響應(yīng)面法優(yōu)化脫乙酰魔芋葡甘聚糖/κ-卡拉膠可食性膜的制備工藝

胡 燕， 鄒 建， 袁曉晴

(河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院，河南 鄭州 450046)

魔芋葡甘聚糖(KGM)是從魔芋塊莖中提取得到的一種天然多糖[1]。在食品工業(yè)中，KGM是經(jīng)食品藥品監(jiān)督管理局批準的一種食品添加劑，安全性極好，得到廣泛的應(yīng)用[2-3]。其分子結(jié)構(gòu)為分子比1.6∶1.0的甘露糖和葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵聚合而成的鏈狀多糖，且有部分乙酰基隨機連接到糖單元上[4]。眾多的研究結(jié)果表明，通過堿脫乙酰化對KGM進行改性可使之凝膠化[2,5-6]。脫乙酰作用會使得KGM的無乙酰區(qū)交聯(lián)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]。卡拉膠是從紅藻類海草中提取出來的一類親水性膠體，它的化學(xué)結(jié)構(gòu)是由半乳糖及脫水半乳糖所組成的多糖類硫酸酯的鈣、鉀、鈉、銨鹽[8-9]。由于其優(yōu)良的功能特性，如膠凝性、增稠性、乳化性、穩(wěn)定性等，被廣泛用于各類食品的生產(chǎn)[10-12]。據(jù)報道，KGM與卡拉膠復(fù)配后協(xié)同增效作用明顯，可形成強度大、黏彈性適中且表面均勻光滑的凝膠[13-14]。脫除部分乙酰基后，KGM與卡拉膠混合體系的加工性能更加優(yōu)良，如黏度變小因而利于混合，凝膠硬度根據(jù)需求可進一步增大，凝膠脫水收縮現(xiàn)象進一步減小等[15]。

近年來，可食性膜由于具有制作工藝簡單、成本低、可食、使用方便、易降解以及對環(huán)境不產(chǎn)生污染等優(yōu)良特點成為研究熱點。利用KGM或者KGM與卡拉膠混合研制可食性膜的研究已有一些[16-17]，但是以脫乙酰魔芋葡甘聚糖(Da-KGM)與卡拉膠混合制備可食性膜的研究目前尚未見報道。本研究以Da-KGM與κ-卡拉膠為主要材料制備可食性膜，并對其制備過程中的主要參數(shù)進行了優(yōu)化，以期研發(fā)一種性能優(yōu)良的Da-KGM/κ-卡拉膠可食性膜。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋葡甘聚糖(食用級)，由湖北強森魔芋科技有限公司生產(chǎn)，κ-卡拉膠、甘油、無水碳酸鈉、氯化鈉、鹽酸和氯化鉀均為分析純，由國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

1.2 儀器與設(shè)備

BS210S分析天平購自德國Sartorius公司，BL310電子天平購自德國Sartorius公司，HH4數(shù)顯恒溫水浴鍋購自國華電器有限公司，SHZ-82A機械攬拌機購自國華電器有限公司，DJH-136L-L 鼓風(fēng)干燥箱購自上海簡戶儀器設(shè)備有限公司，AGS-J電子萬能試驗機購自島津企業(yè)管理(中國)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 脫乙酰魔芋葡甘聚糖的制備 不同的脫乙酰度的KGM用Chen等[18]的方法制備，稍加改動。準確稱量30.00 g KGM 粉末于具塞錐形瓶中，加入200 ml 50%(體積比) 的酒精溶液，然后放置于恒溫振蕩器中于150 r/min的轉(zhuǎn)速40 ℃ 充分溶脹30 min。再分別加入一定量的Na2CO3溶液，使得Na2CO3與KGM的質(zhì)量比分別為0、0.75%、1.50%、2.25%、3.00%，40 ℃反應(yīng)24 h。反應(yīng)完成后，分別用50%、75%和 95%的酒精溶液清洗3遍以除去過量的堿，再用無水酒精脫水處理，過量的酒精在通風(fēng)櫥中蒸發(fā)，最后置于真空干燥機于40 ℃真空干燥6 h。通過改變Na2CO3的用量，一系列不同脫乙酰度的Da-KGM 粉末制備成功，分別標記為Da0、Da1、Da2、Da3和Da4。

1.3.2 脫乙酰度的測定 脫乙酰度(DD)定義為脫去的乙酰基含量與KGM分子中乙酰基總含量的比值。根據(jù)Zhang等報道的滴定法進行測定[19]。測定方法如下：準確稱量0.5 g KGM 粉末于具塞錐形瓶中，加入10 ml 75%(體積比) 的酒精溶液，然后放置于恒溫振蕩器中于150 r/min的轉(zhuǎn)速40 ℃ 充分溶脹30 min。當(dāng)樣品溶液冷卻到室溫后，加入0.5 ml 0.5 mol/L NaOH溶液，置于恒溫振蕩器中于150 r/min的轉(zhuǎn)速40 ℃皂化24 h。過量的堿用0.1 mol/L的鹽酸溶液滴定。以不加KGM粉末的作為空白對照，每個樣品平行測定3次，結(jié)果取平均值。乙酰基的含量(W0)用公式(1)計算：

(1)

式中V2代表滴定空白樣品所消耗的HCl體積，V1代表滴定KGM樣品所消耗的HCl體積，NHCl代表HCl的當(dāng)量濃度，Macetyl=43 g/mol ，ms代表樣品質(zhì)量。

脫乙酰度用公式(2)進行計算：

DD=(W0-W)/W0×100%

(2)

式中W0代表天然KGM中乙酰基總含量，W代表在試驗條件下脫除部分乙酰基后剩下的乙酰基的含量。根據(jù)該方法進行測定，本試驗中制備的Da-KGM的脫乙酰度分別為Da0(天然KGM，脫乙酰度為0)，Da1(脫乙酰度為13.43%),Da2(脫乙酰度為26.13%)，Da3(脫乙酰度為45.01%)，Da4(脫乙酰度為63.23%)。

1.3.3 復(fù)合可食性膜的制備方法 復(fù)合可食性膜的制備方法參考張莉瓊等[16]的方法，稍作改動。將一定脫乙酰度的魔芋葡甘聚糖與κ-卡拉膠按照一定的比例混合，邊攪拌邊溶于適量蒸餾水中，加入一定量的甘油作為增塑劑，再加入固體KCl使其濃度為0.1 mol/L，機械攪拌6 h使其充分溶解并混勻。然后將混合液體放入真空干燥箱中于-0.8 MPa下脫氣30 min。脫氣后在一定溫度的水浴鍋中加熱溶脹一段時間，趁熱將膜液流延于平整光滑的塑料托盤中，再于50 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥12 h成膜。工藝流程如圖1所示。

圖1 Da-KGM/κ-卡拉膠可食性膜制備工藝流程Fig.1 Process flow of deacetylated konjac glucomannan(Da-KGM)/κ-carrageenan edible films

1.3.4 單因素試驗 按照圖1的生產(chǎn)工藝制備脫乙酰魔芋葡甘聚糖(Da-KGM)/κ-卡拉膠可食性膜，各因素固定值分別為：Da-KGM的脫乙酰度為26.13%，Da-KGM與κ-卡拉膠的比例為1∶1(質(zhì)量比)，Da-KGM的添加量為1%，甘油添加量為0.4%，加熱溫度為70 ℃，加熱時間為30 min，保持其他5個因素不變，每次改變1個因素，設(shè)計Da-KGM的脫乙酰度分別為0、13.43%、26.13%、45.01%、63.23%；Da-KGM與κ-卡拉膠的比例分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3；Da-KGM的添加量分別為0.50%、0.75%、1 .00%、1.25%、1.50%；甘油添加量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%；加熱溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃；加熱時間分別為10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min。多糖類薄膜材料常見缺點為彈性和隔水性不足，因此主要選取斷裂伸長率(E)和水蒸氣透過系數(shù)(WVP)這2個指標進行測定。

1.3.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用BBD設(shè)計方案，以Da-KGM的添加量、甘油添加量、加熱溫度和加熱時間為自變量，可食性膜的斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)為響應(yīng)值，設(shè)計4因素3水平響應(yīng)面分析試驗，確定最佳制備工藝。每一變量的低水平、中水平、高水平分別以-1、0、1編碼，試驗因素與水平見表1。

1.3.6 膜的斷裂伸長率測定 根據(jù)黃艷等[17]的方法，參照GB/T 1040.3-2006，選取厚度相對均勻的膜，將其裁剪成15 mm×100 mm的長條形，用電子萬能試驗機進行測量。設(shè)定上下夾具間距為60 mm，測量速率為50 mm/min。

斷裂伸長率(%)按公式(3)進行計算：

(3)

式中，L0為試驗樣品原始標線距離；L為試驗樣品斷裂時標線間距離。

1.3.7 膜的水蒸氣透過系數(shù)測定 參照GB/T 1037-1988 ，采用擬杯子法測定膜的水蒸氣透過系數(shù)。參考黃艷等[17]的方法，準確稱取2.0 g無水氯化鈣，置于稱量瓶中，然后用膜將瓶口密封，制成透濕杯，并稱質(zhì)量。在干燥器底部放置飽和的NaNO2溶液，再將準確稱過質(zhì)量的透濕杯放于干燥器上部，每隔一段時間稱質(zhì)量1次，最后計算出水蒸氣透過率。水蒸氣透過率計算公式如下：

(4)

式中，△W為透濕杯增加的質(zhì)量，d為膜厚度，A為試驗樣品的透過面積，△t為時間變化，P2-P1為水蒸氣透過膜兩側(cè)的蒸汽壓差。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理 單因素試驗測定3 次，取平均值，使用origin8.5進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，響應(yīng)面采用Design Expert 8進行多元回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Da-KGM脫乙酰度對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

由圖2得知，Da-KGM的脫乙酰度對可食性膜斷裂伸長率的影響和其對水蒸氣透過系數(shù)的影響都很顯著(P<0.05)。隨著Da-KGM的脫乙酰度的增大，可食性膜的斷裂伸長率先增大后減小。當(dāng)脫乙酰度為26.13%時，可食性膜的斷裂伸長率達最大值。而可食性膜的水蒸氣透過系數(shù)則隨著脫乙酰度的增大而逐漸減小，但當(dāng)脫乙酰度增大到26.13%后，水蒸氣透過系數(shù)減小的趨勢較緩慢。Huang等的研究結(jié)果也表明，脫除部分乙酰基后的KGM制備膜材料時，可以得到更好的諸如拉伸強度、斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)等加工性能[20]。隨著脫乙酰度的增大，Da-KGM與κ-卡拉膠之間形成的凝膠結(jié)構(gòu)更加致密，硬度增大[15]。綜合斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)2個指標來看，26.13%脫乙酰度的KGM較適合制備可食性膜材料。

圖2 Da-KGM脫乙酰度對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.2 Effects of deacetylation degree of Da-KGM on elongation and water vapor permeability

2.2 Da-KGM與卡拉膠比例對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

由圖3得知，隨著Da-KGM與κ-卡拉膠混合比例發(fā)生變化，可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)都相應(yīng)發(fā)生較大變化。二者比例為1∶1時，斷裂伸長率數(shù)值最大。膜的水蒸氣透過系數(shù)隨著二者比例的增大逐漸減小，當(dāng)二者比例達1∶1后，曲線趨于平緩，減小速率較慢。綜合考慮膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)2個指標，當(dāng)Da-KGM與κ-卡拉膠混合比例為1∶1時，制備出來的可食性膜加工性能較好。

圖3 Da-KGM與卡拉膠比例對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.3 Effects of ratio of Da-KGM to κ-carrageenan on elongation and water vapor permeability

2.3 Da-KGM添加量對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

由圖4可知，隨著Da-KGM添加量的增大，可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)都逐漸增大。這是因為雖然凝膠劑含量的增加，有助于凝膠的形成及凝膠強度的增大，但是KGM強的水合性質(zhì)又使得過多的Da-KGM不利于可食性膜的阻水隔水性能。并且大量的Da-KGM也提高了可食性膜的制造成本。從圖4可以看出，當(dāng)Da-KGM的添加量超過1.00%時，水蒸氣透過系數(shù)增大較迅速。所以綜合考慮，Da-KGM的添加量為1%左右較適宜。

圖4 Da-KGM添加量對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.4 Effects of Da-KGM content on elongation and water vapor permeability

2.4 甘油添加量對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

甘油是膜材料制備中常用的增塑劑[21]。從圖5可以看出，在試驗范圍內(nèi)，可食性膜的斷裂伸長率隨著甘油添加量的增加而增大。但是可食性膜的水蒸氣透過系數(shù)也隨著甘油添加量的增加而增大，而且當(dāng)甘油添加量超過0.4%后，水蒸氣透過系數(shù)增大速度加快。這是因為甘油作為增塑劑，可以破壞分子內(nèi)部氫鍵，增大膜的通透性[22]。綜合考慮2個指標，甘油添加量為0.4%左右較為適宜。

圖5 甘油添加量對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.5 Effects of glycerol content on elongation and water vapor permeability

2.5 加熱溫度對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

由圖6可以看出，隨著加熱溫度的提高，可食性膜的斷裂伸長率先逐漸增大，約60 ℃時達最大值，其后基本維持不變，但當(dāng)加熱溫度大于70 ℃后，可食性膜的斷裂伸長率開始逐漸減小。而水蒸氣透過系數(shù)在試驗所測范圍內(nèi)隨著加熱溫度的提高而逐漸減小。綜合考慮2個指標，70 ℃左右的加熱溫度較為適宜。

圖6 加熱溫度對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.6 Effects of heating temperature on elongation and water vapor permeability

2.6 加熱時間對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

由圖7可以看出，隨著加熱時間的延長，可食性膜斷裂伸長率先逐漸增大，加熱時間達到30 min后，開始逐漸減小。而水蒸氣透過系數(shù)的變化趨勢則相反，開始時隨著加熱時間的延長而逐漸減小，約40 min后開始逐漸增大。綜合考慮2個指標，加熱時間選擇30 min或者40 min較為適宜。

圖7 加熱時間對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.7 Effects of heating time on elongation and water vapor permeability

2.7 響應(yīng)面試驗結(jié)果及分析

采用Design Expert8.0.6 軟件，對表1數(shù)據(jù)進行回歸擬合，分別以斷裂伸長率(Y1)，水蒸氣透過系數(shù)(Y2)為響應(yīng)值，共29個處理，響應(yīng)面試驗結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

表3 回歸模型方差分析

2.7.2 影響可食性膜性質(zhì)的主要因素 由表4可知，影響可食性膜斷裂伸長率的主要因素是Da-KGM添加量、甘油添加量和加熱溫度；影響復(fù)合膜水蒸氣透過系數(shù)的主要因素是Da-KGM添加量、加熱溫度和加熱時間。

2.7.3 工藝參數(shù)優(yōu)化及驗證結(jié)果 采用Box-Behnken中的聯(lián)合求解，對斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)2個指標值進行自動權(quán)重分配，得到聯(lián)合滿意度。以聯(lián)合滿意度為響應(yīng)值，得到優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)為：Da-KGM添加量為1.01%，甘油添加量為0.43%，加熱溫度為68.72 ℃，加熱時間為28.78 min。此條件下可食性膜斷裂伸長率為25.80%，水蒸氣透過系數(shù)為4.08 g·mm/(m2·h·kPa)。

對響應(yīng)面優(yōu)化所得參數(shù)進行驗證試驗，重復(fù)5次，結(jié)果見表5，測得可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)分別為25.48%、4.19 g·mm/(m2·h·kPa)，與預(yù)測值25.80%、4.08 g·mm/(m2·h·kPa)較為接近，說明響應(yīng)面優(yōu)化所得數(shù)學(xué)模型對實際情況有較好的預(yù)測效果。

表4 各性能指標的回歸方程及顯著性檢驗結(jié)果

表5 對響應(yīng)面優(yōu)化所得參數(shù)驗證的試驗結(jié)果

3 討 論

可食性包裝膜是以天然可食性生物大分子材料為原料，通過添加一定的輔助劑而形成的具有一定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可食用薄膜[22]。大分子多糖經(jīng)常被用來作為制備可食性膜的原料。KGM和卡拉膠均是食品工業(yè)中常用的親水性多糖材料，不僅安全性好，而且具有多種生理保健功能。如長期進食KGM可以減肥、潤腸通便、抗腫瘤[23]，而卡拉膠也具有抗病毒、抗腫瘤和免疫調(diào)節(jié)活性[24]。因此，KGM和卡拉膠都是制備可食性膜良好的備選材料。

由于KGM的水溶液黏度太大，不利于與其他原輔料進行混合，使用不方便。而且KGM的強親水性也不利于膜材料的阻水隔水性能。而當(dāng)KGM脫除部分乙酰基后，其水溶液黏度會大幅下降，親水性也大幅降低[25]。因此，本研究以Da-KGM與κ-卡拉膠為主要原料，甘油為主要輔料，制備復(fù)合可食性膜。并通過響應(yīng)面法對其主要制備工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。本研究得到的主要工藝條件為：KGM的脫乙酰度為26.13%，Da-KGM的添加量為1.01%，Da-KGM與κ-卡拉膠的比例為1∶1(質(zhì)量比)，甘油添加量為0.43%，加熱溫度為68.72 ℃，加熱時間為28.78 min。在此條件下制備的復(fù)合可食性膜具有較適宜的斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)。 這得益于Da-KGM與κ-卡拉膠分子間的協(xié)同作用[15]。該研究結(jié)果在生產(chǎn)上具有較高的實用價值，可以為擴大KGM和卡拉膠的應(yīng)用范圍及后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)提供參考。