響應(yīng)面法優(yōu)化殼聚糖/酪蛋白酸鈉可食性膜的制備工藝

◎ 曾麗萍，樊愛(ài)萍，閆 偉

（紅河學(xué)院 化學(xué)與資源工程學(xué)院，云南 蒙自 661199）

近年來(lái)，隨著人們食品質(zhì)量與安全意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)環(huán)境友好型產(chǎn)品的偏好，綠色環(huán)保的可再生的可食性薄膜引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注[1]?？墒承阅な侵柑烊痪酆衔铮ǖ鞍踪|(zhì)、多糖、纖維素及其衍生物等）通過(guò)分子間作用力形成結(jié)構(gòu)致密薄膜，作為食品包裝材料其應(yīng)用范圍廣、生產(chǎn)便捷、安全性高、開(kāi)發(fā)潛力大[2]。

殼聚糖是一種安全無(wú)毒、可降解、具有廣譜抑菌性等特點(diǎn)的含氮堿基多糖，具有良好成膜性。然而，純的殼聚糖機(jī)械性能、阻氣性和耐水性都具有明顯的缺點(diǎn)。酪蛋白酸鈉是一種可商業(yè)化的成膜材料，透明度高且阻氣性好，但存在水蒸氣阻隔性能較差、機(jī)械強(qiáng)度低、抑菌性弱等缺陷，單獨(dú)成膜難以滿足食品包裝需求。為改善可食性膜的性能將其與不同的天然高分子材料進(jìn)行共混是比較高效和低廉的方式。本研究將殼聚糖和酪蛋白酸鈉共混制成殼聚糖/酪蛋白酸鈉復(fù)合膜，通過(guò)單因素試驗(yàn)和采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)獲得殼聚糖/酪蛋白酸鈉復(fù)合膜最佳制備工藝。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；TA.new plus型質(zhì)構(gòu)儀，上海瑞玢國(guó)際貿(mào)易有限公司。

殼聚糖（脫乙酰度為80.0%～95.0%）、冰乙酸、甘油、鹽酸、無(wú)水氯化鈣均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；酪蛋白酸鈉（食品級(jí)），購(gòu)自千志食品有限公司。

85-2型數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，常州潤(rùn)華電器有限公司；KQ5200DE型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；XHF-D型高速分散器，寧波新芝生物科技股份有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 膜的制備工藝

殼聚糖/酪蛋白酸鈉復(fù)合膜制備工藝流程如圖1所示。

圖1 殼聚糖/酪蛋白酸鈉復(fù)合膜制備工藝流程圖

1.2.2 單因素試驗(yàn)

（1）殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜性能的影響。殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比為4∶1，pH值為4.0，甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%，研究殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）對(duì)復(fù)合膜性能的影響。

（2）殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比對(duì)復(fù)合膜性能的影響。殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，pH值為4.0，甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%，研究殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比（5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶1）對(duì)復(fù)合膜性能的影響。

（3）pH值對(duì)復(fù)合膜性能的影響。殼聚糖/酪蛋白酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，殼聚糖/酪蛋白酸鈉的質(zhì)量比為4∶1，甘油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%，研究pH值（3.0、3.5、4.0、4.5、5.0）對(duì)復(fù)合膜性能的影響。

（4）甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜性能的影響。殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比為4∶1，pH值為4.0，研究甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%）對(duì)復(fù)合膜性能的影響。

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

表1 因素水平表

1.2.4 指標(biāo)測(cè)定

（1）厚度的測(cè)定。選擇均勻、無(wú)孔洞膜，隨機(jī)取5個(gè)點(diǎn)，取平均值。

（2）機(jī)械性能的測(cè)定。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，對(duì)復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度（TS）和斷裂伸長(zhǎng)率（EAB）進(jìn)行測(cè)定。

（3）水蒸氣透過(guò)率（WVP）的測(cè)定。根據(jù)ASTME-96標(biāo)準(zhǔn)的方法[3]進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜性能的影響由圖2可知，隨著殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多，TS、EAB和WVP均逐漸上升。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，TS和EAB增幅減小，且膜液濃度過(guò)高，黏稠度增強(qiáng)，流動(dòng)性變差。出現(xiàn)倒膜困難、膜干燥后硬度大易折碎、透明度差及表面不平整等問(wèn)題。但質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低形成的膜較薄，難以揭膜。WVP隨著復(fù)合膜基質(zhì)增多而增大，這是由于單位體積內(nèi)殼聚糖/酪蛋白酸鈉分子數(shù)越多，其親水效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致膜的水蒸氣阻隔性能下降。綜合考慮各方面因素，后續(xù)以殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜性能的影響圖

2.1.2 殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比對(duì)復(fù)合膜性能的影響

由圖3可知，隨著殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比減小，TS逐漸下降而EAB先上升后下降。TS降低可能是殼聚糖與酪蛋白酸鈉分子間形成的作用力，影響殼聚糖分子致密的剛性結(jié)構(gòu)，從而降低了抗變形能力；EAB增加是與酪蛋白含量有關(guān)。當(dāng)殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比為2∶1時(shí)，EAB最大。隨著殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比減小，WVP先上升后下降。這可能是低濃度的酪蛋白酸鈉加入弱化了殼聚糖分子間的作用力，破壞了殼聚糖的規(guī)整結(jié)構(gòu)，降低了復(fù)合膜的致密性，使得WVP提高；隨著酪蛋白酸鈉比例進(jìn)一步增多，分子間作用力增大，膜結(jié)構(gòu)的規(guī)整性得到改善，使得WVP下降[4]。綜合考慮，選取殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比為3∶1為宜。

圖3 殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比對(duì)復(fù)合膜性能的影響圖

2.1.3 pH值對(duì)復(fù)合膜性能的影響

由圖4可知，TS隨著pH值的升高先上升后下降，EAB則不斷上升。當(dāng)pH值在4.5左右時(shí)，TS最大。這說(shuō)明適宜的pH值可改善復(fù)合膜機(jī)械性能。WVP隨著pH值的增大而減小，pH值為5時(shí)，WVP最低。有研究表明[5]，殼聚糖的量足以覆蓋酪蛋白表面時(shí)，可以改善酪蛋白在等電點(diǎn)附近聚集現(xiàn)象，少量析出酪蛋白分子會(huì)滲入復(fù)合膜的空隙，使復(fù)合膜結(jié)構(gòu)更加致密從而增強(qiáng)其阻水性。因此，選取pH值為4.5為宜。

圖4 pH值對(duì)復(fù)合膜性能的影響圖

2.1.4 甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜性能的影響

由圖5可知，隨著甘油含量的增多，TS逐漸下降，EAB逐漸上升。TS下降是因?yàn)楦视瓦M(jìn)入膜的大分子鏈間，破壞原來(lái)的分子結(jié)構(gòu)，削弱了大分子間的作用力。此外，甘油能增加膜溶液中的黏稠度，可增強(qiáng)分子鏈流動(dòng)性，使復(fù)合膜的柔韌性增強(qiáng)，EAB增大。WVP隨甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多而逐漸減小后快速升高，下降的原因可能是甘油與成膜大分子間形成氫鍵等化學(xué)鍵，一定程度上阻礙了水分子的通過(guò)[6]；當(dāng)添加量為1%時(shí)WVP顯著增加（P＜0.05），這可能是甘油與膜分子的作用力大于膜基質(zhì)分子間作用力，導(dǎo)致膜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生間隙、變得松散，使得WVP提高。此外，甘油分子在基質(zhì)中不易揮發(fā)，添加過(guò)多的甘油會(huì)使干燥后的復(fù)合膜表面有甘油溢出，影響感官性狀。因此，選取甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%為宜。

圖5 甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜性能的影響圖

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果表

（續(xù)表2）

2.2.2 方差分析

應(yīng)用響應(yīng)面軟件進(jìn)行回歸擬合分析。從表3可知，TS的二次響應(yīng)模型F值=40.18，P值極顯著。失擬性不顯著，說(shuō)明該模型誤差較小能夠較好地描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)回歸方程各項(xiàng)顯著性表明，各因素對(duì)TS影響表現(xiàn)為A＞C＞B。交互因素對(duì)TS影響表現(xiàn)為BC＞AB＞AC。EAB的二次響應(yīng)模型F值=228.83，P值極顯著）。失擬性不顯著，說(shuō)明該模型誤差較小能夠較好地描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；貧w方程各項(xiàng)顯著性表明，各因素對(duì)EAB影響表現(xiàn)為C＞A＞B。交互因素對(duì)EAB影響表現(xiàn)為AC＞AB＞BC。WVP的二次響應(yīng)模型F值=21.24，P值極顯著。失擬性不顯著，說(shuō)明該模型誤差較小能夠較好地描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)回歸方程各項(xiàng)顯著性表明，各因素對(duì)WVP影響表現(xiàn)為A＞C＞B。交互因素對(duì)WVP影響表現(xiàn)為AC＞BC＞AB。

表3 殼聚糖/酪蛋白酸鈉復(fù)合膜回歸方程及方差分析表

2.2.3 模型優(yōu)化與驗(yàn)證

采用響應(yīng)面的優(yōu)化功能以TS、EAB取最大值，WVP取最小值為尋優(yōu)目標(biāo)。當(dāng)殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比為4∶1、pH值為4.55、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.74%時(shí)，復(fù)合膜綜合性能最好，TS、EAB、WVP預(yù)測(cè)值分別 為22.98 MPa、61.12%和0.96×10-10g·m-1·s-1·Pa-1。根據(jù)模型優(yōu)化結(jié)果并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的便捷性，將殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比、pH值、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別調(diào)整為4∶1、4.5和0.75%，經(jīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到復(fù)合膜的TS、EAB和WVP分別為23.16 MPa、61.08%和0.97×10-10g·m-1·s-1·Pa-1，與理論值較為接近，說(shuō)明經(jīng)過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化殼聚糖/酪蛋白酸鈉復(fù)合膜的制備工藝參數(shù)穩(wěn)定可靠，具有可重復(fù)性。

3 結(jié)語(yǔ)

為獲得TS、EAB及WVP均最優(yōu)的復(fù)合膜，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果和操作便捷性，當(dāng)殼聚糖/酪蛋白酸鈉質(zhì)量比、pH值、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4∶1、4.5和0.75%時(shí)，復(fù)合膜的TS、EAB、和WVP分別為23.16 MPa、61.08%和0.97×10-10g·m-1·s-1·Pa-1，與理論值較為接近，數(shù)據(jù)可靠性高。本研究結(jié)果可為殼聚糖/酪蛋白酸鈉可食性薄膜的制備應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)支持，此外，該復(fù)合膜以多糖和蛋白為主要成膜基質(zhì)，安全且可降解，符合當(dāng)今“可持續(xù)發(fā)展”綠色包裝的理念。