響應面法優化阿魏酸淀粉酯膜制備工藝

陳金鳳，文 玉，趙國華，2，*（.西南大學食品科學學院，重慶　40075；2.重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶　40075）

響應面法優化阿魏酸淀粉酯膜制備工藝

陳金鳳1，文 玉1，趙國華1，2，*
（1.西南大學食品科學學院，重慶400715；2.重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶400715）

采用單因素試驗和響應面法考察阿魏酸淀粉酯取代度、干燥溫度和甘油添加量對阿魏酸淀粉酯膜抗張強度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率的影響。結果表明：隨著取代度的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐漸增大，斷裂伸長率逐漸減小；當干燥溫度不大于60 ℃時，阿魏酸淀粉酯膜的TS隨著溫度的升高略微增大，當溫度升高到60 ℃以上時，TS顯著降低（P＜0.05），阿魏酸淀粉酯膜的斷裂伸長率隨著溫度的升高顯著降低（P＜0.05）；隨著甘油添加量的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐漸減小，斷裂伸長率逐漸增大。綜合考慮各因素對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響，在取代度0.068、干燥溫度40 ℃、甘油添加量1.20 g/4.0 g條件下制備阿魏酸淀粉酯膜，膜的TS較高，為10.23 MPa；在取代度0.023、干燥溫度41 ℃、甘油添加量1.30 g/4.0 g條件下制膜，膜的斷裂伸長率較高，為321.65%。關鍵詞：阿魏酸淀粉酯膜；響應面法；抗張強度；斷裂伸長率

近年來，使用天然生物材料制備可食性薄膜成為研究的熱點［1-3］，淀粉基可食薄膜被認為是最具發展前景的生物包裝材料之一［4-5］。但是原淀粉薄膜機械性能和阻隔性能較差［6-7］，且淀粉具有結晶化特征，易使薄膜變脆，這使原淀粉在應用上受到很大的限制［8］。研究發現，利用一定的方法使淀粉在化學結構上發生變化，或者改變淀粉分子大小和淀粉顆粒的性質［9-10］，制備變性淀粉薄膜能夠改善膜的機械性能。阿魏酸是植物組織中普遍存在的酚酸衍生物［11］，安全無毒［12］，價格低廉［13］。其分子具有酚羥基和羧基，可以與淀粉反應制備酯化淀粉薄膜。

陳達佳等［14］研究阿魏酸對膠原蛋白-殼聚糖復合膜性能影響時，發現添加阿魏酸能夠增強復合薄膜的機械性能。Mathew等［15］發現在淀粉-殼聚糖復合膜中添加阿魏酸能夠大大改善其阻隔性能，但阿魏酸濃度過高時，出現了相分離的現象，膜的斷裂伸長率降低。Ou Shiyi等［16］研究阿魏酸改善大豆蛋白可食膜機械性能時，也發現類似的相分離的現象，導致膜的抗張強度（tensile strength，TS）降低。所以，解決向淀粉糊中直接添加抗氧化劑制備抗氧化性淀粉膜時常見的相分離等問題，以改善薄膜機械性能還很有研究的必要。本實驗旨在將阿魏酸淀粉酯制備成具有抗氧化性的可食薄膜，研究阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響因素，以期為新型食品包裝膜的工業化生產提供一定的參考依據。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

玉米淀粉重慶佳仙食品有限公司；異丙醇（分析純）、二甲基亞砜（色譜純）成都科龍化工試劑廠；阿魏酸（標準品）湖北遠成共創科技有限公司；N，N'-羰基二咪唑（N，N'-carbonyldiimidazole，CDI，試劑級）凱信化學工業有限公司。

1.2儀器與設備

DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱、HWS-24 數顯恒溫水浴鍋上海齊欣科學儀器有限公司；CT3質構儀美國BrookField公司；BS233S電子天平北京賽多利斯儀器有限公司；D2004W電動攪拌器上海司樂儀器有限公司；有機玻璃板重慶吉美達有機玻璃制品有限公司。

1.3方法

1.3.1阿魏酸淀粉酯的制備［17］

稱取等物質的量（6.17 mmol）的阿魏酸1.119 g 和CDI 1.001 g，再加入20 mL的二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）攪拌均勻后轉移至50 mL的三口圓底燒瓶中并連接機械攪拌桿（300 r/min）進行攪拌，油浴60 ℃條件下反應15 h，合成阿魏酸咪唑化合物。然后，準確稱取玉米淀粉1.0 g，加入一定比例的阿魏酸咪唑化合物，阿魏酸咪唑化合物（添加量）分別為：DS-1（5 mL）、DS-2（10 mL）、DS-3（15 mL）。在高速分散機（1.5×104r/min）作用下分散均勻后置于三口圓底燒瓶中并用磁力攪拌機均勻攪拌，油浴加熱至一定溫度，反應一段時間后，停止攪拌終止反應。向得到的反應物中加入2 倍體積的異丙醇，不斷攪拌得到黏稠沉淀，離心，沉淀物用異丙醇反復洗滌2 次后，加入DMSO使其充分溶解后轉移至透析袋（截留相對分子質量8 000～14 000）中，用DMSO透析24 h，得到的樣品再次用異丙醇沉淀、洗滌后溶解在純水中，流水透析24 h，靜水透析24 h，濃縮，真空冷凍干燥，得到不同取代度的淡黃色粉末狀阿魏酸淀粉酯。

1.3.2阿魏酸淀粉酯膜的制備

稱取2.0 g原淀粉與2.0 g不同取代度的阿魏酸淀粉酯的混合物，配制質量分數為4%的淀粉乳，90 ℃條件下恒溫攪拌30 min使其糊化，加入一定量的甘油繼續攪拌20 min，脫氣后傾倒至自制有機玻璃模具中，置于烘箱中50 ℃條件下干燥12 h，然后在室溫條件下回濕，揭膜，置于25 ℃、相對濕度50%條件下保存備用。

1.3.2.1取代度對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響

固定甘油添加量1.25 g/4.0 g、干燥成膜溫度50 ℃，改變阿魏酸淀粉酯的取代度（DS-1（0.015）、DS-2 （0.032）、DS-3（0.068）），研究取代度對膜機械性能的影響。其他條件為：淀粉乳質量分數4%、恒溫攪拌過程中轉速180 r/min。

1.3.2.2干燥溫度對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響

固定阿魏酸淀粉酯取代度DS-2（0.032）、甘油添加量1.25 g/4.0 g，改變干燥成膜溫度（40、50、60、70、80 ℃），研究干燥溫度對膜機械性能的影響。其他條件為：淀粉乳質量分數4%、恒溫攪拌過程中轉速180 r/min。

1.3.2.3甘油添加量對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響

固定阿魏酸淀粉酯取代度DS-2（0.032）、干燥成膜溫度50 ℃，改變甘油添加量（1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35、1.40 g/4.0 g），研究甘油添加量對膜機械性能的影響。其他條件為：淀粉乳質量分數4%、恒溫攪拌過程中轉速180 r/min。

1.3.3阿魏酸淀粉酯膜機械性能的測定

根據ASTM D 882-01Annual Book of ASTM Standards［18］方法測定阿魏酸淀粉酯膜的機械性能，將樣品膜裁剪成尺寸為60 mm×25 mm的長條，在相對濕度為75%的條件下保存24 h，使用質構儀對樣品進行測量。初始夾距設為50 mm，拉伸速率為1 mm/s。測定5 個樣品，每個樣品重復測定3 次，按式（1）、（2）計算TS和斷裂伸長率，取平均值。

式中：TS為抗張強度/MPa；F為膜所受拉力/N；S為膜的初始橫截面積/mm2；E為斷裂伸長率/%；L0為試樣原始標線間距離/mm；L為膜斷裂時至標線間距離/mm。

1.4數據分析

運用SPSS 19.0和Design-Expert 8.1進行數據分析，運用Tukey's HSD進行方差分析（P＜0.05為顯著差異），數據以±s表示。

2　結果與分析

2.1取代度對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響由表1可以看出，隨著取代度的增加，阿魏酸淀粉酯膜的TS呈逐漸增大的趨勢，在取代度為0.068時TS達到最大。相反，阿魏酸淀粉酯膜的E值隨著取代度的增大而逐漸減小。經過改性后，阿魏酸淀粉酯膜的TS增大可能是因為阿魏酸淀粉酯與淀粉之間發生了交聯作用，形成更為緊密的網狀結構，從而使形成的膜更為致密，強度更大［15，19］。E值的變化趨勢與TS相反，是由于取代度提高時，阿魏酸淀粉酯分子鏈鏈段運動能力變弱，分子整鏈的位移困難，黏度高，導致分子鏈的柔性變差，所以形成的膜柔軟性降低，E值隨之減小。

表1　取代度對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響TTaabbllee 11 　EEffffeecctt ooff ddeeggrreeee ooff ssuubbssttiittuuttiioonn oonn mmeecchhaanniiccaall pprrooppeerrttiieess ooff starch ferulate fi lmmss

2.2干燥溫度對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響

表2　干燥溫度對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響TTaabbllee 22 　EEffffeecctt ooff ddrryyiinngg tteemmppeerraattuurree oonn mmeecchhaanniiccaall pprrooppeerrttiieess ooff starch ferulate fi lmmss

由表2可以看出，干燥溫度由40 ℃上升至50 ℃時阿魏酸淀粉酯膜的TS顯著增大，這是因為40 ℃時，膜的干燥速率過慢，而50 ℃時，干燥速率適中，使得淀粉酯膜中的水分蒸發適中，從而更利于淀粉有序網絡結構的形成，使得膜的機械性能更好。50 ℃和60 ℃烘干的膜之間沒有顯著差異，但當溫度升高到60 ℃以上時，TS隨著溫度升高顯著降低（P＜0.05）。從阿魏酸淀粉酯膜的表觀也可觀察到，80 ℃條件下烘干的膜含水量少，脆硬，并且容易碎裂，不易測量且不適宜用作食品膜。這是由于低于60 ℃干燥時，水分蒸發速率慢，淀粉分子鏈在水分子的塑化作用下具有較好活動性，在比較長的時間里能夠充分伸展、位移和調向，使得阿魏酸淀粉酯膜中的大分子相互靠近，趨于有序的排列，從而形成連續緊密的空間網絡結構，表現為阿魏酸淀粉酯膜的TS增大［20］。但干燥溫度也不宜過低，否則會造成干燥時間過長，增加能耗。然而，進一步升高溫度會縮短成膜時間，溫度過高會導致阿魏酸淀粉酯膜內的大分子之間以及大分子與甘油之間還未形成定向有序的網絡結構便已沉積下來，從而導致阿魏酸淀粉酯膜的TS顯著下降。這說明適宜的干燥溫度能保證水分的蒸發速度適中，使得淀粉酯形成有序而致密的網絡結構，賦予阿魏酸淀粉酯膜良好的TS。隨著溫度的升高，阿魏酸淀粉酯膜的E值顯著降低，但50 ℃和60 ℃時相差不大，這是由于低溫使干燥時間變長，膜中水分含量高，分子鏈的活動性大，有利于分子間有序致密的網絡結構的形成，而溫度大于70 ℃時，干燥速率過快，甘油與大分子之間的氫鍵、大分子

之間的網絡結構尚未完全形成就已經沉積，導致阿魏酸淀粉酯膜的E值顯著下降（P＜0.05）。因此，綜合考慮，阿魏酸淀粉酯膜的干燥溫度不宜選的過高或過低。

2.3甘油添加量對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響

表3　甘油添加量對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響TTaabbllee 33 　EEffffeecctt ooff ggllyycceerriinn ccoonntteenntt oonn mmeecchhaanniiccaall pprrooppeerrttiieess ooff ssttaarrcchh ferulate fi llmmss

由表3可知，隨著甘油添加量的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐漸下降，可能是因為在糊化過程中，甘油能夠滲透到阿魏酸淀粉酯分子鏈之間，增大淀粉酯分子鏈之間的距離，進而增大了鏈的活動性，同時使膜的柔韌性和延展性增大。甘油是分子質量較小的親水性分子，其極性基團與成膜材料分子相互作用，破壞了膜中原有大分子鏈的有序排列和堆積結構，削弱了分子間的作用力，從而降低阿魏酸淀粉酯膜的TS。甘油本身具有吸濕性，它的加入使阿魏酸淀粉酯膜的含水量增大，減弱淀粉內部的鍵合作用。這些作用共同導致阿魏酸淀粉酯膜的TS降低。Gontard等［21］研究甘油對小麥蛋白膜的影響時發現，甘油能夠降低小麥蛋白膜的TS，增大其E值。Yan Qianqian等［22］在研究甘油對玉米淀粉薄膜機械性能影響時得出了相似的結果。此外，隨著甘油添加量的增加，阿魏酸淀粉酯膜的E值逐漸增大，這是由于甘油與阿魏酸淀粉酯分子之間的相互作用，削弱了淀粉分子間或阿魏酸分子間的相互作用力，從而有利于在外力作用下阿魏酸淀粉酯分子鏈之間的重排，進而使阿魏酸淀粉酯膜的柔韌性增大。Alves等［23］發現木薯淀粉膜的力學性能受甘油含量的影響較大，隨著甘油含量的增加，木薯淀粉膜的E值增大，TS降低。Myll?rinena等［24］研究了甘油添加量對直鏈和支鏈淀粉膜性能的影響，發現甘油添加量超過20%的直鏈淀粉膜的E值顯著增大，但支鏈淀粉膜則相對較脆柔韌性較差。

2.4響應面優化阿魏酸淀粉酯膜的機械性能

2.4.1響應面試驗設計與結果

采用Box-Behnken試驗設計，以單因素試驗結果為基礎，進行三因素三水平的響應面分析試驗，考察取代度（X1）、干燥溫度（X2）和甘油添加量（X3）對阿魏酸淀粉酯膜機械性能的影響，結果見表4。

表 4 TTSS和　E值的Box-Behnkenn試驗結果TTaabbllee 44 　RReessuullttss ooff BBooxx--BBeehhnnkkeenn eexxppeerriimmeennttaall ddeessiiggnn ffoorr tteennssiillee strength and elongation at break

對表中數據進行多元回歸擬合，建立TS的二次響應回歸方程：

Y1=8.404 89+0.951 67X1+0.039 167X2－1.208 61X3－0.436 67XX－1.184 44XX+0.490 56XX－1.066 61X2－

1223131

0.322 72X2－1.054 94X2

23

建立E值的二次響應回歸方程：

表 5 TTSS和　E值的二次響應模型方差分析Taabbllee 55 　AAnnaallyyssiiss ooff vvaarriiaannccee （AANNOOVVAA） ffoorr rreessppoonnssee ssuurrffaaccee qquuaaddrraattiicc mmooddeellss ooff tteennssiillee ssttrreennggtthh aanndd eelloonnggaattiioonn aatt bbrreeaakk

由表5可知，TS的回歸方程中一次項X1、X3，交互項X2X3，二次項X12、X32對阿魏酸淀粉酯膜的TS影響極顯著（P＜0.01），交互項X1X3對膜的TS影響顯著（P＜0.05），而X2、X1X2、X22對膜的TS影響并不顯著，影響阿魏酸淀粉酯膜TS的各因素大小排序為：甘油添加量＞取代度＞干燥溫度。從表5還可以看出，各試驗因素對阿魏酸淀粉酯膜的E值的影響不是簡單的線性關系，其中，二次項X12、X32對膜的E值影響極顯著（P＜0.01），一次項X2、X3和交互項X2X3對膜的E值影響顯著（P＜0.05），而X1、X1X2、X1X3、X22對膜的E值的影響并不顯著，影響阿魏酸淀粉酯膜E值的各因素大小排序為：甘油添加量＞干燥溫度＞取代度。

2.4.2阿魏酸淀粉酯膜機械性能的響應面分析

圖 1　取代度、干燥溫度和甘油添加量交互作用對TS影響的響應面圖Fig.1　Response surface plots showing the interactive effects of degree of substitution， drying temperature and glycerin content on tensile strength

由圖1a可知，干燥溫度一定時，隨著取代度的增加，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐漸增大。這是由于阿魏酸淀粉酯分子間形成的網狀結構更為致密。而取代度一定時，干燥溫度對阿魏酸淀粉酯膜的TS影響不大。由圖1b可知，取代度與甘油添加量的交互作用顯著。當取代度一定時，隨著甘油添加量的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS先增大后減小，當固定甘油添加量時，TS隨著取代度的增大而增大。由圖1c可以看出，當固定甘油添加量時，干燥溫度對阿魏酸淀粉酯膜的TS基本沒有影響，固定干燥溫度，隨著甘油添加量的增加阿魏酸淀粉酯膜的TS降低。綜合圖1，在較低甘油添加量和較高取代度條件下阿魏酸淀粉酯膜的TS較高。這是由于低質量濃度的甘油加入后，滲入到淀粉酯的分子鏈間，甘油上的羥基與淀粉酯分子上的羥基形成氫鍵作用，取代了淀粉分子內或分子間的氫鍵，提高了分子鏈的活動性，促進了分子間相對運動，增大了淀粉膜的自由體積，同時玻璃化轉變溫度降低，膜的性能得到改善［25］。

圖 2　取代度、干燥溫度和甘油添加量交互作用對E值影響的響應面圖Fig.2　Response surface plots showing the interactive effects of degree of substitution， drying temperature and glycerin content on elongation at break

由圖2a可知，取代度一定時，阿魏酸淀粉酯膜的E值隨干燥溫度的升高而降低，當干燥溫度大于50 ℃時，E值隨著取代度的增大呈先增大后減小的趨勢。由圖2b可以看出，取代度一定時，阿魏酸淀粉酯膜的E值隨甘油添加量的增大而增大。從圖2c可以看出，干燥溫度與甘油添加量的交互作用顯著，干燥溫度一定時，E值隨甘油添加量的增大而減小，而固定甘油添加量時，E值隨著干燥溫度的升高而降低。綜合圖2，在適中的取代度、較高的甘油添加量（＞1.25 g/4.0 g）、較低的干燥溫度（50 ℃）條件下，阿魏酸淀粉酯膜的E值較高。

綜合考慮取代度、干燥溫度和甘油添加量對阿魏酸淀粉酯膜TS和E值的影響，在取代度0.068、干燥溫度40 ℃、甘油添加量1.20 g/4.0 g條件下制備阿魏酸淀粉酯膜，膜的TS較高，為10.23 MPa；在取代度0.023、干燥溫度41 ℃、甘油添加量1.30 g/4.0 g條件下制備阿魏酸淀粉酯膜，膜的E值較高，為321.65%。

33　結 論

甘油添加量是影響阿魏酸淀粉酯膜機械性能的主要因素。隨著甘油添加量的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐漸減小，E值逐漸增大；反之，隨著取代度的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐漸增大，E值逐漸減小。當干燥溫度不大于60 ℃時，阿魏酸淀粉酯膜的TS隨著溫度的升高略微增大，其中，50 ℃和60 ℃條件下干燥制備的膜之間沒有顯著差異，當溫度升高到60 ℃以上時，TS顯著降低（P＜0.05），阿魏酸淀粉酯膜的E值隨著溫度的升高顯著降低（P＜0.05）。此外，溫度過高會使阿魏酸淀粉酯膜過于脆硬。

綜合考慮取代度、干燥溫度和甘油添加量對阿魏酸淀粉酯膜TS和E值的影響，在取代度0.068、干燥溫度40 ℃、甘油添加量1.20 g/4.0 g條件下制備阿魏酸淀粉酯膜，膜的TS較高，為10.23 MPa；在取代度0.023、干燥溫度41 ℃、甘油添加量1.30 g/4.0 g條件下制備阿魏酸淀粉酯膜，膜的E值較高，為321.65%。

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Process Optimization for Preparation of Starch Ferulate Films by Response Surface Analysis

CHEN Jinfeng1， WEN Yu1， ZHAO Guohua1，2，*
（1. College of Food Science， Southwest University， Chongqing400715， China；2. Chongqing Engineering Research Center of Regional Food， Chongqing400715， China）

The effects of the degree of substitution of starch ferulate， drying temperature and glycerin content on the tensile strength and elongation at break of starch ferulate fi lms were optimized by single factor experiments and response surface analysis. Results showed that tensile strength of starch ferulate fi lms increased and elongation at break of starch ferulate fi lms decreased gradually with increasing degree of substitution. When the drying temperature was lower than 60 ℃， tensile strength of starch ferulate films increased slightly with an increase in temperature while when drying temperature was higher than 60 ℃， both tensile strength and elongation at break of starch ferulate fi lms decreased signifi cantly （P ＜ 0.05）. Tensile strength of starch ferulate films decreased gradually with an increase in glycerin content， whereas elongation at break increased gradually. Based on mechanical properties， the optimal conditions for preparation of starch ferulate fi lms with high tensile strength of 10.23 MPa were determined as 0.068， 40 ℃ and 1.20 g/4.0 g starch for degree of substitution，drying temperature and glycerin content， respectively， while those providing high elongation at break of 321.65% were 0.023，41 ℃ and 1.30 g/4.0 g starch， respectively.

starch ferulate fi lms； response surface analysis； tensile strength； elongation at break

TS231

A

1002-6630（2015）24-0023-06

10.7506/spkx1002-6630-201524004

2015-05-17

國家自然科學基金面上項目（31371737）；重慶市特色食品工程技術研究中心能力提升項目（cstc2014pt-gc8001）

陳金鳳（1993—），女，碩士研究生，研究方向為食品化學與營養學。E-mail：chenjinfeng926@163.com

趙國華（1971—），男，教授，博士，研究方向為食品化學與營養學。E-mail：zhaoguohua1971@163.com