響應曲面法優化骨膠蛋白可食膜合成工藝

屠蘭英 趙啟文 馬應梅

摘要：在單因素試驗的基礎上，以抗拉強度為評價指標，采用Box-Behnken設計原理，分析了骨膠含量、a-膠含量、甘油含量和淀粉含量對抗拉強度的影響，建立了相應的預測模型。結果表明，最佳優化工藝的骨膠含量為13.45 g、淀粉含量為11.37 g、a-膠含量為2.43 g、甘油含量為 4.13 mL，可食復合膜的抗拉強度達到 22.074 3 MPa，表明響應曲面法所優化出的合成工藝具有科學性。

關鍵詞：可食性蛋白膜；響應曲面法；合成

中圖分類號：TS206.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）14-3497-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.042

Optimization of Synthesis of Edible Collagen Protein Film by

Response Surface Methodology

TU Lan-ying， ZHAO Qi-wen， MA Ying-mei

（School of Chemical Engineering， Qinghai Universty， Xining 810016，Qinghai， China）

Abstract： Based on the single factor tests， the effects of collagen protein， a-colloid， glycerin， starch on tensile strength（TS） were designed using Box-Behnken to assess the TS.A prediction model was established. The optimal synthesis conditions were collagen protein 13.45 g， starch 11.37 g， a-colloid 2.43 g， glycerin 4.13 ml，and the edible collagen protein film TS was 22.0743 MPa.It was generally indicated that the response surface method was scientific.

Key words： edible collagen protein film； response surface methodology； synthesis

隨著環保意識的增強以及對食品品質要求的提高，人們對食品包裝也提出了更高的要求，可降解包裝材料以及天然無毒可食性包裝材料逐漸成為食品包裝材料領域研究的熱點[1]。可食膜是以天然可食材料為原料，添加一定量的增塑劑等，通過共混等方式制備的包裝材料，具有良好的機械性能和阻隔性能，能夠用于食品包裝，主要通過阻隔水汽和溶質等地遷移來保證食品的質量，從而防止食品腐敗變質、延長食品的貨架期。可食性包裝膜在食品工業中的用途相當廣泛，果蔬保鮮、肉制品和水產品地加工和保鮮，糖果和焙烤食品地加工和保藏，以及方便和快餐食品的包裝等[2-9]。目前，國內外在可食膜方面研究主要集中在小麥面筋蛋白、大豆分離蛋白、玉米醇溶蛋白、乳清蛋白、馬鈴薯淀粉基、玉米淀粉基、木薯淀粉基、殼聚糖基等上， 以膠基蛋白為原料的生物復合可食膜的研究較少。因此，膠基蛋白生物復合可食膜研究將是一個新型的研究領域。膠基蛋白生物復合可食膜不僅營養豐富，具備優良的阻氧性、阻油性，而且節約了用于食品內包裝膜的糧食資源，充分利用了肉類工業中的廢棄物生產的膠基蛋白，原料成本低、經濟效益好。響應曲面法（Response Surface Methodology，RSM）是一種多元分析方法，廣泛應用于食品、化工等領域的物質配方、工藝條件等優化研究[10-12]。響應曲面分析通過建立二次多項式模型擬合因素與響應值之間的函數關系來研究各因素之間相互作用以及因素對響應值的影響，從而進行優化和評價[13-15]。本研究以抗拉強度為評價指標，分析了骨膠含量、a-膠含量、甘油含量和淀粉含量對抗拉強度的影響，采用響應曲面的Box-Behnken設計試驗，建立了連續變量曲面模型，確定了最佳的優化工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

骨膠蛋白：食品級，青海明膠股份有限公司；a-膠：食品級，鄭州優然食品化工有限公司；淀粉：食品級，青海三江薯業有限公司；丙三醇：化學純，煙臺市雙雙化工有限公司；SP-80：萊陽市雙雙化工有限公司；TW-80：萊陽市雙雙化工有限公司；其他試劑均為分析純。

YJ-P型鋪膜機：青海益潔生物工程有限公司；智能人工氣候箱：浙江托普儀器有限公司；HHS-4S型電子恒溫不銹鋼水浴：上海光地儀器設備有限公司；WE-300型萬能材料測試儀：長春試驗機廠；FA2104S型電子天平：北京金科利達電子科技有限公司；KH-1000KDE型超聲波儀：西安中諾儀器有限公司。

1.2 試驗方法

溶液調配→熱處理→加入交聯劑、表面改性劑等→溶解、反應→過濾→增稠→真空脫氣→涂布→烘干→分切→收卷→包裝制樣→性能測試。

1.2.1 單因素試驗 按照制備可食膜的方法，進行單因素試驗。淀粉的加入量分別為5、6、8、10、15、20 g；骨膠加入量分別為5、10、15、20、25、30 g；a-膠加入量分別為1.5、2.0、2.5、3.0 g；甘油的加入量分別為1、2、3、4、5、6 mL。

1.2.2 響應曲面法優化試驗 根據Box-Behnken設計原理，選取淀粉、骨膠、甘油、a-膠的加入量為自變量，抗拉強度為響應值，設計了4因素3水平共29個試驗點的響應曲面試驗，因素與水平見表1。

1.3 數據處理

利用軟件 Design-Expert 8.05b對試驗結果進行分析，擬合二次多項式方程并繪制響應曲面圖，確定最佳合成工藝條件。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 淀粉對膜性能的影響 加入淀粉的量分別為5、6、8、10、15、20 g，制備可食膜并對其力學性能進行測試，結果見圖1。由圖1可知，隨著淀粉含量的增加，膜的抗拉強度先增大后減小，這是因為淀粉屬于部分結晶的天然高聚物，具有較強的凝沉性能，分子具有抗潤漲性，淀粉分子在凝結沉淀的過程中呈三維空間分布，與骨膠相互作用形成立體網狀剛性結構，其抗拉強度增加，但較高濃度時，淀粉糊精快速凝沉后分子還來不及排列結成束狀結構而相互結合成凝膠體，其抗拉強度反而降低。

2.1.2 骨膠對膜性能的影響 加入骨膠的量分別為5、10、15、20、25、30、35 g，制備可食膜并對其力學性能進行測試，結果見圖2。由圖2可知，隨著骨膠加入量的增加，膜的抗拉強度先增大后趨于平緩，在骨膠含量為15 g左右時，膜的抗拉強度最大。這主要是因為骨膠是天然鏈狀大分子結構，與多糖間相互作用形成立體網狀剛性結構，增加其機械性能，骨膠含量的增加，分子間的相互作用力增強，這樣骨膠膜的抗拉強度會增大，但達到極值后將不再改變。因此，綜合考慮，骨膠加入量為10～15 g時較為合適。

2.1.3 增稠劑a-膠對膜性能的影響 加入增稠劑a-膠的量分別為1.5、2.0、2.5、3.0 g，制備可食膜并對其力學性能進行測試，結果見圖3。由圖3可知，增稠劑a-膠的量對膜的抗拉強度影響不明顯。

2.1.4 增塑劑甘油對膜性能的影響 增塑劑可以改善膜的柔韌性和膜的機械強度。一般而言，未添加增塑劑時膜脆性很大，延伸性較差。使用甘油作為增塑劑主要是用來改善膜的延伸性和減少膜的脆性，但甘油的使用也會帶來其他一些不利的影響，因此需要選擇適宜的用量[16，17]。試驗加入增塑劑甘油的量分別1、2、3、4、5、6 mL，制備可食膜并對其力學性能進行測試，結果見圖4。由圖4可知，隨著甘油含量的增加，膜的抗拉強度呈現先增大后減小的趨勢，這是因為骨膠是由分子間的連接構成的三維網絡結構，由于甘油分子內含有大量羥基，因而具有良好的親水性，同時這些羥基能和骨膠分子形成鏈間氫鍵。適當的增塑劑可用于改善淀粉膜的抗拉強度、斷裂伸長率等機械性能，但過量的增塑劑降低了可食用膜分子鏈之間的締合能力和鄰近聚合鏈間的相互作用，因此剛性結構遭到破壞，呈現減小趨勢。

2.2 響應曲面優化試驗結果

2.2.1 方差分析結果 在單因素試驗的基礎上，以抗拉強度為響應值，運用Box-Behnken響應曲面法設計4因素3水平試驗，結果見表2及表3。由表3可以看出，失擬檢驗差異不顯著，說明未控制因素對試驗結果干擾很小，擬合不足被否定；R2=0.997 1，說明該方程與實際情況擬合良好，試驗誤差小，正確反映了淀粉含量、骨膠含量、甘油添加量、a-膠含量與抗拉強度的關系。

將所得試驗數據采用Design-Expert 8.05b進行多元回歸擬合，得到了以淀粉、骨膠、a-膠、甘油與抗拉強度之間的多元回歸方程：

Y=22.00-0.38A-0.41B+1.39C-0.030AB+0.13AD-0.18AC-1.93BD+1.52BC-0.31CD-4.26A2-2.67B2-3.03C2-2.23D2，各因子對可食膜抗拉強度的影響順序為：甘油>骨膠>淀粉>a-膠。除a-膠外，其余3因素的二次項對可食膜的抗拉強度有顯著影響。

2.2.2 因素間的交互作用 根據回歸方程利用 Design-Expert 8.05b 軟件作不同因子的響應面分析圖和等高線圖，研究淀粉、骨膠、甘油、a-膠4個關鍵因子及其交互作用對可食膜的抗拉強度的影響（圖5至圖10）。由圖5可以看出，當體系甘油和a-膠含量分別為4 mL和2.5 g時，淀粉與骨膠添加量對膜抗拉強度的交互作用顯著。由圖6可以看出，當體系骨膠和a-膠含量分別為15 g和2.5 g時，淀粉與甘油添加量對膜抗拉強度的交互作用顯著。由圖7可以看出，當體系甘油和骨膠含量分別為4 mL和15 g時，淀粉與a-膠添加量對膜抗拉強度的交互作用顯著。由圖8可以看出，當體系淀粉和a-膠含量分別為11.5 g和2.5 g時，甘油與骨膠添加量對膜抗拉強度的交互作用顯著。由圖9可以看出，當體系甘油和淀粉含量分別為4 mL和11.5 g時，a-膠與骨膠添加量對膜抗拉強度的交互作用顯著。由圖10可以看出，當體系淀粉和骨膠含量分別為11.5 g和15 g時，a-膠與甘油添加量對膜抗拉強度的交互作用顯著。通過對所得數據進行分析和處理，以最大抗拉強度為目標確定試驗最優值，最終分析得出4個因素和抗拉強度的最優值分別為淀粉含量11.37 g、骨膠含量13.45 g、甘油含量4.13 mL、a-膠含量2.43 g，抗拉強度為22.074 3 MPa。在上述優化條件下共進行3次驗證試驗，得出可食膜的抗拉強度為（22.074 3±0.05）MPa與預測值22.074 3 MPa非常接近，說明該回歸模型所優化得到的合成工藝是可行的。

3 小結

通過單因素試驗、響應曲面優化試驗，以抗拉強度為評價指標，采用Box-Behnken設計原理，建立了預測模型，模型的R2=0.997 1；同時優化出最佳合成工藝為骨膠含量為13.45 g、淀粉含量為11.37 g、a-膠含量為2.43 g、甘油含量為 4.13 mL，可食復合膜的抗拉強度達到 22.0743 MPa，優化出的工藝條件合理、可行。

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