響應面優化魔芋葡甘聚糖膜力學性能研究

陳文平，江貴林，汪 超,2,*，陳士勇，呂文平，姜發堂,2

(1.湖北工業大學生物工程學院，湖北 武漢 430068；2.武漢力誠生物科技有限公司，湖北 武漢 430074)

響應面優化魔芋葡甘聚糖膜力學性能研究

陳文平1，江貴林1，汪 超1,2,*，陳士勇1，呂文平1，姜發堂1,2

(1.湖北工業大學生物工程學院，湖北 武漢 430068；2.武漢力誠生物科技有限公司，湖北 武漢 430074)

水相中溶致魔芋葡甘聚糖(KGM)流延干燥成膜，分析膜的力學特性。篩選并確定KGM質量濃度、制備溫度、制備時間、靜置時間、干燥溫度5個因素的中心組合試驗設計，以拉伸強度為考察指標，采用響應面優化KGM膜的制備工藝。結果表明：5個因素對膜的拉伸強度均有顯著影響，依次為KGM質量濃度＞制備溫度＞靜置時間＞干燥溫度＞制備時間，且最優條件為2.19g/100mL KGM、60.0℃攪拌190min、靜置156min、51.1℃干燥。制備的膜表面平整光滑，拉伸強度最佳，耐水性較好。

魔芋葡甘聚糖；拉伸強度；響應面分析

Abstract：To achieve optimal mechanical properties of konjac glucomannan (KGM) film prepared by the solution casting method, Plackett-Burman factorial design was used to select the most important ones affecting KGM film tensile strength out of 7 technological parameters and subsequently, the optimal values of selected parameters, namely KGM concentration (X1),stirring time (X2), heating temperature (X3), standing time (X5) and drying temperature (X7), for improved KGM film tensile strength were investigated using response surface analysis based on a 5-variable, 3-level central composite design leading to 46 experiments.Results showed that the above selected parameters all had significant effects on KGM film tensile strength in the decreasing order: X1＞ X3＞ X2＞ X7＞ X5and their optimal values were as follows: KGM concentration 2.19 g/100 mL, heating temperature 60.0 ℃ for 190 min stirring, standing time 156 min and drying temperature 51.1 ℃. The KGM film obtained under such conditions exhibited a smooth regular surface, an optimal tensile strength and good water resistance.

Key words：konjac glucomannan；tensile strength；response surface analysis

魔芋為天南星科魔芋屬的多年生宿莖草本植物，魔芋粉的主要成分魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是天然水溶性膳食纖維，由β-1,4糖苷鍵連接的D-吡喃葡萄糖和D-吡喃甘露糖組成[1]，具有優良的束水性、膠凝性、增稠性、黏結性、可逆性、懸浮性、成膜性、賦味性[2]等多種特性，具有潤腸通便，降血壓，提高免疫力[3]等優點，同時，特殊宗教信仰和素食飲食原則使得仿生食品[4]中有著極大的開發市場。KGM在適當處理后會形成可食性和自然降解的優良膜材料，未經改性的KGM的成膜性因其溶解度低，溶膠穩定性差，使膜的均勻性差，拉伸強度弱，膜的應用受到限制。需加堿、酸[5]或酸酐等化學試劑對KGM進行改性[6-7]來改善KGM基材耐水、耐酸、耐熱性能。傳統工藝增加了制備工序，易造成污染，且口感苦澀，不易為社會接受。本研究嘗試對不進行任何化學改性的KGM熱溶致干燥成膜，制備具有較強拉伸強度的耐水性魔芋基材，分析其性能，并探討其在仿生食品中的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋精粉(花魔芋，特級) 湖北星宇魔芋產業發展有限公司。

GZX-9030MBE電熱恒溫鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司；EUROSTAR懸臂式攪拌器 德國IKA公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；TMSPRO質構儀 美國FTC公司。

1.2 方法

1.2.1 KGM膜的制備

參照Li等[8]的方法制備KGM。準確稱取KGM于100mL蒸餾水中，在設定溫度條件下，用攪拌器在設定的時間內攪拌使之充分溶脹。取出后在一定溫度的恒溫恒濕箱中靜置一定時間，在設定干燥溫度下干燥成膜，于干燥器中貯存。

1.2.2 膜的性能指標測試

質構分析：采用質構分析儀，參考ISO 6239—1986(E)[9]標準測試膜的拉伸強度(σ)，速度為5mm/min，重復5次取平均值。

耐水性測定：將2cm×2cm膜浸入沸水煮沸30min[10]后小心取出膜片，用濾紙吸去表面水分，稱其質量，重復此操作直至恒定質量，以吸水倍數來評價該性能。

2 結果與分析

2.1 KGM膜制備影響因素的篩選

表1 Plackett-Burman試驗因素與水平Table 1 Variables and levels in Plackett-Burman factorial design

表2 Plackett-Burman試驗設計與結果Table 2 Plackett-Burman factorial design matrix and corresponding experimental values of KGM film tensile strength

根據KGM膜的制備工藝，表1列舉了7個影響因素編號及水平，并列出了Plackett-Burman設計的膜(表2)，進行制備試驗，每組3次平行取其平均值。

以拉伸強度為評價指標，用SPSS軟件進行方差分析(表3)，結果表明制備濃度、制備溫度、制備時間、靜置時間、干燥溫度對拉伸強度均有顯著性，固定非顯著性因素的最佳工藝條件，著重考察顯著性因素的制備條件。

2.2 響應面分析

2.2.1 中心組合(central composite design，CCD)試驗設計

表4 試驗因素水平表Table 4 Variables and levels in CCD

以上述制備濃度、制備溫度、制備時間、靜置時間、干燥溫度5個因素為自變量，以拉伸強度為因變量進行響應面優化試驗，因素水平設計見表4，結果見表5。

表3 試驗結果方差分析表Table 3 Analysis of variance for KGM film tensile strength with 7 technological parameters

表5 膜制備試驗設計和結果Table 5 CCD matrix and corresponding experimental values of KGM film tensile strength

2.2.2 顯著性檢驗及模型建立

由表6可見，模型相關系數R2＝0.9491，校正決定系數R2Adj＝0.9084，表明該模型擬合程度較好，可根據此模型分析和預測膜的拉伸強度；P＜0.0001，表明模型方程極顯著。模型一次項X1、X3極顯著，X5、X7顯著；二次項極顯著，交互項 X1X5、X5X7極顯著，X3X5顯著。

SAS軟件拉伸強度回歸分析，得到拉伸強度的二次多項回歸模型方程：

2.2.3 響應面分析與優化

圖1 Y=f(X1, X2)的響應面圖Fig.1 Response surface plot of Y = f (X1, X2)

圖2 Y=f(X1, X3)的響應面圖Fig.2 Response surface plot of Y = f (X1, X3)

圖3 Y=f(X1, X5)的響應面圖Fig.3 Response surface plot of Y = f (X1, X5)

圖4 Y=f(X1, X7)的響應面圖Fig.4 Response surface plot of Y = f (X1, X7)

圖5 Y=f(X2, X3)的響應面圖Fig.5 Response surface plot of Y = f (X2, X3)

圖6 Y=f(X2, X5)的響應面圖Fig.6 Response surface plot of Y = f (X2, X5)

圖7 Y=f(X2, X7)的響應面圖Fig.7 Response surface plot of Y = f (X2, X7)

表6 回歸方程系數顯著性檢驗Table 6 Significance test for each regression coefficient of fitted regression model

圖8 Y=f(X3, X5)的響應面圖Fig.8 Response surface plot of Y = f (X3, X5)

圖9 Y=f(X3, X7)的響應面圖Fig.9 Response surface plot of Y = f (X3, X7)

圖10 Y=f(X5, X7)的響應面圖Fig.10 Response surface plot of Y = f (X5, X7)

模型響應面及等高線圖解見圖1～10，固定3個因素的最優條件，建立其余兩個因素與響應值關系的三維坐標圖，直觀的反映出各因素對響應值的影響關系：響應面曲線陡峭則交互作用明顯，曲線平緩交互作用較弱；等高線中圖形越圓交互作用越弱，反之則越強。圖10中曲線最陡，等高線最扁，其次是圖3，再次是圖8，其他圖中曲面都較平緩，等高線均趨于圓形顯示出干燥溫度與靜置時間的交互作用＞KGM質量濃度與靜置時間的交互作用＞制備溫度與靜置時間的交互作用，其他因素之間的交互作用可以忽略不計，與表6中的F值和P值檢驗的結果分析一致，說明以上交互作用中KGM質量濃度、干燥溫度、制備溫度與靜置時間是KGM膜中拉伸強度的限制因素。

單因素和交互影響，以及二次多項回歸模型方程被確定后，對方程逐步回歸，得KGM膜最優制備工藝：KGM質量濃度2.19g/100mL、攪拌時間190min、攪拌溫度60.0℃、靜置時間156min、干燥溫度51.1℃，預測膜的拉伸強度為106.91N。

2.2.4 驗證實驗

為進一步驗證模型準確性和有效性，在最優條件下制備KGM纖維化膜并進行拉伸實驗，重復6次，結果分別為110.83、116.64、82.98、110.74、112.48、90.82N，平均拉伸強度則為104.08N，與預測值負偏差2.65%，可見該模型能較好地預測KGM膜的拉伸強度。

2.3 耐水性測定

最優化膜經沸水30min后，未溶解且呈完整形態，略有卷曲，吸水倍數為1.2783，而表5中最差的1號膜在水中浸泡一段時間后膜吸水溶脹，失去力學強度，最后分散于水中。進一步論證了優化后，高濃度膜具有較強的耐水耐高溫的特性，是其優良力學性能的體現。

3 結 論

采用溶致KGM流延干燥成膜，篩選并確定了制備KGM膜的主要因素，作用依次為KGM質量濃度＞制備溫度＞靜置時間＞干燥溫度＞制備時間，干燥溫度與靜置時間的交互作用＞KGM質量濃度與靜置時間的交互作用＞制備溫度與靜置時間的交互作用。響應面分析并驗證KGM膜拉伸強度的模型方程，優化得膜最佳制備工藝：2.19g/100mL KGM，60.0℃攪拌190min，靜置156min，51.1℃干燥，膜最大拉伸強度為104.08N，吸水倍數1.2783。本研究采用提高KGM溶膠質量濃度和優化工藝制備了具有拉伸強度和耐水性的薄膜，避免了制備KGM耐水膜所用堿等化學試劑的污染，其深層次的機理尚待進一步研究。

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Response Surface Analysis for Optimization of Mechanical Properties of Konjac Glucomannan Film

CHEN Wen-ping1，JIANG Gui-lin1，WANG Chao1,2,*，CHEN Shi-yong1，LWen-ping1，JIANG Fa-tang1,2
(1. School of Biological Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China；2. Wuhan Licheng Biotechnology Co. Ltd., Wuhan 430074, China)

S377；TS201.1

A

1002-6630(2010)10-0095-05

2009-07-31

2007年度湖北省教育廳青年人才項目(20063036)；武漢市科技局晨光計劃項目(20065004116-52)

陳文平(1984—)，女，碩士研究生，研究方向為食品與天然產物化學。E-mail：chenwenping_sp@163.com

*通信作者：汪超(1978—)，男，副教授，博士，研究方向為食品與天然產物化學。E-mail：wangchao5412@163.com