殼聚糖制備可食性方便面調料包工藝的研究

(湖南工業大學 湖南 株洲 412007)

引言

方便食品包裝膜時包裹在食品或者調料包表面，主要用來隔離微生物細菌和外來污染物的進入，防止食品變質，調料包灑出的材料。研究表面，由殼聚糖制成的食品包裝薄膜，不僅能抗菌保鮮，而且能抗菌[1]，是一種具有發展潛力與應用潛力的食品包裝膜。

殼聚糖是自然界中唯一的堿性多糖[2]，是由甲殼素經過脫乙酰化后得到的天然碳水化合共聚物。殼聚糖由于骨架上的糖苷基與羥基氨基和一些乙酰氨基分子形成分子內和分子間氫鍵，因此具有良好的成膜性。同時殼聚糖還可以通過影響細菌的新陳代謝，抑制細菌的生長[3]。

拉伸強度是評價包裝材料機械性能的重要指標，包裝材料無論是在生產中還是使用中都需要承受一定的壓力[4]。單獨的殼聚糖膜由于其力學性能較差，應用有所局限[5]。目前已有通過加入蛋白、多糖類成分來促進殼聚糖分子交聯來增強其機械性能的方法[6]。

膜的柔韌性與延展性由于增塑劑的加入能得到提升，膜也不容易產生裂紋，同時變得更有光澤。不過添加增塑劑過多也會對膜的通透性有很大的影響，比如甘油能使膜的水蒸氣透過率增大，空氣阻隔性能降低。研究表明，增塑劑主要是通過改變膜的結晶區與無定形區的比例，使膜的滲透性下降[7]。不同類型的增塑劑對膜的影響效果不同，甘油對乳清分離蛋白的增塑效果比山梨糖醇要強[8]。十二烷基硫酸鈉(SDS)在以山梨醇為增塑劑的乳清分離蛋白膜液中，是一種有效的助塑劑，添加Rs:w=0.2的SDS 能顯著增大膜的溶解性與伸長率；而添加Rs:w >0.3，能顯著降低水蒸氣透過率[9]

共混法制備殼聚糖膜具有工藝簡單，條件溫和、無溶劑殘留和綠色安全等特點，并且工業化簡單。因此，本研究以殼聚糖為原料，加入醋酸，甘油和海藻酸鈉進行共混，通過對其機械性能的檢測，并利用單因素實驗和響應面實驗確定最優配方，制備殼聚糖可用包裝膜。以期為殼聚糖可食性膜的制備提供參考。

一、材料與方法

(一)實驗材料

1.實驗試劑

本實驗中用到的主要實驗藥品如表1.1所示。

表1 主要實驗材料

2.實驗儀器

本實驗中用到的主要實驗儀器及設備如表1.2所示。

表2 主要實驗儀器

(二)殼聚糖可食性膜的制備

配料→加熱共混→超聲消泡→靜置→流延成膜→趁熱揭膜

工藝條件：(1)酸處理：200ml2%的醋酸溶液作溶劑，水浴加熱80℃，共混1h；(2)超聲消泡：80℃，20KHz消泡10min。(3)靜置：80℃恒溫下靜置30min。(4)流延成膜：加熱溫度70℃。

(三)殼聚糖可食性膜的性能測定

1.厚度測定

實驗標準：GB6672

實驗方法：沿樣品的縱向，距離端部1cm的位置，橫向截取試樣。試樣寬度約為100mm，應該保證試樣無折痕、無其它缺陷。在試樣上取5個點，使用測厚儀測量厚度，記錄每次測試結果，取平均值。

2.拉伸強度測定

實驗標準：GB1039

實驗方法：利用手動沖壓取樣器做得總長為50 mm、窄邊部分寬為4 mm的啞鈴型樣條。用PC型智能電子拉力試驗機在拉伸速度為100mm/min。測試并記錄膜破裂時的抗拉強度，結果取其平均值。

拉伸強度按公式1.1計算

(1.1)

其中，P-拉伸強度(MPa)；b-試樣寬度(mm)；d-試樣厚度(mm)。

(四)響應面優化試驗

在單因素試驗基礎上,利用Design Expert 8.0.6.1軟件的Box-Behnken設計,以殼聚糖可食性膜的拉伸強度(R1)和裂斷伸長率(R2)為響應值,殼聚糖濃度(A)、海藻酸鈉濃度(B)、甘油濃度(C)為因素，因素水平見表3

表3 Box-Behnken試驗因素水平

二、結果與討論

(一)響應面試驗優化結果分析

1.響應面模型的建立與顯著性分析

在單因素試驗基礎上,利用Design Expert 8.0.6.1軟件的Box-Behnken設計,以殼聚糖可食性膜的拉伸強度(R)為響應值,殼聚糖濃度(A)、海藻酸鈉濃度(B)、甘油濃度(C)為因素。試驗結果見下表。

表4 響應面試驗設計及結果

表5 回歸模型方差分析表

2.響應面各因素間交互作用分析

圖1-3為不同變量交互作用對拉伸強度影響的響應面圖。在殼聚糖含量(A)、海藻酸鈉含量(B)和甘油含量(C)其中兩因素的條件下，殼聚糖可食性膜的拉伸強度分別隨著各因素的變化而變化。響應面圖可以直觀反映各變量對響應值的影響，等高線圖形狀可以反映各因素間交互作用強弱。在三維空間相應圖中，其曲面坡度大，則表示對拉伸強度影響顯著，反之平緩則不顯著[10]。而在等高線中，其形狀若趨近于橢圓，則表明對拉伸強度影響顯著；呈圓形則表示不顯著。而且橢圓排列越密集，說明在兩因素變化時，對響應值影響越大；越接近橢圓區域中心，拉伸強度越高，越遠離橢圓區域中心，拉伸強度越低[11]。

圖1 殼聚糖與海藻酸鈉含量對殼聚糖可食性膜拉伸強度的影響

圖1為確定甘油添加量基礎上，考量殼聚糖和海藻酸鈉添加量對殼聚糖可食性膜拉伸強度影響關系。圖1表明，當海藻酸鈉含量不變時，隨著殼聚糖含量增加，殼聚糖可食性膜拉伸強度先增強，而后有一個細微的降低；同理，當殼聚糖含量不變時，殼聚糖可食性膜拉伸強度隨海藻酸鈉含量的變化有類似趨勢。從三維圖中很明顯能看出，海藻酸鈉部分的曲面較為陡峭，說明海藻酸鈉含量相對于殼聚糖含量對殼聚糖可食性膜拉伸強度影響更為顯著。其交互作用等高線為橢圓形，說明兩因素交互作用影響顯著。

圖2 殼聚糖與甘油含量對殼聚糖可食性膜拉伸強度的影響

圖2為確定海藻酸鈉添加量基礎上，考量殼聚糖和甘油添加量對殼聚糖可食性膜拉伸強度影響關系。圖2表明，當甘油含量不變時，隨著殼聚糖含量增加，殼聚糖可食性膜拉伸強度先增強，而后有一個細微的降低；而當殼聚糖含量不變時，隨著甘油含量的增加，殼聚糖可食性膜的拉伸強度有一個很明顯的降低。從三維圖中很明顯能看出，甘油含量部分的曲面較為陡峭，說明甘油含量相對于殼聚糖含量對殼聚糖可食性膜拉伸強度影響更為顯著。其交互作用等高線為橢圓形，說明兩因素交互作用影響顯著。

圖3 海藻酸鈉與甘油含量對殼聚糖可食性膜拉伸強度的影響

圖3為確定殼聚糖添加量基礎上，考量海藻酸鈉和甘油添加量對殼聚糖可食性膜拉伸強度影響關系。圖2.6a表明，當甘油含量不變時，隨著海藻酸鈉含量增加，殼聚糖可食性膜拉伸強度不斷增強，但是增強的越來越慢；而當海藻酸鈉含量不變時，隨著甘油含量的增加，殼聚糖可食性膜的拉伸強度有一個很明顯的降低。其交互作用等高線為橢圓形，說明兩因素交互作用影響顯著。

(二)最優值的確定

由回歸方程求解得出殼聚糖可食性膜最佳配料比為4.26%殼聚糖，2.30%海藻酸鈉和4.77%甘油，預測殼聚糖可食性膜拉伸強度在此配方下能達到27.37Mpa。為驗證響應面法優化工藝結果可靠性，進行3組平行驗證試驗，考慮實際操作情況，將配料比調整為4.2%殼聚糖，2.3%海藻酸鈉和4.7%甘油，結果顯示殼聚糖可食性膜拉伸強度的平均值為26.97Mpa，與預測值相差1.46%，證明結果可信度較高。

三、結論

本實驗選取食品級殼聚糖為原料，添加海藻酸鈉和甘油為輔助劑制膜。通過單因素實驗和響應面試驗確定共混法制備殼聚糖可食性膜的最佳配方為：4.26%殼聚糖，2.30%海藻酸鈉和4.77%甘油，預測殼聚糖可食性膜拉伸強度27.37Mpa，實際值26.97Mpa，響應面模型與實際擬合良好，同時制得的殼聚糖可食性膜具有良好的機械性能，并能遇熱水即溶，使方便食品食用更方便、更衛生。