基于響應(yīng)面法優(yōu)化殼聚糖–卡拉膠可食性復(fù)合膜制備工藝

張抒愛，郭 芳，周銘懿，李丹丹，張 振，郭雪松

（錦州醫(yī)科大學(xué)，遼寧 錦州 121000）

隨著人們健康意識逐漸增強(qiáng)，對食品包裝安全性的需求及標(biāo)準(zhǔn)也越來越高。與傳統(tǒng)的塑料薄膜不同，可食性復(fù)合膜的安全性更高，并且具有可生物降解以及可再生性，更加符合綠色環(huán)保的發(fā)展需求，同時起到阻隔外界物質(zhì)進(jìn)入的作用，因此在食品包裝領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[1-2]。可食性膜是以自然界中可食性材料為主要成膜物質(zhì)（如殼聚糖、淀粉、卡拉膠等），通過添加含烴基或氨基的化合物（甘油、山梨醇等）為增塑劑制備的薄膜[3]。研究表明，單一的可食膜存在著一些性能（阻隔性能、機(jī)械性能等）不足的問題，影響了膜的應(yīng)用范圍，使其應(yīng)用受到局限。為了增強(qiáng)膜的綜合性能，很多學(xué)者將兩種及以上的成膜材料共混改性，按照不同的添加量及比例復(fù)配，結(jié)合不同成膜材料的特性，改善單一成膜材料性能缺陷，從而得到一款具有優(yōu)良性能的復(fù)合膜[4]。Sánchez-González 等[5]為了提高膜的綜合性能制備了復(fù)合膜，羅寧寧[6]研究了殼聚糖–肉桂精油可食性膜，Wu等[7]制備了銀鯉皮明膠–牛至精油復(fù)合膜，結(jié)果表明復(fù)合膜的性能均優(yōu)于單一膜。

卡拉膠（KC）是從海洋紅藻中提取的天然多糖，不僅具有優(yōu)良凝膠性、且無毒無害可食用，同時還具有較好成膜性[8]。殼聚糖（CS）來源廣泛，是天然的堿性氨基多糖，具有一定抑菌功能及良好的生物兼容性，近幾年來更因其優(yōu)良的成膜性，即可以在食品表面形成一層保護(hù)膜，被廣泛應(yīng)用于食品的涂膜保鮮[9]。茶多酚（TP）是從茶葉中提取的多酚物質(zhì)，具有優(yōu)良的抗氧化、廣譜抑菌性，此外更因其獨(dú)特的清除異味功能可作為一種天然功能添加劑注入到復(fù)合膜液中[10]。Qin等[11]、成淑君等[12]將 TP和肉桂精油加入到殼聚糖膜中，所制得的膜具有抑菌性能。鐘樂等[13]利用響應(yīng)面法優(yōu)化明膠–殼聚糖可食性復(fù)合膜的制備所制膜的透明度、光澤度、及物理性能等表征均為良好。單一殼聚糖膜存在機(jī)械性能不足和抗氧化性相對較差的缺點(diǎn)，而茶多酚具有抗氧化性。目前將殼聚糖、卡拉膠與茶多酚復(fù)合，研究其性能及制備工藝還未見報道。

本實(shí)驗(yàn)將殼聚糖、卡拉膠和茶多酚共混，并加以響應(yīng)面分析優(yōu)化，以期制備出適用性更廣的可食性復(fù)合膜，彌補(bǔ)單一殼聚糖或卡拉膠膜的性能缺陷，提高膜的綜合性能，茶多酚的添加還可增強(qiáng)膜的抑菌性及抗氧化性，為擴(kuò)大其在食品保鮮等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

殼聚糖、丙三醇、無水氯化鈣：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；茶多酚、卡拉膠：食品級，沃佳生物科技有限公司；冰醋酸：分析純，上海麥克林生化科技有限公司。

1.1.2 主要儀器與設(shè)備

質(zhì)構(gòu)儀，TMS-PRO型：北京盈盛恒泰科技有限公司；電子數(shù)顯測厚規(guī)，SYNTEK-59防油型：浙江德清公司；紫外可見分光光度計，752N型：上海儀電分析儀器有限公司；超聲波清洗器，CJ-040型：深圳市超潔科技實(shí)業(yè)有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9030A型：上海一恒儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 殼聚糖–卡拉膠復(fù)合膜制備制備工藝流程

稱取一定量的殼聚糖溶解于 1%冰醋酸溶液中+一定量的卡拉膠和茶多酚→攪拌加入甘油→40 ℃磁力攪拌1 h直至溶液完全溶解→超聲脫氣1 h直至氣泡消除→靜置冷卻至室溫→取一定量的膜液倒入一次性培養(yǎng)皿中流延成膜（25 mL）→50 ℃干燥 6 h→接膜→恒溫恒濕培養(yǎng)箱平衡12 h→貯存待測。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.2.2.1 殼聚糖不同添加量對殼聚糖–卡拉膠復(fù)合膜性能的影響 固定卡拉膠添加量0.6 g、茶多酚0.6 g、甘油0.6 g，改變殼聚糖添加量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%），按1.2.1制膜工藝制備復(fù)合膜，并測定其性能。

1.2.2.2 卡拉膠不同添加量對殼聚糖–卡拉膠復(fù)合膜性能的影響 固定殼聚糖添加量1.5 g、茶多酚0.6 g、甘油0.6 g，改變卡拉膠添加量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%），按1.2.1制膜工藝制備復(fù)合膜，并測定其性能。

1.2.2.3 甘油不同添加量對殼聚糖–卡拉膠復(fù)合膜性能的影響 固定殼聚糖添加量1.5 g、卡拉膠0.6 g、茶多酚添加量 0.6 g，改變甘油添加量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%），按1.2.1制膜工藝制備復(fù)合膜，并測定其性能。

1.2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert軟件，按照Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計，以殼聚糖、卡拉膠、甘油添加量為考察因子，水蒸氣透過率為考察指標(biāo)，制定3因素3水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，每個實(shí)驗(yàn)做三個平行，測定各個指標(biāo)并進(jìn)行工藝優(yōu)化。因素水平表為表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Benlmke %

1.2.4 復(fù)合膜的性能測試

1.2.4.1 膜厚度測試 參考 GB/T 6672—2001《塑料薄膜與薄片厚度的測定機(jī)械測量法》[14]。用電子數(shù)顯測厚規(guī)在表面光滑的膜上選取七個（中心一個點(diǎn)周圍六個點(diǎn)）測試點(diǎn)取平均值，記為D。（測量精度為0.001 mm）

1.2.4.2 膜不透明度測試 參照 SHOJAEEALIABADI 等[15]方法并略加修改，將薄膜剪切成1 cm × 4.5 cm的長條形，放入烘干箱干燥后取出，將其固定在比色皿內(nèi)壁。用空氣比色皿作為空白對照組，在660 nm波長下用分光光度計測定吸光值。每個樣品測3個平行，取平均值。按公式（1）計算不透明度。

式中：A660—波長660 nm下吸光值；D—薄膜厚度，mm。

1.2.4.3 膜水蒸氣透過率（WVP）測試 參照Kurt A等[16]的擬杯式法并加以適當(dāng)修改。將無水氯化鈣研磨，放入烘干箱干燥至恒重，取出冷卻至室溫備用（相對濕度0%）。在玻璃干燥器底部加入蒸餾水（維持相對濕度為100%），將待測膜密封覆蓋在裝滿氯化鈣的小三角瓶（25 mL）瓶口，稱重后將其置于事先準(zhǔn)備好的干燥器中，然后移入25 ℃的氣候培養(yǎng)箱中，每隔6 h將三角瓶取出稱重，連續(xù)測4次（精準(zhǔn)到0.000 1）。按公式（2）計算水蒸氣透過率（WVP）。

式中：m—三角瓶增加重量，g；t—時間，s；A—薄膜透水有效面積，m2；D—薄膜厚度，m；ΔP—薄膜兩側(cè)水蒸氣壓力差，（25 ℃，3 169 Pa）。

1.2.4.4 膜機(jī)械性能測試 參考 ASTM D882標(biāo)準(zhǔn)并稍作修改。將膜裁成5 cm×1.5 cm的長條形，在TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀上選擇薄膜拉伸試驗(yàn)程序進(jìn)行測定，設(shè)定參數(shù)：起始夾距為20 mm，拉伸速率為60 mm/min，每組樣品測量6條，最終結(jié)果取其平均值。按公式（3）、（4）計算拉伸強(qiáng)度（TS）和斷裂伸長率（EB）

式中：Fmax—樣品斷裂時的力，N；A—膜的橫截面積（膜厚度乘以膜寬度），mm2。

式中：L—樣品斷裂時的長度，m；L0—樣品的初始長度，m。

1.3 數(shù)據(jù)處理

作圖和數(shù)據(jù)分析分別采用Excel和SPSS 19.0，顯著性（P＜0.05），響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計及數(shù)據(jù)分析采用軟件Design-Expert 8.0.6。

2 結(jié)果與分析

預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著茶多酚添加量（0.2%～1.0%）的增加，水蒸氣透過率先降低再增大，制備的復(fù)合膜顏色逐漸加深，由淺黃色變?yōu)樯铧S色，b*值由 10.25增加到 21.44（b*代表黃藍(lán)程度），ΔE由5.69增加到14.37。同時，當(dāng)茶多酚添加量達(dá)到0.6%時，膜的拉升強(qiáng)度降低，綜合考慮復(fù)合膜的感官品質(zhì)及其性能，本實(shí)驗(yàn)確定茶多酚的添加量為0.6%。

2.1 殼聚糖添加量對復(fù)合膜性能的影響

由表2可知，隨著殼聚糖含量的增加，膜的厚度逐漸升高，殼聚糖添加量為0.5%時，膜的厚度只有0.033 mm左右，此時膜軟且不易接膜。復(fù)合膜的不透明度逐漸降低，不透明度的值越小表示膜的透光性越好。膜的斷裂伸長率也逐漸降低，這可能是因單一殼聚糖膜質(zhì)脆，殼聚糖添加量越多越偏向殼聚糖膜的性質(zhì)。水蒸氣透過率和拉升強(qiáng)度都逐漸升高，可能是因?yàn)闅ぞ厶潜旧硎怯H水物質(zhì)還會與其他分子形成氫鍵，互相產(chǎn)生作用力[17]。當(dāng)殼聚糖添加量為2.0%時拉升強(qiáng)度達(dá)到最大，但是水蒸氣透過率達(dá)到 2.71。故綜合考慮，殼聚糖添加量選擇1.5%。

表2 殼聚糖添加量對復(fù)合膜性能影響Table 2 Effect of chitosan addition on properties of composite membrane

2.2 卡拉膠添加量對復(fù)合膜性能的影響

由表3可知，卡拉膠的添加量會影響膜的性能變化。隨著卡拉膠含量的添加，會使膜的透光性越來越好，膜的厚度、拉升強(qiáng)度和水蒸氣透過率都是呈遞增趨勢，且當(dāng)卡拉膠添加量為 0.8%時，三個指標(biāo)都達(dá)到最大值。這是因?yàn)榭ɡz是天然高分子，含有很多烴基，它的加入會提高氫鍵之間的相互作用力，增強(qiáng)分子間相互作用。當(dāng)添加量為1%時，拉升強(qiáng)度略微降低，可能是分子間的氫鍵作用受到一定影響，從而致使膜拉升強(qiáng)度減小。且卡拉膠添加量過多的成膜液會比較粘稠，使其流動性減小，不利于自然流動成膜。因此，綜合考慮，選擇卡拉膠添加量0.4%。

表3 卡拉膠添加量對復(fù)合膜性能影響Table 3 Effect of carrageenan addition on properties of composite membrane

2.3 甘油添加量對復(fù)合膜性能的影響

由表4可知，當(dāng)甘油添加量為1.0%時，膜的厚度達(dá)到所有組合的最大值0.120 mm。隨著甘油添加量的增加，膜的不透明度逐漸降低，說明甘油的加入會增加分子間的空隙使膜厚度增大，透光率增大。膜的斷裂伸長率和水蒸汽透過率也隨之逐漸增大，這是由于甘油本身為親水物質(zhì)，且相對分子質(zhì)量較小，很容易進(jìn)入分子內(nèi)部與多糖形成新的網(wǎng)絡(luò)，從而使分子之間的相互作用力減弱，進(jìn)一步使分子鏈的流動性及其自由體積得以增大，水分?jǐn)U散的能力和柔韌性得到增強(qiáng)[18]。水蒸氣透過率是衡量膜阻水性能的參考指標(biāo)，其值越小表示阻水性能越好，綜合考慮，選擇甘油添加量0.6%。

表4 甘油添加量對復(fù)合膜性能影響Table 4 Effect of glycerol addition on properties of composite membrane

2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1 響應(yīng)面回歸方程建立與分析

采用軟件對表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到WVP=1.38–0.051A–0.049B–0.057C+0.080AB+0.13AC+0.19BC+0.27A2+0.23B2+0.30C2的二次多元回歸方程，和表6方差分析結(jié)果。由表6可知，該模型P＜0.000 1，達(dá)到極顯著水平，失擬P=0.700 3＞0.05，不顯著，說明模擬效果良好。且相關(guān)系數(shù)R2為 0.987 8，為0.972 0，說明此模型可以解釋97.20%的響應(yīng)值變化，方程擬合度較好。可以用來對殼聚糖–卡拉膠復(fù)合膜進(jìn)行優(yōu)化分析和預(yù)測。且影響因素C（甘油添加量）＞A（殼聚糖添加量）＞B（卡拉膠添加量）。

表5 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果Table 5 Box-Behnken experiment design and corresponding results

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

2.4.2 響應(yīng)曲面與等高線分析

在甘油添加量為0.6%時，殼聚糖添加量與卡拉膠添加量對水蒸氣透過率的交互作用如圖 1，隨著殼聚糖和卡拉膠添加量增加，水蒸氣透過率先降低后上升。在卡拉膠添加量為0.4%時，殼聚糖添加量和甘油添加量對水蒸氣透過率的交互作用如圖 2。隨著殼聚糖和甘油添加量的增加，響應(yīng)面趨勢先降低后上升。在殼聚糖添加量為1.5%時，卡拉膠和甘油添加量對水蒸氣的交互作用如圖 3，增加卡拉膠和甘油添加量，水蒸氣透過率達(dá)到最低后又上升。圖 1(b)、圖 2(b)、圖 3(b)的等高線輪廓都比較接近圖橢圓，表明它們之間對水蒸氣的透過率有交互影響。且甘油和卡拉膠添加量的相互作用對水蒸氣透過率的影響更顯著。

圖1 殼聚糖添加量、卡拉膠添加量對水蒸氣透過率的影響Fig.1 Effects of chitosan and carrageenan on water vapor transmission

圖2 殼聚糖添加量、甘油添加量對水蒸氣透過率的影響Fig.2 Effects of and glycerol on water vapor transmission

圖3 卡拉膠添加量、甘油添加量對水蒸氣透過率的影響Fig.3 Effects of carrageenan and glycerol on water vapor transmission

2.4.3 最優(yōu)工藝參數(shù)確定及驗(yàn)證

通過Design-Expert 8.0.6.1軟件進(jìn)行分析與優(yōu)化，確定最佳配比為殼聚糖1.5%、卡拉膠0.4%、甘油 0.6%（為方便制備已取整數(shù)）。在此工藝下三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測定復(fù)合膜的水蒸氣透過率，測定的平均值為 1.38（10–11g/m·s·Pa）。接近預(yù)測值1.37（10–11g/m·s·Pa），表明該模型可靠。同時，此時的復(fù)合膜的厚度為 0.050 mm，拉伸強(qiáng)度為31.21 MPa，斷裂伸長率為 41.34%，對比單一殼聚糖膜的厚度略有提升，機(jī)械和阻水等綜合性能得到提高，說明該模型能優(yōu)化成膜工藝。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)將殼聚糖與卡拉膠、茶多酚混合，采用流延法制備殼聚糖–卡拉膠復(fù)合膜。通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了最佳成膜工藝，最佳工藝為殼聚糖1.5%、卡拉膠0.4%、甘油0.6%、茶多酚0.6%，此時的可食性復(fù)合膜的綜合性能得到改善，機(jī)械性能和阻水性能都優(yōu)于單一殼聚糖膜，彌補(bǔ)了單一殼聚糖膜質(zhì)脆和阻水性能差的缺點(diǎn)，且滿足綠色環(huán)保的需求，為其在食品保鮮及其他領(lǐng)域應(yīng)用提供理論依據(jù)。后續(xù)可從該復(fù)合膜的抗氧化性及抑菌性入手，研究其在食品涂膜保鮮對食品品質(zhì)變化的影響。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國知網(wǎng)、萬方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫下載獲取。