響應(yīng)面法優(yōu)化水溶性淀粉可食膜的制備及性能

酈丹妮，吳依莎，戚湖濤，陳夢(mèng)飛，陳銀瀅，余作龍，饒桂維，丁 炎

(1.浙江樹人大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310015； 2.湖州市泗安鎮(zhèn)公共安全監(jiān)督管理中心，浙江 湖州 313113)

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平及觀念的差異，塑料類包裝垃圾日益增長(zhǎng)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的威脅越來(lái)越大。傳統(tǒng)包裝材料因石油煉制而成具有諸多弊端，如資源有限、不易降解回收、破壞環(huán)境等，因此，以生物基材料制成的可降解可食用包裝成為了食品包裝領(lǐng)域的新研究熱點(diǎn)。

淀粉作為天然高分子物質(zhì)，具有來(lái)源豐富、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)糊化后可干燥成膜，是一種理想的可食性包裝材料[1-2]。但天然淀粉在性能上存在不足，如不溶于冷水、糊化液穩(wěn)定性差、易老化等，限制了其應(yīng)用范圍，所以淀粉在工業(yè)中使用可先理化改性，增強(qiáng)其水溶性[3-4]。水溶性淀粉既能夠保持原淀粉的顆粒狀態(tài)，又能直接溶于冷水，形成高度分散的均勻糊液，糊液光澤度和黏彈性好，具有良好的增稠、保水、保型和乳化作用以及良好的耐高溫及凍融穩(wěn)定性[5]。因此，使用水溶性淀粉，可減少工業(yè)產(chǎn)能，提高生產(chǎn)效率，減小淀粉顆粒之間的微觀間隙和促進(jìn)氫鍵的形成，使制備的可食膜具有透明度、機(jī)械性能良好等優(yōu)點(diǎn)，改善了普通淀粉膜的阻濕性差、易干裂等缺點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

TA.XT plus型物性儀，北京微訊超技儀器技術(shù)有限公司；07HWS-2型數(shù)顯恒溫磁力攪拌器、JHS-2/90型恒速數(shù)顯攪拌機(jī)，杭州儀表電機(jī)有限公司；MB45型鹵素水分儀，奧豪斯儀器(上海)有限公司；MCR102型流變儀，奧地利安東帕(中國(guó))有限公司；BGZ-140型烘箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；Bruker紅外光譜儀，德國(guó)布魯克光譜儀器公司；JC2000D3型接觸角測(cè)量?jī)x，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司。

水溶性淀粉，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；明膠、海藻酸鈉，山東精協(xié)海洋科技發(fā)展有限公司；甘油，浙江杭州雙林化工試劑廠；聚乙二醇，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司。以上試劑均為食品級(jí)。

1.2 方法

1.2.1 可食膜的制備

稱取水溶性淀粉4.0 g，加入一定量的明膠、海藻酸鈉，50 mL水充分溶解后待用，滴入一定量的聚乙二醇、甘油，將混合液于85 ℃恒溫水浴，200 r/min轉(zhuǎn)速攪拌，30 min后于塑料板上流延制膜，在50 ℃條件下干燥后揭膜，密封保存。

1.2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

探究膜配方組成及物料特性對(duì)膜性能的影響，通過(guò)采用單因素實(shí)驗(yàn)確定試驗(yàn)因素的取值范圍。固定水溶性淀粉4.0 g、以明膠、海藻酸鈉、甘油或聚乙二醇其中一種為變量，其他物質(zhì)定量，為1.0 g，比較不同變量對(duì)水溶性淀粉可食膜抗拉強(qiáng)度的影響。

1.2.3 響應(yīng)面分析試驗(yàn)

響應(yīng)面法是一種綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模的優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)具有代表性的局部各點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，回歸擬合全局范圍內(nèi)因素與結(jié)果間的函數(shù)關(guān)系，并且取得各因素最優(yōu)水平值[6]。這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。

1.2.3.1 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)研究，確定對(duì)水溶性淀粉可食膜性能影響較大的主要有4個(gè)因素：A(明膠)、B(海藻酸鈉)、C(聚乙二醇)以及D(甘油)，(均以水溶性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，%)。以抗拉強(qiáng)度(Ts)為響應(yīng)值，采用四因素三水平共29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，優(yōu)化可食膜制備條件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見表1。

表1 中心復(fù)合旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.2.3.2 數(shù)據(jù)處理及分析

以可食膜的抗拉強(qiáng)度為響應(yīng)值，經(jīng)回歸擬合后，各試驗(yàn)因子對(duì)響應(yīng)值的影響可以用函數(shù)表示，利用Design-Expert 11.0軟件中的多元線性回歸分析程序，擬合二階多項(xiàng)式方程見式(1)。

(1)

式中：Y為預(yù)測(cè)值;b0為常數(shù)項(xiàng);bi為線性系數(shù)項(xiàng);bii為二次項(xiàng)系數(shù);bij為交互作用項(xiàng)系數(shù)。

對(duì)回歸方程的系數(shù)進(jìn)行顯著性比較，研究明膠、海藻酸鈉、聚乙二醇和甘油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水溶性淀粉可食膜抗拉強(qiáng)度的影響。再利用Design-Expert 11.0將獲得的二階多項(xiàng)式方程轉(zhuǎn)化為響應(yīng)曲面，進(jìn)一步分析試驗(yàn)因素及水平對(duì)響應(yīng)值的影響。

1.2.4 力學(xué)性能測(cè)定

參照文獻(xiàn)[7]，將樣品裁成10 cm×0.5 cm的長(zhǎng)條，用物性儀測(cè)定膜的抗拉強(qiáng)度(Ts)和斷裂延伸率(E)，每組測(cè)垂直方向橫縱各3條，共6個(gè)平行樣，計(jì)算平均Ts與E。標(biāo)距為50 mm，試樣速度為100 mm/min。

1.2.5 糊化特性測(cè)定

將膜液倒入流變儀中，在流變儀上裝ST24-2D/2V/2V-30轉(zhuǎn)子，準(zhǔn)確稱取一定量的淀粉，加入100 mL蒸餾水制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的淀粉糊，將其加入回轉(zhuǎn)杯，參照文獻(xiàn)[8-9]進(jìn)行測(cè)定。

1.2.6 水蒸氣透過(guò)系數(shù)的測(cè)定

透濕率即在規(guī)定的溫度、相對(duì)濕度環(huán)境中，在單位壓差、單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)單位面積和一定厚度膜的水蒸氣量。根據(jù)塑料薄膜及片材透水蒸氣實(shí)驗(yàn)方法的原理和步驟，采用文獻(xiàn)[10]擬杯子法，具體方法：在25 ℃條件下，于稱量瓶中放入無(wú)水CaCl2，CaCl2使用前應(yīng)粉碎，使其粒度為2 mm，并在200 ℃條件干燥2 h，冷卻，然后稱取一定量的CaCl2于稱量瓶中。選平整、均勻、無(wú)孔洞、無(wú)皺褶的膜，測(cè)量其厚度后，用熔化的石蠟將其封于口上，然后放入相對(duì)濕度為100%的干燥器中，測(cè)量溫度為25 ℃，每隔24 h后取出稱質(zhì)量，連續(xù)測(cè)量一周。每一組做至少3個(gè)平行試驗(yàn)，結(jié)果以每組的算術(shù)平均值表示，具體計(jì)算見式(2)。

透水系數(shù)(WVP)=Δmd/(AtΔP)

(2)

式中：WVP為透水系數(shù)，g·mm/(m2·d·kPa)；Δm為穩(wěn)定的質(zhì)量增量，g；d為膜的厚度，mm；A為有效測(cè)定面積，m2；t為測(cè)量時(shí)間間隔，d；ΔP為試樣兩側(cè)的水蒸氣壓差，kPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)及其分析

2.1.1 明膠對(duì)膜性能的影響

圖1 明膠用量對(duì)水溶性淀粉可食膜力學(xué)性能的影響Fig.1 Effects of gelatin concentration on mechanical properties of cold-water-soluble starch edible film

考察明膠對(duì)膜性能的影響，結(jié)果見圖1。由圖1可知：明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～20%時(shí)，E隨著其在可食膜中濃度的增大先增大后逐漸減?。划?dāng)明膠濃度在25%時(shí)突增至最大值，為64.25%，之后又呈下降趨勢(shì)；而可食膜的Ts在明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～25%時(shí)，隨著明膠濃度的增大而減小，在明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)達(dá)到最小值，為14.43 MPa。因?yàn)樯倭棵髂z充當(dāng)了塑化劑的功能，軟化了膜的剛性結(jié)構(gòu)。而淀粉中添加適量的明膠有助于提高膜的Ts，由于明膠與淀粉之間的分子交互作用力增大[11]；而隨著明膠濃度的繼續(xù)增加，Ts逐漸增大，而E減小，因?yàn)槊髂z的添加量過(guò)大，導(dǎo)致明膠的理化性質(zhì)影響大于主料水溶性淀粉的理化性質(zhì)，使明膠的凝膠性和乳化性成為了主導(dǎo)因素，因此選擇明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%。

2.1.2 海藻酸鈉對(duì)膜性能的影響

考察海藻酸鈉對(duì)膜性能的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知：可食膜的E在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時(shí)隨著海藻酸鈉用量的增大而增大，當(dāng)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)達(dá)到最大值，為96.09%，之后呈下降趨勢(shì)；Ts隨著海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加總體呈上升趨勢(shì)，但海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%時(shí)，有一小段下降區(qū)間?？赡茉蚴前被Ⅳ然纬蓺滏I，有利于分子間鏈的伸展，對(duì)力學(xué)性能有一定的影響。當(dāng)海藻酸鈉用量較低時(shí)，可食膜單位體積內(nèi)分子數(shù)量減小，成膜時(shí)大分子鏈間的相互作用力越弱，膜的強(qiáng)度就會(huì)越小，由于水溶性淀粉的分子量較小，會(huì)使海藻酸鈉的增稠作用減弱；當(dāng)海藻酸鈉用量較高時(shí)，海藻酸鈉與大分子間產(chǎn)生強(qiáng)烈的氫鍵締合作用，形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，良好的相容性增強(qiáng)了膜的骨架，使膜的Ts提高[12]。綜合考慮，選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%為海藻酸鈉的最佳用量。

圖2 海藻酸鈉用量對(duì)水溶性淀粉 可食膜力學(xué)性能的影響Fig.2 Effects of sodium alginate concentration on mechanical properties of cold-water-soluble starch edible film

2.1.3 聚乙二醇對(duì)膜性能的影響

考察聚乙二醇對(duì)膜性能的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知：E在聚乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于25%時(shí)，隨聚乙二醇濃度的增大而增大，在聚乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，可食膜的E為最大值，為33.47%；當(dāng)聚乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，隨著添加量增加呈下降趨勢(shì)；Ts的變化呈不規(guī)則變化，在聚乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)達(dá)到最大值為91.89 MPa，之后呈下降趨勢(shì)，并在聚乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，降至45.43 MPa。主要由于低濃度的聚乙二醇促進(jìn)水溶性淀粉與明膠之間形成氫鍵，在一定程度上使可食膜的Ts和E增加。但是隨著聚乙二醇濃度增大，會(huì)產(chǎn)生一定的空間阻礙作用，抑制了大分子鏈的移動(dòng)和聚合物鏈間的相互作用，使高分子鏈間的作用力減弱，抑制了導(dǎo)致Ts和E下降[13]。綜合比較，聚乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%時(shí)，膜的性能最佳。

圖3 聚乙二醇用量對(duì)水溶性淀粉 可食膜力學(xué)性能的影響Fig.3 Effects of polyethylene glycol concentration on mechanical properties of cold-water-soluble starch edible film

圖4 甘油用量對(duì)水溶性淀粉可食膜力學(xué)性能的影響Fig.4 Effects of glycerol concentrations on mechanical properties of cold-water-soluble starch edible film

2.1.4 甘油對(duì)膜性能的影響

考察甘油對(duì)膜性能的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知：E在甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%之前隨著甘油濃度的增加而增大，在甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)達(dá)到最大值68.77%，之后呈下降趨勢(shì)；Ts在甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%之前，隨著甘油用量的增加而增大，在15%時(shí)達(dá)到最大值35.76 MPa，之后呈下降趨勢(shì)。因?yàn)殡S著甘油用量的增加，甘油分子與淀粉分子之間相互作用的面積增加，加大了甘油對(duì)淀粉分子間作用力的削弱程度。同時(shí)，小分子甘油滲透到淀粉顆粒內(nèi)部，使甘油的羥基與淀粉分子鏈上的羥基形成了新的氫鍵，從而降低了淀粉分子間強(qiáng)的氫鍵相互作用力，使膜的Ts降低[14]。綜上所述，選擇15%為最佳甘油用量。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)分析結(jié)果

在上述單因素(明膠、海藻酸鈉、聚乙二醇、甘油)試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行組合試驗(yàn)(Box-Behnken)，研究不同條件對(duì)可溶性淀粉可食膜Ts的影響，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳制模條件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果見表2。29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分為兩類：一是析因點(diǎn)，自變量取值在A、B、C、D所構(gòu)成的三維頂點(diǎn)，共有24個(gè)析因點(diǎn)；二是零點(diǎn)，為區(qū)域中心點(diǎn)，零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)5 次，用來(lái)估計(jì)試驗(yàn)誤差。

表2 水溶性淀粉(Ts)回歸模型方差分析

以可食膜Ts為響應(yīng)值，經(jīng)回歸擬合后，各試驗(yàn)因子對(duì)響應(yīng)值的影響可以用下列式(3)表示。

Ts=41.33-0.96A+26.54B-0.88C-4.58D-21.43AB-11.09AC-2.16AD-5.94BC+1.07BD-2.39CD-3.97A2+7.8B2-6.27C2-18.44D2

(3)

進(jìn)一步對(duì)回歸方程分析，其系數(shù)顯著性結(jié)果見表4。由表4可知，各實(shí)驗(yàn)因素對(duì)可食膜的Ts影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，回歸方程中一次相B、D對(duì)可食膜的Ts影響極為顯著(P<0.01)，交互項(xiàng)BC、二次項(xiàng)C2對(duì)膜的Ts影響顯著(P<0.05)，而其余項(xiàng)對(duì)膜的影響并不顯著。相關(guān)系數(shù)R2=0.7533，表明75% 的數(shù)據(jù)可用這個(gè)方程解釋。影響可食膜Ts的因素主次是甘油>海藻酸鈉>聚乙二醇>明膠。此模型的P<0.01，表明響應(yīng)面回歸模型達(dá)到極為顯著水平。

2.3 優(yōu)化參數(shù)的驗(yàn)證

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件的最優(yōu)化分析，在該模型預(yù)測(cè)條件下，按最優(yōu)工藝明膠0.2 g、海藻酸鈉1.2 g、聚乙二醇0.88 g、甘油0.67 g做3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得實(shí)際Ts值為93.48 MPa，與模型的預(yù)測(cè)值94.88 MPa較為接近，進(jìn)一步說(shuō)明此回歸模型的擬合程度較好，可見該模型能較好地預(yù)測(cè)四個(gè)單因素對(duì)可食膜Ts的影響情況。

2.4 糊化特性

圖5 水溶性淀粉的糊化特性Fig.5 Gelatinization characteristics of cold-water-soluble starch

圖5為最佳配方下的水溶性淀粉的糊化曲線圖。由圖5可知，黏度隨溫度的升高迅速增大，當(dāng)達(dá)到峰值黏度為3.01×10-1Pa·s時(shí)，黏度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢下降，當(dāng)溫度下降時(shí)黏度繼續(xù)增大，最終黏度為4.39×10-1Pa·s，高于峰值黏度。其他主要糊化特征值為：回升值1.63×10-1Pa·s、衰減值2.57×10-2Pa·s、起始糊化溫度為67.1 ℃。糊化溫度因直鏈淀粉含量、結(jié)晶度和支鏈淀粉結(jié)構(gòu)等的不同而存在差異。一般來(lái)說(shuō),直鏈含量高、結(jié)晶度高、支鏈的外鏈較長(zhǎng)的淀粉晶體結(jié)構(gòu)緊密，晶體熔解所需熱量大，導(dǎo)致糊化溫度較高[15]。當(dāng)溫度高于糊化溫度時(shí)，晶體崩解，淀粉顆粒開始溶脹，黏度突然升高，并逐漸達(dá)到峰值黏度。通常直鏈淀粉是以緊密的雙螺旋結(jié)構(gòu)存在于淀粉顆粒中，而支鏈淀粉主要是其外鏈通過(guò)微晶束形成淀粉的骨架，晶體結(jié)構(gòu)較為松弛，易被水解[15]。

2.5 膜的水分透過(guò)率

對(duì)最佳配方下的水溶性淀粉可食膜進(jìn)行阻隔水蒸氣實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖6。由圖6可知：制得的可食膜在濕度接近為100%的環(huán)境濕度條件下的水蒸氣透過(guò)率和水蒸氣透過(guò)系數(shù)都較小，水分透過(guò)速率為45.93 g/(m2·h)，水分透過(guò)系數(shù)為59.55 g·mm/(m2·d·kPa)，主要原因是水溶性淀粉之間存在較多氫鍵，分子鏈中游離羥基數(shù)量較少，在水溶性淀粉與輔料結(jié)合成膜時(shí)，表面分子鏈中極性基團(tuán)分布比本體低，表面疏水層形成；另外聚乙二醇有較好的吸濕性。此可食膜具有較強(qiáng)的吸濕性，有效阻止水分通過(guò)膜體，說(shuō)明此可食膜具有較好的阻濕性能，適合高水分物質(zhì)的保存。

圖6 水分透水速率和水分透過(guò)系數(shù)Fig.6 Water permeability rate and water permeability coefficient

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)、響應(yīng)面法試驗(yàn)得出，該組分下的水溶性淀粉可食膜最佳配方：水溶性淀粉4.0 g，明膠0.2 g，海藻酸鈉1.2 g，聚乙二醇0.88 g，甘油0.67 g。此配方下的可食膜測(cè)得實(shí)際Ts為93.48 MPa，與響應(yīng)面法試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)值(94.87 MPa)相接近，回歸模型的擬合程度較好，模型預(yù)測(cè)較真實(shí)。糊化特性檢測(cè)發(fā)現(xiàn)水溶性淀粉擁有較高的回

升值，屬于易反生淀粉品種。在最佳配方條件下的可食膜擁有較好的阻濕性。