僅對心絞痛、冠心病等疾病具有治療效果，還具有降低血脂、促進(jìn)人腦血液的循環(huán)、增強(qiáng)記憶力、減肥、解酒等功效[2]。近年來，葛根淀粉作為食品的配料，在多種食品中全部或部分替代了親水膠體，被加工成各種冷飲、糕點(diǎn)、粉絲及具有強(qiáng)身滋補(bǔ)的功能性食品。國內(nèi)現(xiàn)已研制出可防治冠心病、高血脂、高血壓、糖尿病等疾病的葛根掛面、葛根軟糖等食品，同時還研發(fā)出葛根黃酮茶、葛根口服液等產(chǎn)品[3]。

葛根淀粉的顆粒較小，粒徑平均值為12.20～24.08 μm，直鏈淀粉含量約為19.80%，糊化溫度范圍57.50～64.70 ℃。葛根原淀粉的透明度較玉米淀粉等低，凍融穩(wěn)定性差[4]。添加羧甲基纖維素鈉（CMC）能降低淀粉的結(jié)晶度，增強(qiáng)淀粉的熱穩(wěn)定性，提高淀粉的凝膠強(qiáng)度[5]。干熱改性結(jié)合了干熱工藝以及熱處理的優(yōu)點(diǎn)，是一種淀粉物理改性的新方法。Chiu等[6]早在1998年就已提到干熱法在淀粉改性中的應(yīng)用。

可食性包裝膜是以天然的可食性大分子（如淀粉）為原料，通過添加輔助劑而形成的具有一定結(jié)構(gòu)的可食用膜。和傳統(tǒng)化學(xué)合成的一些包裝材料相比，可食性膜具有可食性及阻隔性強(qiáng)、可改善食品的外觀、無毒、無污染以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[7]。單一葛根淀粉膜較脆，力學(xué)性能差，加工性能弱，添加其他組分復(fù)合成膜，可增強(qiáng)分子間相互作用力，提高膜的性能[8]。

筆者以添加CMC并經(jīng)干熱處理的改性葛根淀粉為原料，制備改性葛根淀粉膜。以透光率、水蒸氣滲透系數(shù)、溶解度等為評價指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)研究改性淀粉用量、甘油濃度和干燥溫度對干熱改性葛根淀粉膜特性的影響，再通過正交試驗(yàn)確定最優(yōu)成膜工藝參數(shù)，旨在拓展葛根淀粉的開發(fā)利用，為干熱改性葛根淀粉膜的工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1原料及主要試劑。葛根購自安徽亳州藥材大市場；甘油、氫氧化鈉、濃鹽酸、無水氯化鈣均為分析純；羧甲基纖維素鈉（CMC）為食品級。

1.1.2主要儀器。HH-2型電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；JJ-1精密增力電動攪拌器，上海江星儀器有限公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏儀器設(shè)備有限公司；CHA-SA氣浴恒溫振蕩器，江蘇金壇市金城國勝實(shí)驗(yàn)儀器廠；LHS-HC-1型恒溫恒濕箱，上海一恒科技有限公司；UV752紫外可見分光光度計、FA2004B電子天平，上海佑科儀器儀表有限公司；HC-700高速多功能粉碎機(jī)，永康市天祺盛世工貿(mào)有限公司。

1.2方法

1.2.1干熱改性葛根淀粉的制備。

將0.5 g CMC充分溶解在200 g蒸餾水中，加入99.5 g葛根淀粉，用電動攪拌器在1 000 r/min的條件下攪拌30 min，調(diào)節(jié)溶液pH為8，將淀粉乳溶液置于45 ℃烘箱干燥14 h（水分含量10%以下），粉碎機(jī)粉碎后過100目篩，然后在120 ℃溫度下干熱3 h，即得到干熱改性葛根淀粉。

1.2.2改性葛根淀粉膜的成膜工藝。

取一定量的干熱改性葛根淀粉，用蒸餾水溶解成淀粉乳，加入一定量的甘油，攪拌均勻后置于沸水浴中糊化30 min，糊化過程中用玻璃棒不停攪拌，然后靜置在水浴鍋中消泡10 min，水浴溫度50 ℃，用10 mL移液管移取10 mL于PE平板，涂膜后放入鼓風(fēng)干燥箱中一定溫度下干燥成膜，揭膜后放置于恒溫恒濕箱中平衡72 h（溫度25 ℃、相對濕度為58%），測定膜的各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3指標(biāo)測定

1.3.1膜厚度的測定。

采用千分尺（精密度為0.001 mm）在待測膜上取5個點(diǎn)進(jìn)行測量，取其平均值作為該膜厚度值。

1.3.2膜水蒸氣透過系數(shù)的測定。

參考GB/T 1037—1988，杯式法，略作改進(jìn)。將大小均勻的無水氯化鈣置于105 ℃的鼓風(fēng)干燥中干燥2 h，放入干燥器中冷卻至25 ℃，加入約10 g至已干燥的稱量瓶中。選用無裂縫、均勻、完整的膜，測量其厚度后，用透明膠帶及紙膠帶將膜密封在稱量瓶的瓶口，稱重。放入恒溫恒濕箱中（相對濕度58%、溫度25 ℃），24 h后測其重量并計算出增重，由此計算水蒸氣透過系數(shù)（WVP） 的大小[9]。膜水蒸氣透過系數(shù)計算公式：

WVP[g·cm/ （cm2·s·Pa）]=Δm×dA×t×Δp

式中，Δm為t時間內(nèi)增加的質(zhì)量（g）；A為透過水蒸氣的面積（cm2）；t為增重的時間（s）；d為膜厚度（cm）；Δp為膜兩側(cè)水蒸氣壓差（Pa）。

1.3.3膜透明度的測定。

將待測膜剪成1 cm×2 cm的長方形，自下而上緊貼于比色皿外表面，在波長650 nm條件下測其透光率T（%）的大小，以透光率表示透明度[10]。

1.3.4膜溶解度的測定。

參考涂宗財?shù)萚11]的方法稍作修改，將待測膜剪成2 cm×3 cm的長方形，在105 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中烘2 h至恒重，取2片稱其重量記為m0。然后將膜放置在錐形瓶中，加入80 mL的蒸餾水，放入恒溫振蕩箱中在25 ℃、100 r/min的條件下振蕩24 h，再將剩余膜取出置于105 ℃的烘箱中烘干至恒重，稱得其重量記為m1。膜的溶解度計算公式如下：

溶解度=m0-m1m0×100%

2結(jié)果與分析

2.1改性葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對淀粉膜性能的影響

分別稱取改性葛根淀粉3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 g于燒杯中，加蒸餾水至100 g，各加入1.5 mL甘油攪拌均勻，得其質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，按“1.2.2”工藝在80 ℃下成膜后，測定其各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果如圖1、2所示。

由圖1、2可以看出，隨著改性葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，膜的水蒸氣透過系數(shù)整體呈下降趨勢，膜透明度和溶解度均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且在改性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，膜的水蒸氣透過系數(shù)最低，透明度最高，溶解度最低。這是因?yàn)樵诟男缘矸圪|(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時，形成的可食膜致密性較好，膜的分子骨架之間空隙小，水蒸氣難以透過，淀粉分子與甘油分子之間的作用力強(qiáng)，兩者結(jié)合緊密，不易水解，膜溶解度低，膜分子之間定向排列，膜透光率高。改性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)低時，甘油與淀粉的比值高，膜較薄且柔軟，不易撕膜，膜易發(fā)生變形，厚度不均勻；改性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大，淀粉分子與甘油分子之間形成的作用力不均勻，致密性下降，膜厚度不一，透水性增強(qiáng)，透光率增大，溶解度增高。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)改性葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時，膜的綜合性能較優(yōu)。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年

2.2甘油濃度對干熱改性葛根淀粉膜性能的影響

在改性葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的淀粉乳溶液中分別加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的甘油，混合均勻后，按“1.2.2”工藝在80 ℃下成膜后，測定其各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果見圖3、4。

由圖3、4可以看出，隨著甘油濃度的增加，淀粉膜水蒸氣透過系數(shù)增加，透光率降低，溶解度先減小后增大。甘油濃度低于1.0%時，膜較脆，干燥過程中出現(xiàn)破裂，無法撕下完整的膜；甘油濃度高于2.5%時，膜較軟，容易黏連。這是因?yàn)楦视妥鳛樵鏊軇梢允沟矸勰ぷ兊萌彳?，甘油本身具?個親水基團(tuán)，當(dāng)甘油濃度過高時，淀粉分子結(jié)合水分子的數(shù)目會增多，改性葛根淀粉分子之間的作用力減弱，使得膜的致密性降低[10]，葛根淀粉分子親水性較強(qiáng)，添加甘油使得淀粉分子相互間所形成的氫鍵減少，淀粉分子間距離增大，膜的透水性增大[7]，聚合物的分子大小、取向、聚合度對水蒸氣透過系數(shù)有明顯的影響[12]，所以，膜的水蒸氣透過系數(shù)、溶解度隨之增大，透光率減小。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)甘油用量為2.0%左右時，膜的性能較優(yōu)。

2.3成膜溫度對干熱改性葛根淀粉膜性能的影響

配制改性葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%、甘油濃度為2.0%的淀粉乳，按“1.2.2”工藝分別在70、75、80、85、90 ℃下成膜后，測定其各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果如圖5、6所示。

由圖5、6可知，隨著干燥溫度的升高，膜水蒸氣透過系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小再增大的波動，膜透明度先增大后減小，溶解度先減小后增大。干燥溫度過低，干燥所需時間長，甘油充分與水分子結(jié)合，形成的膜結(jié)構(gòu)疏松，分子之間結(jié)合混亂，使得膜水蒸氣透過系數(shù)和溶解度較大；干燥溫度適度提高，加劇成膜過程中的大分子聚合物鏈段的運(yùn)動，利于膜中大分子聚合物鏈段穩(wěn)定、有序排列，形成較為致密的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[13]；干燥溫度過高，水分蒸發(fā)的速率快，水分子與甘油之間未能充分結(jié)合形成氫鍵，分子排列未能定向[14]，所形成的膜干脆且易破裂，撕膜過程中膜容易脆裂，且所得膜的厚度不均勻，水蒸氣透過系數(shù)大，透光率低。在85 ℃烘干時，所形成的膜分子間排列定向，致密性好，膜厚度均勻，水蒸氣透過系數(shù)低，透光率最高。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)干燥溫度為85 ℃左右時，形成的膜性能較優(yōu)。

2.4改性葛根淀粉膜制備工藝條件的優(yōu)化

由上述單因素試驗(yàn)所得的結(jié)果，以改性葛根淀粉用量、甘油濃度、干燥溫度3個因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，以改性淀粉膜的水蒸氣透過系數(shù)、溶解度、透光率為指標(biāo)，確定改性葛根淀粉膜的最優(yōu)制備工藝參數(shù)，正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計及試驗(yàn)結(jié)果分析如表1和表2所示。

2.4.1各因素對膜水蒸氣透過系數(shù)的影響。

水蒸氣透過系數(shù)反映膜的阻水能力，在應(yīng)用于食品的包裝時，水蒸氣透過系數(shù)越小，越利于食品的保藏。表2的結(jié)果分析表明，改性葛根淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、甘油的濃度、烘干溫度對淀粉膜的水蒸氣透過系數(shù)均有影響，以甘油濃度對水蒸氣透過系數(shù)的影響最為明顯。由極差分析可知，對水蒸氣透過系數(shù)影響的主次因素為B>A>C，即影響力順序依次為甘油濃度、改性葛根淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、烘干溫度。只考慮膜的水蒸氣透過系數(shù)，當(dāng)改性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%，甘油濃度為1.5%，85 ℃條件下制備出的淀粉膜水蒸氣透過系數(shù)最低。據(jù)此，最優(yōu)的成膜工藝為A3B1C2。

2.4.2各因素對膜透光率的影響。

透光率反映淀粉膜的透明度，透光率值越大，膜的透明度越好。表2的結(jié)果分析表明，改性葛根淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、甘油濃度、烘干溫度對膜的透光率均有影響。其中，以烘干溫度對膜的透光率影響最大。由極差分析結(jié)果可知，對膜的透光率影響的主次因素為C>B>A，即影響力順序依次為烘干溫度、甘油濃度、改性葛根淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。只考慮膜的透光率，當(dāng)改性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%，甘油濃度為1.5%，烘干溫度為80 ℃時制備出的淀粉膜透光率最高。據(jù)此，最優(yōu)成膜工藝為A3B1C1。

2.4.3各因素對膜溶解度的影響。

膜的溶解度反映膜內(nèi)部分子之間相互作用力的強(qiáng)度，因此溶解度越小，膜的性能越好。表2的結(jié)果分析表明，改性葛根淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、甘油濃度、烘干溫度對膜的溶解度均有影響，其中改性葛根淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膜的溶解度影響最大。由極差分析結(jié)果可知，對膜的溶解度影響的主次因素為A>C>B，即影響力順序依次為改性葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、烘干溫度、甘油濃度。若只考慮膜的溶解度，則當(dāng)改性葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0%，甘油濃度1.5%，烘干溫度80 ℃時制備出的淀粉膜溶解度最小。據(jù)此，最優(yōu)成膜工藝為A2B1C1。

2.5改性葛根淀粉膜制備最優(yōu)工藝參數(shù)的確定

就不同的參考指標(biāo)而言，同一因素對淀粉膜性能的影響主次順序不同。試驗(yàn)現(xiàn)象表明，葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低，涂膜過程中，淀粉乳易流動，導(dǎo)致膜厚度不均勻；甘油濃度低于1.0%時，膜在干燥過程中出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，高于2.5%時，膜在撕下時容易變形，撕下后黏連嚴(yán)重；烘干溫度低，烘干所需時間長，不利于形成結(jié)構(gòu)致密的可食膜，溫度高于90 ℃時，膜偏硬，撕膜過程中，膜很容易破裂。綜合試驗(yàn)過程中的現(xiàn)象及正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并依據(jù)提高效率、降低能耗及成本的原則，改性葛根淀粉膜的最優(yōu)制備工藝條件確定為A2B1C1，即改性葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0%，甘油濃度1.5%，烘干溫度80 ℃。

3結(jié)論

該研究以干熱改性葛根淀粉為材料，采用熱成膜方式制備可食性淀粉膜。由單因素試驗(yàn)以及正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析可以看出，改性葛根淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膜的溶解度影響最大，甘油濃度對膜的水蒸氣透過系數(shù)的影響最大，烘干溫度對膜的透明度的影響最大。綜合考慮各因素，確定成膜最優(yōu)工藝參數(shù)為改性葛根淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0%，甘油濃度1.5%，烘干溫度80 ℃。

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