響應面法優化斑點叉尾鮰魚皮明膠-殼聚糖可食膜的制備工藝

徐 萌，包建強，黃 雯，王金梅

響應面法優化斑點叉尾鮰魚皮明膠-殼聚糖可食膜的制備工藝

徐 萌，包建強，黃 雯，王金梅

（上海海洋大學食品學院，上海海洋大學水產動物遺傳育種中心，上海 201306）

以斑點叉尾鮰（Ietalurus punetaus）魚皮明膠、殼聚糖、甘油為原料制備可食膜，采用響應面法對可食膜的制備工藝進行優化。在單因素試驗的基礎上，使用Design-Expert軟件對魚皮明膠添加量、熱處理溫度與甘油添加量進行三因素響應面試驗設計，以抗拉伸強度為響應值優化可食膜性能，并驗證響應面預測值與實測值的一致性。結果表明，復合可食膜最佳制備工藝為：鮰魚皮明膠添加量60%、熱處理溫度70℃、甘油添加量為10%時，制備得到的明膠－殼聚糖可食膜抗拉伸強度達最大值24.20 MPa，驗證結果為23.44 MPa，二者相對誤差為3.2%，實測值與響應面預測值擬合良好，說明通過響應面試驗設計優化是有效的。

響應面；斑點叉尾鮰；魚皮；明膠；可食膜

現代快節奏的生活使人們對長貨架期食品的消費需求越來越多。可食膜是以天然可食性物質（如蛋白質、多糖、脂類等）為原料，輔以可食用的增塑劑、交聯劑等，通過分子間的相互作用而形成的結構致密的薄膜［1］，有阻止氣體和溶質遷移的功能，保證食品的品質，延長食品的貨架期。

明膠是高分子蛋白質，具有良好的成膜性能，是一種理想的包裝材料［2］。水產動物明膠與哺乳動物明膠相比，其熱穩定性較低，機械強度較弱，水蒸氣阻隔效果也較弱，這些都限制了水產動物明膠可食膜的大規模應用［3］。通過在水產動物明膠中添加天然化合物共混改性，可以改善其機械強度和抗水性能，拓寬其在食品包裝中的應用［4］。殼聚糖是一種來源豐富的甲殼類動物殼提取物，殼聚糖分子中的大量氨基、羧基與明膠分子中的羧基、羥基很容易產生氫鍵、離子鍵等作用，生成聚合物，明膠－殼聚糖共混膜能有效改善可食膜的機械性能和熱穩定性［5］，而且殼聚糖自身也是一種良好的抑菌物質［6］。有關動物明膠與殼聚糖復合成膜的研究已有較多，如：劉文輝等［7］通過酶法從牛皮中提取出明膠，再與殼聚糖復合成膜，制得的復合膜對水蒸汽阻隔性能較好，但機械性能還需要進一步改善；劉俊豪等［8］用響應面優化了秘魯魷魚（Dosidicus gigas）魚皮明膠-殼聚糖復合膜的制備工藝，但是目前少有利用響應面試驗優化鮰魚皮明膠、殼聚糖和甘油質量分數對可食膜性能影響的研究。

本試驗將斑點叉尾鮰（Ietalurus punetaus，以下簡稱鮰魚）魚皮明膠與殼聚糖復合成膜，通過響應面分析優化鮰魚皮明膠－殼聚糖制備的最適工藝，研究制備工藝對薄膜性能的影響，以期提高該可食性膜的機械性能與阻隔性能，旨在為利用水產動物明膠、制備可食的食品包裝材料提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮰魚皮，由安徽富煌三珍食品集團有限公司提供；殼聚糖，食品級，脫乙酰度80.0%～95.0%；本實驗中的化學試劑均為食品級分析純試劑。

1.2 儀器與設備

TE212－2型電子天平（德國賽多利斯股份有限公司）；TA-XT plus型質構儀（英國Stable Micro System公司）；真空冷凍干燥機（美國BOC EDWARDS公司）；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 鮰魚皮明膠提取

將保存在－51℃的鮰魚皮置于流水中解凍，融化后用手術刀切成5 m×5 m大小的碎片，放入冰水中用磁力攪拌器反復攪拌魚皮直至冰水變為清澈。在4℃條件下，用0.1 mol·L－1的NaOH溶液浸泡20 min去除脂肪和部分雜蛋白。浸泡之后用蒸餾水反復清洗魚皮去除殘留的污垢以及NaOH。在10℃以下用2倍體積的正己烷浸泡魚皮6 h以使魚皮脫脂，隨后用冷水洗去有機溶劑。將處理好的鮰魚皮與蒸餾水按1∶10的料液比混合，65℃水浴加熱，提取液冷凍干燥得到固體鮰魚皮明膠，干燥后放入－20℃冷凍保藏備用［9］。

1.3.2 鮰魚皮明膠－殼聚糖可食膜的制備

將殼聚糖溶于2%體積分數的乙酸溶液中，加熱攪拌后得到質量濃度為2 g·100 mL－1的殼聚糖溶液。明膠溶液與殼聚糖溶液按一定比例混合，加入一定量增塑劑，加熱攪拌15 min，去除氣泡，流延于聚乙烯盤內，在50℃條件下干燥24 h，移出后揭膜，將膜置于盛有飽和Mg（NO3）2·6H2O溶液的干燥器中，保持溫度25℃，相對濕度50%，48 h后測定膜的各項性能指標［10］。以制膜時鮰魚皮明膠添加量、甘油添加量及熱處理溫度為因素，通過單因素試驗結合Box-Behnken設計，以可食膜的抗拉伸強度為響應值，通過響應面優化可食膜制備工藝。

1.3.3 鮰魚皮明膠－殼聚糖可食膜指標測定

1.3.3.1 機械性能

根據ASTM D882－01方法［11］，使用質構儀測定膜的抗拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（E）。拉伸強度指膜在軸向拉伸力作用下，破裂前所承受的最大應力，而斷裂伸長率是評價膜在拉伸測試中破裂時的延伸能力的指標。計算公示如下：

式中：TS為抗拉伸強度（MPa）；F為膜斷裂時的最大拉力（N）；L、W分別為膜的寬度（mm）和厚度（mm）；E為斷裂伸長率（%）；L0為膜樣品的長度（mm）；L1為膜斷裂時候的長度（mm）。1.3.3.2 水蒸汽透過率（water vapor permeability，WVP）

采用修正的ASTM［12］的方法測定。干燥器底部加飽和硝酸鎂溶液，25℃條件下，相對濕度保持在50%。透濕杯內裝無水氯化鈣，透濕杯上覆蓋待測膜，置于相對濕度為50%的干燥器內，每隔1 h稱量透濕杯的質量。水蒸汽透過率按下式計算：

式中：WVP為水蒸氣透過率／［（g·m m）·（h ·m2·kPa）－1］；Δm為透濕杯增加的質量（g）；T為水蒸汽透過的時間（h）；d為樣品膜厚度（mm）；A為樣品膜實驗面積（m2）；ΔP為試樣兩側的蒸汽壓（kPa），由于膜兩側的相對濕度梯度為50%、測定溫度為25℃，故ΔP為1.584 KPa。

1.3.4 單因素試驗

固定甘油添加量20%，熱處理溫度50℃，比較不同明膠與殼聚糖質量比（10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8、0∶10）對復合可食膜性能的影響；固定明膠與殼聚糖按質量比6∶4、熱處理溫度50℃，比較不同甘油添加量（10%、20%、30%、40%、50%）對復合可食膜性能的影響；固定明膠與殼聚糖質量比6∶4，甘油添加量20%，比較不同熱處理溫度（40、50、60、70、80℃）對復合可食膜性能的影響。

2 結果與分析

2.1 明膠與殼聚糖比例對復合膜性能的影響

由表1可知，純膠原蛋白成膜的TS為（1.28 ±0.07）MPa。隨著膠原蛋白中加入殼聚糖的量增加，膜的TS也逐漸提高，當膠原蛋白與殼聚糖質量比為6∶4時TS達到最大，為（14.27±0.32）MPa，這是由于殼聚糖與膠原蛋白分子間發生強烈的相互作用，形成共價鍵及氫鍵，使得TS增大。隨著殼聚糖含量的繼續增加，TS又逐漸減小，這是由于少量的膠原蛋白打亂了原本殼聚糖分子規則的結構，減弱了殼聚糖分子間的氫鍵作用，其定向排列受到影響，形成的膜結構致密度比純的殼聚糖低，從而導致膜的TS降低［13］。

純膠原蛋白成膜的E為（185.42±0.18）%，隨著殼聚糖的加入，復合膜的E總體呈下降趨勢，這是因為殼聚糖與膠原蛋白分子間的交聯度增加，這樣分子鏈的流動性降低。膠原蛋白與殼聚糖按質量比為6∶4時，E最大為（185.61± 6.71）%。隨著殼聚糖在復合膜中所占比例的增加，WVP先減小再增加。

2.2 熱處理溫度對復合膜性能的影響

從表2可知，伴隨著熱處理溫度的升高，復合膜的TS變化趨勢為先增大后減小。這是由于較高的熱處理溫度加快了膠原蛋白與殼聚糖分子的運動速度從而增加了相互作用力，最終使膜的結構變得致密，在70℃TS達到最大，為（22.40 ±0.61）MPa。當加熱溫度達到80℃時，TS降低到（16.79±0.98）MPa，這是由于此時加熱溫度超過了交聯物質的熱變性溫度75.59℃，導致膜的TS下降［14］。

膜的E在熱處理溫度為50℃達到最大值（196.84±6.76）%，隨后隨著熱處理溫度的增加而減小，這是因為隨著交聯作用的增加，使得復合膜的致密度得到了提高，導致E降低。

復合膜的WVP隨著熱處理溫度的升高而減小。這是因為合適的加熱溫度有利于膠原蛋白與殼聚糖分子交聯，提高了其阻隔水蒸汽的性能。

2.3 甘油添加量對復合膜性能的影響

由表3可知，隨著甘油添加量的增多，膜的TS先增大后減小。復合膜在未加入甘油之前呈現易斷裂的狀態，在加入少量甘油后，復合膜的E有了很大提高，這是由于甘油的加入減弱了分子間作用力，使得膜的剛性結構得到軟化，增大了體系的自由體積和分子鏈的流動性，致使其柔韌性增強［15］。隨著甘油添加量的增加，WVP整體也呈現增大的趨勢。這一方面是由于甘油為親水物質，會降低聚合物鏈間的分子間力，增加自由體積，使得WVP增加。

表1 明膠添加量對可食膜特性的影響Tab.1 Effects of the additive amount of skin-gelatin on the properties of edible film

表2 熱處理溫度對可食膜特性的影響Tab.2 Effects of treatment tem perature on the properties of edible film

表3 甘油添加量對可食膜特性的影響Tab.3 Effects of additive amount of glycerol on the properties of edible film

2.4 優化鮰魚皮明膠－殼聚糖可食膜的制備工藝模型建立與分析

食品包裝材料首先要具備較好的抗拉伸強度，而且能夠承受一定的外部壓力，而鮰魚明膠與哺乳動物明膠相比羥脯氨酸含量較少，所以用鮰魚明膠制得的可食性膜硬度較低，在實際的生產實踐中首先要提高復合可食膜的抗拉伸強度。因此，本試驗選擇抗拉伸強度作為響應面評價指標。

根據Box-Behnken設計原理［16］，以明膠添加量、甘油添加量、熱處理溫度作為試驗因素，按照二次項回歸方程進行試驗，采用三因素三水平的響應面法優化分析［17］，試驗因素及水平見表4，試驗設計和結果見表5。應用Design-Expert軟件對表5進行多元回歸擬合，得出明膠比例（A）、熱處理溫度（B）、甘油添加量（C）與響應值抗拉伸強度（TS）的關系：

由響應面試驗結果進行回歸模型的方差分析，結果如表6所示。

表4 試驗因素與水平表Tab.4 Factors and levels for the Box-Behnken experim ent design

表5 Box-Behnken試驗設計與結果Tab.5 Box－Behnken experiment design and corresponding results

表6 回歸模型方差分析Tab.6 ANOVA for response surface quadratic model

表6顯示，試驗模型的P值為0.000 1＜0.01，模型顯著，失擬項P值為0.079 8＞0.05，表示試驗數據和模型擬合良好。對P值的檢驗可以得出：明膠比例、熱處理溫度和甘油添加量以及各二次項對抗拉伸強度的影響都是顯著的。模型的復相關系數R2＝0.996 7，調整后的R2＝0.992 4，由此可知，模型能夠很好的反應抗拉伸強度與明膠比例、熱處理溫度和甘油添加量之間的關系，并且可以用來對鮰魚皮明膠－殼聚糖可食膜抗拉伸強度進行優化分析和預測。

2.5 條件的優化與驗證

圖1～3分別為兩因素交互影響的響應面圖和等高線圖。響應曲面的傾斜度越陡峭，表明抗拉伸強度對兩因素添加量越敏感。

在添加15%甘油的情況下，明膠添加量與熱處理溫度對復合膜抗拉伸強度的影響如圖1。通過對P值檢驗得出，明膠添加量與熱處理溫度的交互作用對復合膜抗拉伸強度的影響不顯著，當甘油添加量為15%、明膠添加量為69.38%、熱處理溫度為56.60℃時，復合膜抗拉伸強度可達到24.11 MPa。

圖1 明膠添加量、熱處理溫度對抗拉伸強度的響應面圖（左）和等高線圖（右）Fig.1 Response surface and contour p lots for the effects of the additive am ount of gelatin and treatment temperature on the tensile strength

圖2 明膠、甘油添加量對抗拉伸強度的響應面圖（左）和等高線圖（右）Fig.2 Response surface and contour plots for the effects of the additive amount of gelatin andglycerol on the tensile strength

圖3 甘油添加量、熱處理溫度對抗拉伸強度的響應面圖（左）和等高線圖（右）Fig.3 Response surface and contour plots for the effects of the addition of gelatin and temperature on tensile strength

在熱處理溫度為80℃的情況下，明膠添加量與甘油添加量對復合膜抗拉伸強度的影響如圖2。通過對P值檢驗得出，明膠添加量與甘油添加量的交互作用對復合膜抗拉伸強度的影響不顯著，當熱處理溫度為80℃、明膠添加量為56.74%、甘油添加量為10.46%時，復合膜抗拉伸強度可達到24.11 MPa。

在明膠添加量為60%的情況下，熱處理溫度與甘油添加量對復合膜抗拉伸強度的影響如圖3。通過對P值檢驗得出，熱處理溫度與甘油添加量的交互作用對復合膜抗拉伸強度的影響不顯著，當明膠添加量為60%、熱處理溫度為69.60℃、甘油添加量為10.12%時，復合膜抗拉伸強度可達到23.94 MPa。

3 小結

本研究利用Design-Expert模型對鮰魚皮明膠－殼聚糖可食膜性能進行優化，以得到膜的最大抗伸張強度為目標，方差分析結果表明模型擬合度良好，得出最優條件為明膠添加量60%，熱處理溫度70℃，甘油添加量10%，最大抗拉伸強度為24.2 MPa。

進行多次驗證試驗得到平均抗拉伸強度為23.44 MPa，相對偏差為3.2%，結果表明Box-Behnken模型可用于鮰魚皮明膠－殼聚糖可食膜的工藝優化。

水產動物明膠來源廣泛、安全且不受宗教限制［18］，本研究表明添加可食聚合物殼聚糖和增塑劑甘油作為改性可食膜的材料［19］，大大增加了可食膜的機械性能。魚皮原料豐富，制備可食膜成本較為低廉，本試驗經過優化得到的鮰魚皮明膠－殼聚糖可食性復合膜為規模化生產提供了理論依據。

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Optim izing edible fish skin gelatin，chitosan membrane preparation by Response Surface M ethod

XU Meng，BAO Jian-qiang，HUANGWen，WANG Jin-mei
（ShanghaiOcean University，Shanghai Ocean University Aquatic Animal Breeding Center，Shanghai 201306，China）

The response surface methodology was applied to optimize an edible composite film made from Chinese channel catfish skin collagen glycerol and chitosan.On the basis of single factor tests，the response surface experimentwas designed by the software of Design-Expertand the comprehensive effects of skin gelatin content，heat treatment temperature and the addition of glycerol content on the tensile strength were used to optimize the properties of edible composite film，the predicted andmeasured valueswere also compared for the consistency test.The results showed that the optimal extraction conditions were as follows：the skin gelatin contentwas 60%，while heat treatment temperature was 70℃.Under these conditions，the tensile strength was 24.2 MPa.The validation resultwas 23.44 MPa，and the relative error was 3.2%，which was consistent with the predicted value.It showed that the experimentwas effective.

response surfacemethodology；fish skin；gelatin；edible film

TS 254.9

A

1004－2490（2017）04－0463－08

2016－01－25

上海海洋大學水產動物遺傳育種中心項目（ZF1026）

徐 萌（1989－），男，江蘇鹽城人，在讀碩士研究生，研究方向為食品科學與工程。

E-mail：crosswinter＠126.com

包建強，教授。E-mail：baojq＠shou.edu.cn