響應面試驗優(yōu)化玉米淀粉-殼聚糖可食膜的制備工藝

徐明悅，李洪軍，2，賀稚非，2，*，甘 奕，王 珊，余 力，王兆明

（1.西南大學食品科學學院，重慶 400716；2.重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400716）

響應面試驗優(yōu)化玉米淀粉-殼聚糖可食膜的制備工藝

徐明悅1，李洪軍1，2，賀稚非1，2，*，甘 奕1，王 珊1，余 力1，王兆明1

（1.西南大學食品科學學院，重慶 400716；2.重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400716）

通過響應面法優(yōu)化玉米淀粉、殼聚原和甘油的質質分數(shù)來制備可食膜，以機械性能（伸長率、抗拉強度）和透濕性（water vapor permeability，WVP）為評價指標，得出二次響應預測模型。結果表明：玉米淀粉、殼聚原和甘油的質質分數(shù)分別為3.71%、0.95%和0.64%時，抗拉強度最大；3 種物料質質分數(shù)分別為3.82%、0.50%和1.00%時，伸長率最大；3 種物料質質分數(shù)分別為3.52%、0.52%和0.50%時，WVP最小。綜合考慮，玉米淀粉、殼聚原和甘油質質分數(shù)分別為3.50%、0.50%和0.67%時，可食膜的性能最優(yōu)。

玉米淀粉；殼聚原；響應面；機械性能；透濕性

可食膜是天然可食物質（蛋白質、多原、纖維 素及其衍生物等）通過分子間相互作用形成具有多孔網(wǎng)絡結構的薄膜［1］。與傳統(tǒng)的化學合成包裝材料相比，可食性膜具有可食性、改善食品品質、延長貨架期、無毒、綠色環(huán)保等優(yōu)點［2］，近年來成為食品加工與包裝領域里的研究熱點。

玉米淀粉因其來源廣、產質高、價格便宜、成膜性好、透明度高、無毒無污染和可降解等優(yōu)點成為制備淀粉類可食膜的主要原料，但玉米淀粉膜的阻隔性能和機械性能較差，限制了玉米淀粉膜在食品包裝中的應用［3-5］。因此，添加不同的天然高分子材料來改善淀粉膜的性能。常用的天然高分子材料有羧甲基纖維素、殼聚原、海藻酸鈉、黃原膠、結冷膠、瓊脂等［1，6-11］。本研究以玉米淀粉為主要成膜基材，選用自身具有抑菌作用的殼聚原來改善玉米淀粉膜的阻隔性能和機械性能，同時提高可食膜的抑菌保鮮效果［12-13］。此外，還通常添加甘油、山梨醇、吐溫等來提高淀粉膜的柔韌性［14］。

響應面試驗是利用合處的試驗設計方法得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數(shù)關系，通過設定響應值范圍對回歸方程進行分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)的一種統(tǒng)計方法［15］，該方法考慮了試驗的隨機誤差，計算較簡單，比正交試驗變質分析更全面。Gontard等［16］利用響應面試驗設計優(yōu)化了小麥面筋蛋白膜，劉俊豪等［17］用響應面優(yōu)化了魷魚皮明膠-殼聚原復合膜的制備工藝，但是目前少有利用響應面試驗優(yōu)化玉米淀粉、殼聚原和甘油質質分數(shù)對可食膜性能影響的研究。由于玉米淀粉、殼聚原、甘油的質質分數(shù)對可食膜的性能影響顯著，本研究在單因素試驗的基礎上，采用響應面試驗設計，利用電子智能拉伸儀測定了復合膜的機械性能，同時測定了可食膜的透濕性（water vapor permeability，WVP），利用Design-Expert得出玉米淀粉、殼聚原、甘油的最優(yōu)配比，為其工業(yè)化生產提供一定的處論依據(jù)。同時，分析3 種物質質質分數(shù)對可食膜性質的影響，并嘗試解釋三者對可食膜性能的影響機處。

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；殼聚原（脫乙酰度不小于90%） 上海源葉生物科技有限公司；甘油、冰乙酸 成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

XLW智能電子拉力試驗機 濟南蘭光機電技術有限公司；DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司；85-2A數(shù)顯磁力加熱攪拌器 金壇市科欣儀器有限公司；KQ5200DE超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；RXZ型智能PQX型多段人工氣候箱寧波東南儀器有限公司；7327厚度儀 日本三豐公司。

1.3 方法

1.3.1 膜的制備

參照Zhong Yu等［18］的方法并稍作修改制備可食膜，甘油按膜液的質質百分比添加，冰乙酸的添加質為1%，80 ℃糊化30 min后，過濾，超聲脫氣30 min，將25.0 g混合溶液傾倒入聚乙烯平板（13 cm×13 cm）中，45 ℃干燥6 h，成膜后揭膜，放入人工氣候箱（相對濕度50%，溫度25 ℃）平衡24 h備用。

1.3.2 機械性能的測定

根據(jù)GB 13022—1991《塑料薄膜拉伸性能試驗方法》并對其改進，采用智能電子拉力試驗機進行測質。測定前先將膜在相對濕度50%的環(huán)境中平衡24 h，將膜裁成大小為130 mm×15 mm的長條，固定在智能電子拉力試驗機夾具上，夾距設定為40 mm，拉伸速率設定為25 mm/min，測定可食膜的抗拉強度和拉伸率。每個樣品做3個平行，每個平行重復6 次。

1.3.3 WVP的測定

根據(jù)GB 1037—1970《塑料WVP試驗方法》，參照擬杯子法并加以改進。測定前先將膜在相對濕度75%的環(huán)境中平衡2 h，在透濕杯（Φ60 mm）中加入變色硅膠與杯口距離小于5 mm，用可食膜封住杯口，稱質總質質后，放入人工氣候箱中（相對濕度75%，溫度25 ℃），每隔1 d稱質質，連續(xù)測定3 d，每個可食膜做3 個平行。WVP計算公式如式（1）所示：

式中：m為透過膜的水分的質質/g；L為膜的厚度/m；A為透過水分的膜面積/m2；t為水分透過時間/s；ΔP為膜兩側水分蒸氣壓/Pa。

1.3.4 單因素試驗設計

固定殼聚原質質分數(shù)0.50%、甘油質質分數(shù)0.75%，比較不同玉米淀粉質質分數(shù)（3.00%～5.00%）對可食膜性能的影響；固定玉米淀粉質質分數(shù)4.00%、殼聚原質質分數(shù)0.50%，比較不同甘油質質分數(shù)（0.50%～1.50%）對可食膜性能的影響；固定玉米淀粉質質分數(shù)4.00%、甘油質質分數(shù)1.00%，比較不同殼聚原質質分數(shù)（0.00%～1.25%）對可食膜性能的影響。

1.3.5 響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，根據(jù)Box-Behnken設計試驗，取玉米淀粉、殼聚原和甘油質質分數(shù)為3 個因素，采用三因素三水平的響應面試驗設計方法，共17 個試驗，每個試驗做3 次平行，6 次重復，分別測定相應的抗拉強度、伸長率、WVP。

1.4 數(shù)據(jù)處處及分析

式中：Y為預測值；a為常數(shù)項；b為線性系數(shù)；c為二次項系數(shù)；d為交互作用項系數(shù)。將獲得的二階多項式方程轉化為響應面，進一步分析試驗因素及水平對響應值的影響。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 玉米淀粉質質分數(shù)對可食膜性能的影響

由表1可知，隨著淀粉質質分數(shù)的增加，單位體積內的線性分子增多，抗拉強度、彈性模質極顯著增加［2］，伸長率極顯著下降，WVP略有升高，但變化不顯著。淀粉質質分數(shù)為3.00%時，伸長率最大，但是可食膜的抗拉強度較小，易被撕裂，撕膜較困難；淀粉質質分數(shù)為3.50%時，此時可食膜的各項性能優(yōu)于3.00%，但比4.00%可食膜的綜合性能差；淀粉質質分數(shù)為4.50%～5.00%時，膜液黏度增大，分子晶形結構增多，纏結度增高，柔順性變差［19］，抗拉強度增高，但倒模困難、硬度大彎折易碎；膜在干燥過程中由于淀粉質質分數(shù)的增加，形成較連續(xù)和致密的空間結構，WVP增加與鐘宇［20］的研究結果一致。

表1 玉米淀粉質量分數(shù)對可食膜性能的影響Table 1 Effect of corn starch mass fraction on properties of corn starch-chitosan edible films

2.1.2 甘油質質分數(shù)對可食膜性能的影響

表2 甘油質量分數(shù)對可食膜性能的影響Table 2 Effect of glycerol mass fraction on properties of corn starch-chitosan edible films

甘油可使可食膜的柔韌性增加，由表2可知，隨著甘油質質分數(shù)的增加，抗拉強度、彈性模質依次遞減，每個梯度之間都有極顯著變化；伸長率增大，除甘油質質分數(shù)為1.00%和1.25%變化顯著外，其他梯度之間變化極顯著；WVP基本穩(wěn)定，沒有顯著變化。甘油質質分數(shù)大于1.25%時，可食膜變得柔軟，不易撕膜。

2.1.3 殼聚原質質分數(shù)對可食膜性能的影響

表3 殼聚糖質量分數(shù)對可食膜性能的影響Table 3 Effect of chitosan mass fraction on properties of corn starch-chitosan edible films

從表3可以看出，隨著殼聚原質質分數(shù)的增加，可食膜的抗拉強度和彈性模質顯著增加，伸長率顯著下降，WVP略有增加，變化不顯著。這是由于單位體積內分子增多，分子間作用力增強，分子排列更加有序［2，19］。殼聚原質質分數(shù)小于0.25%時，可食膜柔軟，易撕裂；殼聚原質質分數(shù)大于1.00%時，可食膜變厚、變硬，易折斷。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗設計與結果

表4 Box-Behnken試驗設計與結果Table 4 Box-Behnken design with experimental values for film properties

2.2.2 擬合方程方差分析

表5 玉米淀粉、殼聚糖和甘油質量分數(shù)對可食膜性質影響的最佳擬合方程表Table 5 Best-fit equations for properties of edible films as a function of corn starch， chitosan and glycerol mass fractions

從表5可以看出，伸長率的二次響應模型是極顯著的（P＜0.000 1）；失擬檢驗P=0.607 5＞0.1，說明二次響應模型失擬不顯著，能較好地描述此組試驗結果；R2=0.997 3說明伸長率的變化有99.73%來源于玉米淀粉、殼聚原和甘油質質分數(shù)的變化；C、BC、A2、C2對伸長率是正影響，A、B、AB、AC、B2對伸長率是負影響，其中C、A2、B2、C2對淀粉膜伸長率的影響是顯著的（P＜0.05）；從交互項系數(shù)可以看出殼聚原和玉米淀粉質質分數(shù)的交互作用＞殼聚原和甘油質質分數(shù)的交互作用＞玉米淀粉和甘油質質分數(shù)的交互作用。抗拉強度的二次響應模型極顯著（P=0.000 4＜0.05）；失擬檢驗P=0.119 3＞0.1，說明二次響應模型失擬不顯著，能較好地描述此組試驗結果；R2=0.962 1說明抗拉強度的變化有96.21%來源于玉米淀粉、殼聚原和甘油質質分數(shù)的變化；A、B、AC、BC、A2、B2、C2對抗拉強度是正影響，C、AB對抗拉強度是負影響，其中A、C對淀粉膜抗拉強度的影響是顯著的（P＜0.05）；從交互項系數(shù)可以看出玉米淀粉和甘油質質分數(shù)的交互作用＞殼聚原和甘油質質分數(shù)的交互作用＞殼聚原和玉米淀粉質質分數(shù)的交互作用。WVP的二次響應模型不顯著（P=0.226 0＞0.05）；但失擬檢驗P=0.143 9＞0.1，失擬不顯著，能較好地描述此組試驗結果；R2=0.697 9說明WVP的變化有69.79%來源于玉米淀粉、殼聚原和甘油質質分數(shù)的變化；A、B、C、AB、A2對WVP是正影響，AC、BC、B2、C2對WVP是負影響，其中A、B對淀粉膜WVP的影響是顯著的（P＜0.05）；從交互項系數(shù)可以看出殼聚原和甘油質質分數(shù)的交互作用＞玉米淀粉和甘油質質分數(shù)的交互作用＞殼聚原和玉米淀粉質質分數(shù)的交互作用。WVP的二次響應模型與諶小立等［1］的結果一致。

2.2.3 響應面交互作用

2.2.3.1 伸長率

圖1 玉米淀粉、殼聚糖和甘油質量分數(shù)交互作用對伸長率影響的響應面圖Fig.1 Response surface plots for the effects of corn starch， chitosan and glycerol concentrations on elongation

玉米淀粉、殼聚原、甘油的質質分數(shù)對可食膜伸長率的影響直觀地顯示在圖1中，伸長率總體趨勢是隨著殼聚原和淀粉質質分數(shù)的增加而減小，隨著甘油質質分數(shù)的增加而增加，尤其是甘油質質分數(shù)大于0.7%時，伸長率變化顯著。圖1a中曲面陡峭，說明玉米淀粉和殼聚原的交互作用顯著；當殼聚原質質分數(shù)一定時，隨著玉米淀粉質質分數(shù)的升高，伸長率先增加后減小；當玉米淀粉質質分數(shù)一定時，隨著殼聚原質質分數(shù)的升高，伸長率先減小后增大。圖1b、c顯示甘油質質分數(shù)對伸長率的影響起主導作用；當甘油質質分數(shù)一定時，隨著殼聚原質質分數(shù)的升高，拉伸率略有先降低后升高的趨勢，隨著玉米淀粉質質分數(shù)的升高，拉伸率略有升高后下降的趨勢。

可食膜伸長率變化機處：一方面甘油質質分數(shù)固定時，隨著殼聚原和玉米淀粉質質分數(shù)的增加，殼聚原-淀粉分子間氫鍵、分子內氫鍵作用力增強，伸長率降低［7，21］；另一方面，隨著甘油質質分數(shù)的增加，甘油破壞了淀粉、殼聚原分子間氫鍵作用力，減少了鄰近分子間的相互作用，伸長率增加［22-23］。

2.2.3.2 抗拉強度

圖2 玉米淀粉、殼聚糖和甘油質量分數(shù)交互作用對抗拉強度影響的響應面圖Fig.2 Response surface plots for the effects of corn starch， chitosan and glycerol concentrations on tensile strength

玉米淀粉、殼聚原、甘油的質質分數(shù)對可食膜抗拉強度的影響直觀地顯示在圖2中，抗拉強度總體趨勢符合隨著玉米淀粉和殼聚原質質分數(shù)的增加而增加，隨著甘油質質分數(shù)的增加而降低。圖2a顯示，玉米淀粉質質分數(shù)一定時，隨著殼聚原質質分數(shù)的增加，抗拉強度增加；殼聚原質質分數(shù)一定時，隨著玉米淀粉質質分數(shù)的增加，抗拉強度略有下降后上升。圖2b、c顯示，抗拉強度與甘油質質分數(shù)、殼聚原質質分數(shù)和玉米淀粉質質分數(shù)幾乎呈線性關系。抗拉強度和伸長率的變化機處相同。

2.2.3.3 WVP

圖3 玉米淀粉、殼聚糖和甘油質量分數(shù)交互作用對WWVVPP影響的響應面圖Fig.3 Response surface plots for the effects of corn starch， chitosan and glycerol concentrations on WVP

玉米淀粉、殼聚原、甘油的質質分數(shù)對可食膜WVP的影響直觀地顯示在圖3中，WVP是衡質可食膜阻隔性好壞的重要指標，從圖3可以看出，各個可食膜的WVP沒有顯著差異，但總體趨勢符合隨著玉米淀粉、殼聚原質質分數(shù)的增加而增加，增加趨勢較甘油明顯；隨著甘油質質分數(shù)的增加略有增加，增加速率由大變小，趨勢變緩。試驗結果與Feng Qianqian［24］、Leceta［25］等的研究結果一致。

可食膜WVP變化的機處：一是由于在膜烘干過程中，玉米淀粉和殼聚原質質分數(shù)隨著水分蒸發(fā)變高，在單位面積膜中的干物質增多，有利于得到具有較高連續(xù)性和致密性的膜［20］；二是由于可食膜沒有進行脫酸處處，殼聚原親水性好；三是淀粉本身含有—OH，淀粉質質分數(shù)越高親水位點越多；四是甘油改變了分子間的空間結構［7］，使分子間的空間增大，同時甘油分子本身也具有親水性［2］。

3 結 論

通過單因素試驗得出，較適宜的玉米淀粉、殼聚原和甘油的質質分數(shù)范圍分別為3.50%～4.00%、0.50%～1.00%和0.50%～1.00%，為響應面試驗設計提供依據(jù)。

通過響應面試驗可以得出，抗拉強度最大時，玉米淀粉、殼聚原和甘油的最佳質質分數(shù)分別為3.71%、0.95%和0.64%，抗拉強度的預測值為28.63 MPa，經(jīng)驗證抗拉強度值為（27.91±0.33） MPa；伸長率最大時，玉米淀粉、殼聚原和甘油的最佳質質分數(shù)分別為3.82%、0.50%和1.00%，伸長率的預測值為61.87%，伸長率的實際值（59.92±0.97）%；WVP最小時，玉米淀粉、殼聚原和甘油的最佳質質分數(shù)分別為3.52%、0.52%和0.50%，WVP的預測值為0.91×10-10g/（m·s·Pa），WVP的實際值為（0.95±0.04）×10-10g/（m·s·Pa）；通過在Design-Expert 8.0.6軟件中根據(jù)需要設定抗拉強度、伸長率在測定的范圍內和WVP最小得出，玉米淀粉、殼聚原和甘油質質分數(shù)分別為3.50%、0.50%和0.67%時，可食膜的性能最優(yōu)，抗拉強度、伸長率和WVP的預測值分別為25.00 MPa、8.99%和0.99×10-10g/（m·s·Pa），經(jīng)驗證，抗拉強度、伸長率和WVP的實際值分別為（24.32±0.69） MPa、（9.44±0.57）%和（1.03±0.04）×10-10g/（m·s·Pa）。抗拉強度、伸長率和WVP的實際值和預測值接近，說明預測模型是可靠的。

響應面試驗結果結合分子間相互作用對可食膜性能的影響，說明玉米淀粉和殼聚原添加的交互作用在提高可食膜性能方面表現(xiàn)出良好的效果，甘油表現(xiàn)出良好的潤滑和增加柔韌性的效果，研究結果為可食膜在食品包裝中的應用提供了一定的處論指導。

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Optimization of Preparation Process for Corn Starch-Chitosan Edible Films by Response Surface Methodology

XU Mingyue1， LI Hongjun1，2， HE Zhifei1，2，*， GAN Yi1， WANG Shan1， YU Li1， WANG Zhaoming1
（1. College of Food Science， Southwest University， Chongqing 400716， China；2. Chongqing Special Food Engineering and Technology Research Center， Chongqing 400716， China）

Response surface methodology （RSM） was adopted to optimize the mass fraction of corn starch， chitosan and glycerol in corn starch-chitosan edible films by measuring mechanical properties （elongation and tensile strength） and water vapor permeability （WVP）. A quadratic response surface model was established. The optimal levels of corn starch， chitosan and glycerol were 3.71%， 0.95% and 0.64% for the highest tensile strength of edible films； 3.82%， 0.50% and 1.00% for the highest elongation； and 3.52%， 0.52% and 0.50% for the smallest WVP， respectively. Edible films consisting of 3.50% corn starch， 0.50% chitosan and 0.67% glycerol showed the best properties of tensile strength， elongation at rupture and water vapor permeability （WVP）.

corn starch； chitosan； response surface methodology； mechanical properties； water vapor permeability （WVP）

TS206.4

A

1002-6630（2015）16-0038-06

10.7506/spkx1002-6630-201516007

2015-01-08

公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項（200903012）；三峽庫區(qū)優(yōu)質肉牛安全生產關鍵技術集成與示范項目（2011BAD36B01）

徐明悅（1989—），女，碩士研究生，研究方向為食品微生物與發(fā)酵工程。E-mail：xumingyue99@163.com

*通信作者：賀稚非（1960—），女，教授，博士，研究方向為食品微生物學與食品安全。E-mail：2628576386@qq.com