基于力學性能指標的芹菜纖維-淀粉可食用復合膜工藝優(yōu)化

黨新安， 唐 鵬， 楊立軍， 盛文盼

(陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

環(huán)境污染是當今社會的熱點問題，全世界每年要處理15億t以上塑料包裝膜[1].為解決環(huán)境污染問題，因而可食用包裝膜在食品工業(yè)用途廣泛，其在抗氧化變質、微生物變質和延長貨架期方面起著很重要的作用.利用具有生物可降解性和可食性的物質制備包裝膜，代替化學合成膜并將其大規(guī)模用于食品領域已經成為一種發(fā)展趨勢[2].

目前已有各種對可食用包裝膜的研究.宋佳明等[3]采用響應面分析法，研究了卡拉膠濃度等對卡拉膠-明膠復合膜拉伸強度的影響，其拉伸強度為4.448 kg，但明膠原料的理化性質易發(fā)生交聯反應，產生易吸水、失水等缺陷.Nazila[4]基于改性西米淀粉和κ-卡拉膠的復合膜制備，但其力學性能差.張小菊等[5]將提純后的魔芋粉經過改性來制備空心膠囊，但在制備的過程中需要加入凝固劑，而且崩解時間較長、溶解性差.于海寧等[6]研究了海藻酸鈉空心膠囊，具有良好的成膜性、凝膠性及生物相容性.但海藻多糖的提取成本高、技術較難掌控.目前各種包裝膜都存在一定問題，所以，研發(fā)一種價格低廉，純天然綠色新型包裝膜具有重要意義.

由芹菜纖維[7-11]制備的植物包裝膜相比其它食品包裝膜，其價格低廉，且飽含豐富的鐵、鋅、錳等人體所必需的微量元素，可以說是一種廉價的補充人體微量元素的“營養(yǎng)瓶”，發(fā)展前景廣闊.本文使用芹菜纖維與其它輔料，采用單因素實驗與正交試驗方法，獲取芹菜纖維可食用淀粉包裝膜的最佳工藝.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

芹菜漿液，陜西科技大學實驗室自制；馬鈴薯淀粉，悅普食品有限公司；卡拉膠，海南瓊海市長青瓊脂廠有限公司；魔芋粉，華藥堂有限公司；甘油，千志食品有限公司；亞克力板，陜西科技大學自制.

1.2 實驗設備

Y80M1-4型瓦利打漿機，西安泰富西瑪電機有限公司；AI-7000-NGD型拉力試驗機，高鐵科技股份有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋，朗越儀器制造有限公司；DJ-1 型旋轉式黏度計，上海平軒科學儀器廠；DHG-9070A實驗室電熱恒溫鼓風干燥箱，南京曉曉儀器設備有限公司；電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；109-M打漿度測試儀，咸陽通達輕工設備有限公司.

1.3 實驗方法

1.3.1 芹菜纖維可食用膜的制備方法

(1)芹菜纖維的制備

將西芹進行清洗、去除根部、切丁后通過打漿機進行打漿，將不同打漿度的漿液分組編號放置，并稱取相應原漿過濾水分，完成芹菜纖維的制備.

(2)溶膠

稱取馬鈴薯淀粉和卡拉膠/魔芋粉復配膠分別倒入200 mL、100 mL的去離子水中，置于75 ℃水浴鍋中不斷攪拌直至糊化；將制備后的芹菜纖維在水浴鍋中預熱至45 ℃；稱取甘油與上述原料混合，繼續(xù)攪拌后獲取芹菜纖維可食用淀粉包裝膜的漿料，最后在預熱后的亞克力板上成型.

(3)干燥

將成型的漿料送入鼓風干燥箱中干燥一定時間后取出，通過多次稱量并計算失水率相同的薄膜，最后揭膜包裝.

失水率的計算公式如式(1)所示：

a%=Δm÷60

(1)

式(1)中：a%為失水率，Δm為失去水的質量，60 g為用“流延法”[12]制得薄膜樣品的原漿重量.

1.3.2 測定指標與方法

將制備后的芹菜纖維可食用膜剪裁成15 mm×40 mm的樣條，在室溫下用AI-7000-NGD伺服控制高低溫拉力試驗機進行拉伸實驗，測定樣條抗拉強度與斷裂伸長率，取5次測量樣條的平均值作為指標.

結合1.3.1和1.3.2所述，可食用膜成型工藝路線為：稱重→切段→打漿→濾水→溶膠→芹菜漿預熱→烘干→揭模→檢驗→包裝.

1.3.3 工藝最優(yōu)參數的確定

(1)單因素實驗

根據前期大量探索性實驗，選取配方參數：芹菜纖維含量3.5%；淀粉含量16%；卡拉膠/魔芋粉在1∶1的條件下含量0.5%；甘油含量10%.在此配方基礎上以力學性能為指標，依次改變打漿度、失水率、漿料混合時間、溶膠時間、濾水率5個工藝參數，研究其對樣品性能的影響；改變溶膠溫度以漿液粘度為指標，取三次測量結果的平均值為實驗數據，按照表1設計單因素實驗.

表1 單因素實驗設計表

(2)正交試驗

控制芹菜纖維含量、淀粉含量等配方不變，在經過單因素實驗后，確定打漿度、溶膠時間、漿料混合時間、失水率、濾水率、漿料溶膠溫度的較優(yōu)取值范圍，對于成型的綜合性能，這些因素是相輔相成的，選取影響因素最大的五個因素：打漿度、失水率、淀粉攪拌時間(溶膠時間)、濾水率、漿料混合時間，建立五因素四水平正交表如表2所示.

表2 工藝L16正交試驗因素水平表

實驗結果采用綜合評分法進行評分[13]，設第i組樣品抗拉強度為Xi，斷裂伸長率為Yi，m組實驗中抗拉強度最大值為Xm，斷裂伸長率最大值為Ym，則第i組實驗綜合評分結果Ci由公式(2)得出：

(2)

2 結果與討論

2.1 打漿度對力學性能的影響

保持最佳配方參數不變，以工藝參數：濾水率為30%；卡拉膠/魔芋粉攪拌時間為30 min；淀粉攪拌時間為20 min；漿料混合時間為4 min；失水率為82%；溶膠溫度為75 ℃不變，選取不同打漿度的芹菜原漿15 °SR、25 °SR、35 °SR、45 °SR、55 °SR，按照1.3.1的實驗方法制備薄膜.

打漿度對薄膜力學性能的影響結果如圖1所示，抗拉強度和斷裂伸長率隨著打漿度的增大而增強，在打漿度為28 °SR時力學性能呈局部最優(yōu)，隨后力學性能逐漸下降.這是由于當打漿度提高時，團聚小塊分離，纖維表面松散，使纖維的比表面積、接觸面積增大，羥基數增多，力學性能提高[14,15].但過大的打漿度會使長條纖維短小，纖維間相互作用小，纖維與其它原料結合作用小，使得力學性能下降.

圖1 打漿度對薄膜力學性能的影響

2.2 溶膠時間對力學性能的影響

2.2.1 卡拉膠/魔芋粉攪拌時間

卡拉膠、魔芋粉的復配過程需要一定的時間.如圖2所示，隨著卡拉膠/魔芋粉復配攪拌時間的延長，斷裂伸長率先增大后減小，抗拉強度逐漸遞減，攪拌25 min效果最好.這可能是由于攪拌時間升高，卡拉膠形成的網狀結構與魔芋粉形成的螺旋結構，使協(xié)同作用增強，力學性能升高[16,17]，但攪拌時間繼續(xù)延長時，卡拉膠和魔芋粉的多糖大分子由于長時間攪拌導致分解，力學性能降低.

圖2 卡拉膠/魔芋粉攪拌時間對薄膜力學性能的影響

2.2.2 淀粉攪拌時間對力學性能的影響

如圖3所示，隨著馬鈴薯淀粉攪拌時間的延長，力學性能先升高后減小.在馬鈴薯淀粉攪拌20 min效果最好.起初淀粉分子中的直鏈支鏈淀粉分子開始交聯，力學性能升高，隨著攪拌時間的繼續(xù)延長，被直鏈淀粉和直鏈淀粉包圍的水分運動變強[18].淀粉顆粒膨脹破裂后不再相互摩擦，力學性能降低.

圖3 淀粉攪拌時間對薄膜力學性能的影響

2.3 漿料混合時間對力學性能的影響

漿料混合時間決定了各原料混在一起的均勻度以及各原料成分之間的協(xié)同作用，所以，需研究漿料的混合時間對薄膜力學性能的影響規(guī)律.為此，保持最佳配方參數不變，工藝參數為在打漿度為28 °SR；濾水率為30%；卡拉膠/魔芋粉攪拌時間為30 min；淀粉攪拌時間為20 min；失水率為82%；溶膠溫度為75 ℃時，選取漿料混合時間3 min、6 min、9 min、12 min、15 min為五水平的攪拌時間，按照1.3.1的實驗方法制備薄膜.

漿料混合時間對薄膜力學性能的影響如圖4所示.隨著混合攪拌時間的延長，力學性能呈先增大后減小.在混合攪拌時間6～9 min時，效果最佳.隨著充分攪拌，甘油、淀粉與魔芋粉、芹菜纖維等原料得到充分融合，由于甘油的分子與淀粉顆粒之間形成氫鍵，使得力學性能增大.但隨著攪拌時間的延長，過量的甘油分子反而會破壞氫鍵，使得淀粉與甘油的結合力降低，并且纖維在持續(xù)加熱狀態(tài)下被破壞，分子間作用力減小，也使得抗拉強度降低，并且隨著時間的延長，甘油對卡拉膠/魔芋粉的復配也具有拮抗作用[19].使得抗拉強度降低.

圖4 漿料混合時間對薄膜力學性能的影響

2.4 失水率對力學性能的影響

薄膜的含水量直接決定薄膜的力學性能，所以，需研究失水率對薄膜力學性能的影響規(guī)律.為控制變量保持最佳配方參數不變，工藝參數在打漿度為28 °SR；濾水率為30%；卡拉膠/魔芋粉攪拌時間為30 min；淀粉攪拌時間為20 min；漿料混合時間為4 min；溶膠溫度為75 ℃時，選取不同失水率80%、81%、82%、83%、84%，按照1.3.1的實驗方法制備薄膜.

失水率對薄膜力學性能的影響如圖5所示，隨著失水率的升高，抗拉強度升高，斷裂伸長率減小.較優(yōu)的失水率為80%～82%.這是由于芹菜纖維的細胞壁是由纖維素分子組成的纖絲系統(tǒng)[20].纖維素分子按一定的秩序排列，使其具有結晶性質并集合成纖維束，構成了粗纖維.芹菜纖維性質相對穩(wěn)定，當干燥失水后，表面會產生張力，使纖維之間產生氫鍵，因此薄膜的抗拉強度會提高，斷裂伸長率會減小.在含水量較低時，分子流動性降低，薄膜易碎，在水分含量較高時，分子流動性提高，薄膜具有延展性.

圖5 失水率對薄膜力學性能的影響

2.5 濾水率對力學性能的影響

芹菜原漿中的水分含量較高，需將水分過濾掉，得到濕纖維進行漿料的制備.所以，需要研究濾水率對薄膜樣品力學性能的影響規(guī)律.為控制變量保持最佳配方參數不變，工藝參數在打漿度為28 °SR；失水率為82%；卡拉膠/魔芋粉攪拌時間為30 min；淀粉攪拌時間為20 min；漿料混合時間為4 min；溶膠溫度為75 ℃時，分別選取濾水率15%、25%、35%、45%、55%，制備薄膜.

濾水率對薄膜的力學性能影響如圖6所示.抗拉強度隨濾水率的增大呈先增大后減小，并在濾水率為35%時抗拉強度局部最大.而斷裂伸長率隨濾水率增大而減小.這是由于在較低的濾水率時，芹菜原漿存有較多的水分，與配方中甘油等增塑劑結合[21]，使得薄膜的斷裂伸長率增大，纖維與淀粉之間粘結作用減弱，抗拉強度降低；隨著濾水率的增大，纖維與淀粉的粘結作用得到增強，近而抗拉強度增大.但隨著濾水率的進一步增大，甘油等增塑劑與水分結合的可能性減小，使得斷裂伸長率減小，水分的大量損失使得纖維未得到充分舒展，纖維與淀粉間的粘結作用不充分，從而導致抗拉強度降低.

圖6 濾水率對薄膜力學性能的影響

2.6 溶膠溫度對漿料粘度的影響

漿料的溶膠溫度對原料凝膠性有影響，所以需要研究溶膠溫度對漿料粘度的影響規(guī)律.為此，保持最佳配方參數不變，工藝參數為在打漿度為28 °SR；濾水率為30%；卡拉膠/魔芋粉攪拌時間為30 min；淀粉攪拌時間為20 min；失水率為82%；漿料混合時間4 min；選取不同漿料溶膠溫度為：50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃,按照章節(jié)1.3.1的實驗方法制備薄膜.漿料的溶膠溫度對漿料粘度性能的影響如圖7所示.

隨著溶膠溫度的升高，粘度變化呈先增大后減小.這是因為在較低的溶膠溫度下，淀粉尚未糊化，分子間結合力較小，漿液不均勻，粘度較低，成膜性較差；隨著溶膠溫度繼續(xù)上升，分子之間氫鍵作用加強，分子之間聯系緊密，粘度逐漸增大，但過大的粘度會使薄膜變厚.實驗表明，漿料粘度在2 400～2 700 MPa·s時潑膜均勻，流動性適中，粘度適中，薄膜厚度均勻.對于過高的溶膠溫度下制備薄膜，多糖大分子在高溫攪拌下部分降解，使粘度下降[22].為此選擇70 ℃～75 ℃較為合適.

圖7 漿料混合溫度對漿料粘度的影響

2.7 正交試驗結果分析

正交試驗表如表3所示.由表3可知，失水率B因素對實驗結果的影響最大.對實驗結果影響的主次順序為B>A>E>C>D，即實驗參數影響程度主次順序依次為失水率、打漿度、漿料混合時間、溶膠時間、濾水率.最佳工藝條件為：A3B1C3D3E2，即芹菜原漿打漿度為40 °SR、失水率81.5%、溶膠時間25 min、濾水率40%、漿料混合時間6 min.

表3 工藝L16正交實驗設計及結果

由于最佳工藝參數的選取沒有在正交試驗中出現過，故需進行驗證性試驗確定最優(yōu)工藝參數的選取.

驗證實驗結果如表4所示，該組試驗在最佳工藝下，抗拉強度為6.54 MPa，斷裂伸長率為29.21%.力學性能比單因素實驗以及其他正交試驗結果更好，達到期望預期效果.這與正交試驗中最優(yōu)的第九組相比性能更優(yōu)，其原因是與正交第九組試驗相比，驗證實驗的濾水率更低，水分與配方中甘油等吸水性增塑劑結合，使得薄膜的力學性能增大.

表4 驗證實驗結果

3 結論

通過單因素實驗可得，最佳成型工藝參數為：芹菜原漿打漿度為40 °SR、失水率81.5%、溶膠時間25 min、濾水率45%、漿料混合時間6 min時，薄膜在各自單因素實驗中具有較高的力學性能.

通過正交試驗可得，失水率對實驗結果的影響最大，最佳工藝在芹菜原漿打漿度為40 °SR、失水率81.5%、溶膠時間25 min、濾水率40%、漿料混合時間6 min時的抗拉強度為6.54 MPa，斷裂伸長率為29.21%.制備時，此工藝下成型潑模均勻穩(wěn)定，制備出的致密性好，基本無裂紋孔隙產生，揭模質量最佳，這也為芹菜作為可食用包裝膜原料提供數據支撐.