可食膠粘劑制備工藝的優(yōu)化

姚瑞玲

（四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 都江堰 611830）

市場(chǎng)上常見的食用膠有明膠、卡拉膠、黃原膠、瓜爾豆膠、海藻酸鈉、糯米膠、魚鰾膠等，這些食用膠在某些食品生產(chǎn)和包裝中起到膠粘劑的作用，但由于黏度低、耐水性差、固化速度慢、拉伸強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)等原因，它們更多時(shí)候是作為增稠劑使用的[1-6]。上述食用膠中，只有魚鰾膠具有較大的黏度，能夠很好地起到膠粘劑的作用，但是魚鰾膠是一種昂貴的中藥[7]，僅作為膠粘劑使用不僅性價(jià)比差，還浪費(fèi)藥物資源。在兒童食品、兒童用品包裝、兒童玩具粘合等產(chǎn)業(yè)中，可食膠粘劑具有廣闊的市場(chǎng)前景，然而市場(chǎng)中仍未出現(xiàn)可食用的膠粘劑商品，因此開發(fā)高性能可食膠粘劑成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。糯米粉中的淀粉以支鏈淀粉為主，具有不易聚沉、抗剪切力強(qiáng)的特征[8]；魔芋粉經(jīng)糊化交聯(lián)后，可提升其粘合力與穩(wěn)定性[9]；在膠粘劑中加入適量的干酪素可以提高膠粘劑的流動(dòng)性和耐水性[10]。鑒于以上材料特征，本試驗(yàn)以糯米粉、魔芋粉、干酪素為試材，制備高性能的可食膠粘劑，以期為相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

糯米粉、魔芋粉為自制。糯米粉制備方法：將淘洗過(guò)的糯米用蒸餾水浸泡2 h，瀝干水分，放入真空冷凍干燥機(jī)干燥后進(jìn)行超微粉粹；魔芋粉制備方法：將魔芋切成2mm厚的薄片，淘洗過(guò)后用蒸餾水浸泡30min，瀝干水分，放入真空冷凍干燥機(jī)干燥后進(jìn)行超微粉粹；糯米粉和魔芋粉粉碎后過(guò)200目網(wǎng)篩，所得細(xì)粉即為糯米粉和魔芋粉。

干酪素（化學(xué)純），天津光復(fù)精細(xì)化工研究所產(chǎn)品。

1.1.2 儀器與設(shè)備

LGJ-FD型真空冷凍干燥機(jī)，河南兄弟儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；ST-528型超微粉碎機(jī)，江蘇賽特電器有限公司產(chǎn)品；HH-4型恒溫水浴鍋，邦西儀器科技有限公司產(chǎn)品；NDJ-5S/8S型單圓筒旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，廣州鐫恒儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；BSM-220型電子天平，上海卓精電子科技有限公司產(chǎn)品；MS-H-ProT型磁力攪拌器，大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；2425C型拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，廈門群隆儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 方法

1.2.1 膠粘劑的制備

準(zhǔn)確稱取定量的糯米粉、魔芋粉加入500 mL沸騰蒸餾水中，于95℃水浴中糊化20 min。干酪素按照設(shè)定比例加入到糊化后的淀粉乳中，在80℃條件下恒溫?cái)嚢瑁厰嚢柽呎趄v多余水分，直至混合物可以拉絲。此混合物為所得膠黏劑。

1.2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)膠黏劑的制備方法，分別調(diào)整糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、6%、10%、14%、18%、22%（魔芋粉和干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定為10%和5%），魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、6%、10%、14%、18%、22%（糯米粉和干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定為10%和5%）和干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%、5%、6%（糯米粉和魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)均固定為10%）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定單因素對(duì)膠黏劑性能指標(biāo)的影響。

1.2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)三個(gè)自變量分別標(biāo)記為A、B、C，自變量的因素水平用-1、0、1進(jìn)行編碼，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的因素和水平（表1）。

表1 正交試驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Factor levels and coding of the orthogonal test

1.2.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.4.1 黏度

參照GB/T 2794—2013《膠黏劑黏度的測(cè)定》[11]進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4.2 拉伸強(qiáng)度

參照GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的測(cè)定》[12]以10 cm/min的拉伸速率檢測(cè)膠膜的拉伸強(qiáng)度。

1.2.4.3 固化速度檢測(cè)

參照GB/T 14074—2006《木材膠粘劑及其樹脂檢驗(yàn)方法》[13]進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4.4 耐水性

參照文獻(xiàn)[14]略作修改。稱取干燥至恒重的等量膠粘劑，質(zhì)量記為m1，浸泡于自制蒸餾水中6 h，取出瀝干表面水分，稱重并記質(zhì)量為m2，通過(guò)式（1）計(jì)算吸水率。

1.2.5 性能指標(biāo)綜合分計(jì)算及數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)中可食膠粘劑主要性能指標(biāo)（黏度、拉伸強(qiáng)度、固化速度、吸水率）的總分由主成分分析法結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)來(lái)確定。主成分分析法在降維的過(guò)程中，保留原始數(shù)據(jù)信息的同時(shí)將數(shù)據(jù)從高維度降到低維度，最后根據(jù)方差貢獻(xiàn)率確定各項(xiàng)性能指標(biāo)的權(quán)重[15]。在實(shí)際應(yīng)用中，利用主成分分析法可以化繁為簡(jiǎn)，將相互影響的性能指標(biāo)參數(shù)用降維后的綜合指標(biāo)代替。本文通過(guò)SPSS22軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，以確定可食膠粘劑各綜合指標(biāo)權(quán)重。

應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法[16]將可食膠粘劑的4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行模糊交換，從而獲得各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度。模糊函數(shù)隸屬度按公式（2）、（3）計(jì)算。在制備過(guò)程中，黏度、拉伸強(qiáng)度為正效應(yīng)，其值越大越好，因此按（2）式進(jìn)行計(jì)算。固化速度影響施膠效率，一般情況下固化時(shí)間越短效率越高，膠粘劑的耐水性取決于吸水率大小，較小的吸水率具有更好的耐水性，因此固化時(shí)間和吸水率也為負(fù)效應(yīng)，其隸屬度均按照公式（3）計(jì)算。

式中：P為隸屬度，Ai、Amin、Amax分別為指標(biāo)值、指標(biāo)最小值和指標(biāo)最大值。

獲得可食膠粘劑各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重及隸屬度后，將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入公式（4）計(jì)算綜合分：

式中：S為膠黏劑性能指標(biāo)總分；P1為黏度隸屬度；P2為拉伸強(qiáng)度隸屬度；P3為固化速度隸屬度；P4為吸水率隸屬度。a為黏度權(quán)重；b為拉伸強(qiáng)度權(quán)重；c為固化速度權(quán)重；d為吸水率權(quán)重。

應(yīng)用Excel 2013進(jìn)行單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用Design-Expert V8.0.6.1軟件進(jìn)行多元回歸擬合和響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)可食膠粘劑性能指標(biāo)的影響

由圖1可知，隨著糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，可食膠粘劑黏度先升高后降低，但糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、14%、18%時(shí)，黏度變化的差異并不顯著。10%、14%的糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)均可使可食膠粘劑獲得較好的黏度和拉伸強(qiáng)度。固化速度先迅速降低后保持平穩(wěn)，固化速度是影響施膠效率的主要因素，品質(zhì)優(yōu)秀的膠粘劑一般具有較快的固化速度[17]。當(dāng)糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，固化速度最快。無(wú)論糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為多少，可食膠粘劑的吸水率都處于高水平狀態(tài)，說(shuō)明可食膠粘劑的防水性能并不好，這是因?yàn)閮H把淀粉糊化后作為膠水使用時(shí)，它的粘接力度和耐水性都比較差，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步改性以優(yōu)化品質(zhì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇10%的糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最優(yōu)條件進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)可食膠粘劑性能指標(biāo)的影響

由圖2可知，魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)可食膠粘劑4項(xiàng)性能指標(biāo)的影響與糯米粉相似，這是由于糯米粉和魔芋粉中大部分的淀粉是相同的，具有同樣的理化性質(zhì)，兩者對(duì)可食膠粘劑性能影響的差異主要是由小部分不同類型的淀粉決定的[18-19]。根據(jù)圖2顯示的結(jié)果，選擇10%的魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最優(yōu)條件進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.3 干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)可食膠粘劑性能指標(biāo)的影響

由圖3可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，可食膠粘劑的黏度、拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，而固化所需時(shí)間和吸水率呈先下降后穩(wěn)定的趨勢(shì)。5%、6%的干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)黏度、拉伸強(qiáng)度、吸水率三項(xiàng)指標(biāo)的影響差異并不顯著，干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%時(shí)，固化速度更快。結(jié)合成本因素，5%的干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)是最優(yōu)條件，后續(xù)試驗(yàn)以此比例為基礎(chǔ)。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 指標(biāo)隸屬度及權(quán)重確定

將實(shí)際測(cè)定值應(yīng)用公式（2）、（3）進(jìn)行模糊轉(zhuǎn)換，即可得到可食膠粘劑4項(xiàng)性能指標(biāo)綜合評(píng)判的隸屬度模糊矩陣，結(jié)果如表2所示。

將表2中的18組模糊矩陣數(shù)值應(yīng)用SPSS 22進(jìn)行主成分分析，所得方差貢獻(xiàn)率為各個(gè)主成分的權(quán)重（表3）。相關(guān)系數(shù)為四項(xiàng)性能指標(biāo)模糊矩陣X1、X2、X3、X4轉(zhuǎn)換后對(duì)各主成分的貢獻(xiàn)率。所得數(shù)據(jù)帶入式（4）計(jì)算可食膠粘劑總分。

表2 單因素試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和模糊矩陣Table 2 Test data and fuzzy matrix of the single factor experiment

表3 主成分分析結(jié)果Table 3 Results of the principal component analysis

2.2.2 回歸方差的建立及方差分析

以性能指標(biāo)總分為響應(yīng)值，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)和干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)進(jìn)行3因素3水平的Box-Behnken試驗(yàn)，共計(jì)17組試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果如表4所示。

應(yīng)用Design-Expert V8.0.6.1軟件對(duì)表4中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到可食膠粘劑總分對(duì)糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的二次多項(xiàng)回歸模型方程：

表4 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 4 Box-Behnken test design and results

表5 回歸模型方差分析Table 5 Variance analysis of the regression mode

式中：Y為可食膠粘劑的總分，A、B、C分別為糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)所建立的模型進(jìn)行方差分析并檢驗(yàn)其顯著性，結(jié)果如表5 所示。由表 5 可知，A、AC、A2、C2對(duì)可食膠粘劑總分的影響達(dá)到極顯著（P＜0.01），BC的影響為顯著水平（P＜0.05）。由二次多項(xiàng)回歸模型可知，A為正顯著，AC、BC、A2、C2呈負(fù)顯著。綜合分對(duì)3個(gè)考察因素的敏感程度依次為：A糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞B魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞C干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。模型中二次項(xiàng)系數(shù)以負(fù)值為主，表明該模型拋物面開口向下，有極大值點(diǎn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ突貧w方程P＜0.000 1，說(shuō)明回歸方程極顯著，失擬項(xiàng)P=0.241 9，模型失擬度不顯著。模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相關(guān)系數(shù)R2=0.983 5，說(shuō)明模型具有較好的預(yù)測(cè)性，響應(yīng)值與自變量具有顯著的線性關(guān)系[20]。模型校正決定系數(shù)R2adj=0.962 4，說(shuō)明96.24%響應(yīng)值的變化均可用該模型解釋[21]。變異系數(shù)僅為3.76%，處于較低水平，說(shuō)明試驗(yàn)具有較好的重復(fù)性，模型具有較高的可信度[22]。

2.2.3 響應(yīng)面分析

利用Design-Expert V8.0.6.1軟件可獲得回歸模型及相應(yīng)的響應(yīng)面圖。回歸模型可以預(yù)測(cè)可食膠粘劑的最佳工藝條件，響應(yīng)面圖（圖4）能夠直觀地反映各因素交互作用對(duì)可食膠粘劑綜合分的影響。

由圖4A可知，沿著魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng)面比較平坦，幾乎沒(méi)有坡度，說(shuō)明糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，改變魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)可食膠粘劑總分的影響較小[23]；魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨著糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，可食膠粘劑總分先緩慢增大后緩慢下降。因此，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，可以獲得評(píng)分最高的可食膠粘劑，沿著糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，等高線更加密集，說(shuō)明糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同對(duì)可食膠粘劑總分有較大的影響[24]。由圖4B可知，由糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)形成的等高線呈橢圓形，說(shuō)明兩者具有顯著的交互作用[25]。響應(yīng)面圖顯示，當(dāng)糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，提高干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠迅速改善可食膠粘劑的性能，提高其總分；當(dāng)糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，高壓線密集程度降低，說(shuō)明干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同對(duì)可食膠粘劑總分的影響減弱。由圖4C可知，無(wú)論濃度高低，當(dāng)干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定時(shí)，魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改變引起的響應(yīng)面波動(dòng)都很小，說(shuō)明魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)可食膠粘劑總分影響較小，可食膠粘劑總分在干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%附近可以獲得極大值。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)線性回歸得到各因素對(duì)響應(yīng)值的二次回歸方程，由方程分析獲得可食膠粘劑的最佳工藝配比為：糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%，魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%，此時(shí)可食膠粘劑總分預(yù)測(cè)值為1.00。在此條件下，進(jìn)行5次平行試驗(yàn)，實(shí)測(cè)可食膠粘劑總分平均為0.984 5，與預(yù)測(cè)值非常接近，預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的對(duì)比充分說(shuō)明本方法可以用少量試驗(yàn)預(yù)測(cè)各因素之間的交互作用以及交互作用對(duì)產(chǎn)品性能的影響，所建模型可用于優(yōu)化該可食膠粘劑的制備工藝。

3 結(jié)論

為獲得材料易得、工藝簡(jiǎn)單、制備方便、質(zhì)量?jī)?yōu)良的可食膠粘劑，本文在單因素基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面法優(yōu)化可食膠粘劑制備工藝，得到最佳制備條件為：糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%，魔芋粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，干酪素質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%。此條件下，可制得性能總分為0.984 5的可食膠粘劑，所得膠粘劑綜合評(píng)分與預(yù)測(cè)值僅相差1.55%，說(shuō)明優(yōu)化工藝是可行的。