褐藻酸鈉可食性膜制備工藝研究

袁 瑞，叢海花，汪秋寬，何云海，宋悅凡，任丹丹,梁雯雯

( 大連海洋大學 食品科學與工程學院，國家海藻加工技術研發(fā)分中心，遼寧省水產(chǎn)品加工及綜合利用重點試驗室，遼寧 大連 116023 )

褐藻酸鈉可食性膜制備工藝研究

袁 瑞，叢海花，汪秋寬，何云海，宋悅凡，任丹丹,梁雯雯

( 大連海洋大學 食品科學與工程學院，國家海藻加工技術研發(fā)分中心，遼寧省水產(chǎn)品加工及綜合利用重點試驗室，遼寧 大連 116023 )

以褐藻酸鈉、羥丙基甲基纖維素為原材料，通過混合水平正交試驗，使用溶膠、混膠、脫氣、倒膠、鈣化、干燥工藝制備可食性膜，研究了不同褐藻酸鈉/羥丙基甲基纖維素配比、溶膠溫度、氯化鈣質量濃度、鈣化時間、褐藻酸鈉質量濃度以及羥丙基甲基纖維素質量濃度對膜性能的影響，結果顯示優(yōu)化工藝參數(shù)為：10 mg/mL褐藻酸鈉和50 mg/mL羥丙基甲基纖維素按質量配比1∶1混膠， 10 mg/mL的氯化鈣鈣化10 min；所得膜的厚度為0.14 mm，抗拉強度為2.97 MPa，透光率為64.09%，干燥質量損失率為9.97%，人工胃液崩解時間超過24 h，人工腸液崩解為2.07 h。本工藝較為簡單，成膜性較好，為進一步制備植源性空心硬膠囊殼奠定理論和實踐基礎。

可食性膜；褐藻酸鈉；鈣化；工藝優(yōu)化

可食性包裝膜是以天然可食性物質(如蛋白質、脂肪類、多糖、纖維素等)為原料，添加小分子物質為增塑劑，通過不同分子間的相互作用形成具有致密網(wǎng)絡結構的可食性膜[1]，可作為抗氧化劑、添加劑以及抗菌劑的載體，也可包裝在食品表面，起到保鮮和保存風味營養(yǎng)的作用[3]。可食性膜在食品表面或內(nèi)部異質界面上主要通過浸漬、噴涂及包裹等方式覆蓋，防止水蒸汽、氣體、溶質和芳香成分等的遷移。添加后可以保證食品品質，以延長食品貨架期[1]。可食性膜依據(jù)其基料不同分為蛋白質類可食膜[4-5]、多糖類可食膜[6-7]、脂類可食膜[8]及復合型可食膜[8-9]。

褐藻酸鈉作為食品添加劑廣泛應用于食品中[10]，本研究在前期單因素試驗的基礎上，通過混合水平正交試驗優(yōu)化篩選可食性膜的制備工藝，以提高薄膜的拉伸強度。利用褐藻酸鈉與離子置換產(chǎn)生水不溶性的褐藻酸鈣，使用褐藻酸鈉與羥丙基甲基纖維素為主要材料制備可食性膜，使之有效地延長食品的貨架期。研究結果將為進一步開發(fā)硬膠囊囊材提供數(shù)據(jù)支持，為新藥和保健食品的開發(fā)奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

食用級褐藻酸鈉(青島明月有限公司)，羥丙基甲基纖維素(北京億諾化工有限公司)，無水氯化鈣分析純(西隴化工股份有限公司)，食品級甘油(廣州市大工嘉翰林化工有限公司)，胰蛋白酶SolarbioTRYPSIN 1∶250(天津福德士科技有限公司)，胃蛋白酶SolarbioPepsin 1∶3000(天津福德士科技有限公司)。

1.2 試驗儀器

JJ50型電子天平(常熟市雙杰測試儀器廠)，磁力攪拌器(上海禾影儀器有限公司)，KJ-600超聲波發(fā)生器(無錫市科杰超聲電子設備有限公司)，721型分光光度計(上海光譜儀器有限公司)，TMS.PRO質構儀(美國)，數(shù)顯卡尺(美國APEX世達工具有限公司)，電熱恒溫鼓風干燥箱(上海躍進醫(yī)療器械廠)。

1.3 可食性膜制備工藝流程

可食性膜制備工藝流程：溶膠→攪拌混膠→脫氣→倒膠→一次干燥→鈣化→二次干燥→樣品→檢測評價。工藝要點如下：

溶膠：分別配制10 mg/mL褐藻酸鈉、50 mg/mL羥丙基甲基纖維素溶液，充分溶解后向褐藻酸鈉溶液中加入質量濃度為50 mg/mL的甘油，不斷攪拌，置于50～65 ℃水浴使之充分溶解，備用；

攪拌混膠：根據(jù)試驗條件將褐藻酸鈉溶液與羥丙基甲基纖維素溶液按一定配比混膠。將裝有膠液的燒杯放在磁力攪拌器上，攪拌1～2 h，直至均勻溶解；

脫氣：因膠液黏度較大，使用超聲震蕩儀超聲15 min對攪拌后的膠液脫氣；

干燥：取20 g混合膠液倒平板，于數(shù)顯鼓風干燥箱中，50 ℃干燥12 h；

鈣化：將干燥后的凝膠倒入20 mL氯化鈣溶液，根據(jù)試驗設計10～20 min后取出；

二次干燥：50 ℃鼓風干燥箱中，干燥12 h，密封保存，備用。

1.4 混合水平正交試驗

根據(jù)前期單因素試驗結果，選取影響成膜的因素與水平，以可食性膜的評分和拉伸強度為檢測指標進行L18(61×36)正交試驗，正交因素水平設計見表1。

1.4.1 可食性膜的評分標準

從膜的整體外觀均勻程度、透明程度、色澤及光滑程度、厚度均勻性四方面進行評價，具體評分標準見表2，每組制備6～10個樣品。

1.4.2 膜厚度測量

選擇平整均勻的膜，裁剪成20 mm×50 mm，選取5個均勻點，用螺旋測微儀測量，精確至0.01 mm。樣品測6次平行。

1.4.3 拉伸強度(TS)測定

樣品測6次平行，GB 16421—1996法。質構儀的初始夾距設為40 mm，拉引速率設定為60 mm/min，拉伸強度值用最大拉力除以截面積表示：

式中，TS為拉伸強度(MPa)，F(xiàn)m為試樣斷裂時承受的最大張力(N)，F(xiàn)t為膜的厚度(mm)，W為膜的寬度(mm)。

表1 混合水平正交試驗因素水平

表2 可食性膜的評分標準

注：一級品為80～100分，二級品為60～80分，三級品為<60分.

1.4.4 透光率測定

樣品測6次平行。將膜裁成40 mm×10 mm的長條，貼在比色皿一側，在500 nm下測定透光度，空皿做空白，計算公式如下：

T=0.1A×100%

式中，T為透光率(%)，A為吸光度。

1.4.5 模擬崩解時間測定

人工胃液配制：鹽酸16.4 mL，加水800 mL，與胃蛋白酶搖勻加水至1000 mL。

人工腸液配制：磷酸鹽緩沖液(含胰酶)(pH=6.8)。

按照中華人民共和國藥典[11]，選取膜比較均勻的部分，精密稱取約0.100 g的膜，剪成尺寸大約為2 cm×2 cm，放入人工胃液和人工腸液中，每隔6 min觀察崩解情況，樣品測3次平行。

1.4.6 干燥質量損失比測定

稱取1 g膜，105 ℃干燥6 h，再放入干燥器中冷卻0.5 h，重復此操作直至前后兩次質量之差不超過0.002 g即為質量恒等，平行測定3次，計算干燥質量損失率。

1.4.7 數(shù)據(jù)處理方法

對試驗結果進行統(tǒng)計學分析，極差分析、Duncan法多重比較均在IBM SPSS軟件下進行。

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果

正交試驗獲得的可食性膜的綜合評分(整體外觀均勻程度、透明程度、色澤及光滑程度、厚度)及拉伸強度的測量見表3。

按綜合評分結果將所得食用膜產(chǎn)品進行分級：8、11、13、14、15、17、18組的產(chǎn)品為一級品；1、4、6、7、16組的產(chǎn)品為二級品；剩下的配方組為三級品。拉伸強度是可食性膜的主要機械指標，可以客觀反映可食性膜的應用范圍，對拉伸強度進行極差分析，結果見表4。

極差分析結果表明，影響膜拉伸強度的因素為褐藻酸鈉/羥丙基甲基纖維素>鈣化時間>褐藻酸鈉質量濃度>羥丙基甲基纖維素質量濃度>氯化鈣質量濃度>溶膠溫度，最優(yōu)組合為褐藻酸鈉/羥丙基甲基纖維素配比1∶0.5、溶膠溫度65 ℃、氯化鈣質量濃度20 mg/mL。鈣化時間10 min、褐藻酸鈉質量濃度20 mg/mL，羥丙基甲基纖維素質量濃度50 mg/mL。影響成膜的因素可能很多，但該組試驗中空列項修正后極差0.243，小于各因素列的修正后極差值，反映了試驗結果的可信度。

表3 膠膜制備正交工藝優(yōu)化結果

表4 膜拉伸強度極差分析結果

2.2 可食性膜優(yōu)化試驗

按照綜合評分結果，所得三級品質量較差；對二級品進行進一步驗證試驗優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)綜合評分仍然沒有顯著提高；對拉伸強度最優(yōu)工藝組合及一級品進行進一步的驗證試驗，對膜的平均厚度、平均拉伸強度、平均干燥質量損失率、透光率、人工胃液崩解時間、人工腸液崩解時間進行分析，所得結果見表5。

表5 優(yōu)化工藝的可食性膜指標分析

注：用Duncan法進行多重比較，同列標有不同大寫字母者表示組間差異極顯著(P<0.01)；標有不同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)；標有相同小寫字母者表示組間差異不顯著(P>0.05).

從顯著性差異來看，組間顯著性差異明顯，證明驗證性試驗結果良好。從平均厚度來看，8組、13組、17組與其他各組比較結果是極顯著，從平均拉伸強度來看，組間顯著性很明顯，從平均干燥質量損失率來看，組間顯著性差異非常大，從透光率來看，8組、極差最優(yōu)組與其他組比較有極顯著差異，從人工胃液崩解時間來看，組間差異不顯著，從人工腸液崩解時間來看，8組與其他組有顯著性差異。

由表5可見，8、13、14、17試驗組以及極差最優(yōu)組的膜比較均勻；13、15組的拉伸強度最大；干燥質量損失率8組最低，其次13組與17組，干燥質量損失率與薄膜的厚度相關，薄膜越薄干燥質量損失率越低；第8組透光率最高，其次為極差最優(yōu)組和11組，人工腸液崩解時間8組最好，其次13組。

3 討 論

3.1 正交試驗結果對可食性膜優(yōu)化的影響

對正交試驗結果較優(yōu)組合(共7組)與極差分析優(yōu)選組進行進一步驗證試驗，研究優(yōu)選確定第8組制備工藝參數(shù)為最佳。第8組膜的均勻性良好，厚度適中，平均干燥質量損失率較低(含水量低)，透光率較好，在人工腸液中崩解時間短。

干燥質量損失率與薄膜的厚度相關，薄膜越薄干燥質量損失率越低；薄膜的透光率與薄膜的褐藻酸鈉和羥丙基甲基纖維素添加比例有關；褐藻酸鈣薄膜在人工胃液中一般為不溶，可以在腸道中很好溶解，人工腸液崩解時間與薄膜的褐藻酸鈣量是呈正相關的關系。

3.2 拉伸強度對可食性膜的影響

影響膜拉伸強度的因素有很多，溶膠溫度、氯化鈣質量濃度、鈣化時間均會影響可食性膜的拉伸強度。其中，根據(jù)試驗結果可見，拉伸強度與溶膠溫度、氯化鈣質量濃度、鈣化時間呈正相關性。查閱相關可食性膜文獻，艾丹等[12]對于碎米可食蛋白膜的拉伸強度為2.47 MPa,碎米蛋白膜的拉伸強度為2～3 MPa。本次試驗缺陷為重復組拉伸強度不穩(wěn)定，應進一步修正，找到避免成膜過程中氣泡產(chǎn)生的方法，適應實際生產(chǎn)應用。

通過混合正交試驗及驗證試驗，獲得褐藻酸鈉可食性膜的最佳制備工藝條件為：褐藻酸鈉質量濃度10 mg/mL，羥丙基甲基纖維素質量濃度50 mg/mL。褐藻酸鈉∶羥丙基甲基纖維素為1∶1，溶膠溫度65 ℃，10 mg/mL的氯化鈣質量濃度，鈣化時間10 min。本研究選用褐藻酸鈉作為材料制備可食性膜，工藝較為簡單，成膜性極好。

目前對褐藻酸鈉膜形成機理的研究較少。本文研究中，不同的配比條件下溶膠的凝膠特性及成膜性能差異較大，用于制作空心硬膠囊殼，需根據(jù)具體需求，考慮溶膠穩(wěn)定性、蘸膠的流動性及空心膠囊殼的透光性、保存等問題，褐藻酸鈉可食性膜的制作工藝為植源性空心硬膠囊殼的制備奠定基礎、提供事實依據(jù)。

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PreparationProceduresofEdibleSodiumAlginateFilm

YUAN Rui, CONG Haihua, WANG Qiukuan, HE Yunhai, SONG Yuefan, REN Dandan, LIANG Wenwen

( Liaoning Provinal Key Laboratory of Fishery Processing and Complex Utilization, Branch of State Centre of Alga Processing Engineering, Food Science and Engineering College, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China )

This paper is mainly concerned about processing conditions and the properties of the edible sodium alginate film wich was prepared by sodium alginate (SA) and hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC) as raw materials by procedures of dissolving,mixing,degassing,pouring,calcifying and drying. The technology was optimized by regulation of SA/HPMC ratio, dissolving temperature, CaCl2concentration, calcification time, SA concentration and HPMC concentration in the orthogonal experiment. The findings indicated that the 10 mg/mL of SA and 50 mg/mL of HPMC were dissolved respectively and formed as gel solutions. The two gel solutions were mixed based on the mass ratio of 1∶1 and then formed film by spreading the mixed gel on the plain container. The results showed that the formed film was calcified by 10 mg/mL of CaCl2for 10 min. The calcified edible film was analyzed to have thickness of 0.14 mm, a tensile strength of 2.97 MPa, light transmittance of 64.09%, and drying weight loss of 9.97%. The artificial gastric juice disintegration time was found to be more than 24 h and artificial intestinal disintegration of 2.07 h. This relatively simple process has good film-forming, laid the foundation of theory and practice for further research about process of plant-derived hard capsule with sodium alginate.

edible film; sodium alginate; calcification; technological optimization

10.16378/j.cnki.1003-1111.2016.06.018

TS254

A

1003-1111(2016)06-0708-05

2015-11-09；

2016-01-20.

海洋公益性行業(yè)科研專項 (201405040)；大學生創(chuàng)新訓練計劃項目.

袁瑞 (1991—)，女，碩士研究生；研究方向：褐藻酸鈉生物材料應用.E-mail: yuanrui2016@163.com. 通訊作者: 汪秋寬 (1962—)，女，教授；研究方向：水生生物資源利用.E-mail: wqk320@dlou.edu.cn.