响应面法优化普鲁兰多糖-明胶可食性膜制备工艺

高丹丹，江连洲,*，张 超，马 越，赵晓燕

(1.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.北京市农林科学院蔬菜研究中心，北京 100097)

响应面法优化普鲁兰多糖-明胶可食性膜制备工艺

高丹丹1，江连洲1,*，张 超2，马 越2，赵晓燕2

(1.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.北京市农林科学院蔬菜研究中心，北京 100097)

采用单因素和响应面分析法优化普鲁兰多糖-明胶复合膜配方。结果表明：甘油添加量对抗拉强度的影响最大，普鲁兰多糖添加量的影响最小。当普鲁兰多糖添加量2.00%、明胶添加量5.00%、甘油添加量1.00%时，其抗拉强度达到最大，为85.18MPa，验证实验结果为89.83MPa，二者的相对误差为5.18%，响应面法优化的组成真实可靠。

普鲁兰多糖；明胶；可食性膜；抗拉强度；响应面分析

可食性包装膜是以可食性生物大分子物质为主要基质，辅以可食性的增塑剂，通过一定的处理工序形成一种结构致密的薄膜[1]。由于塑料包装使用后的废弃物难以降解以及对包装食品的风味影响，使得各国学者展开了对可食性膜的研发。Tong等[2]的普鲁兰多糖-海藻酸钠-羧甲基纤维素复合膜和Gounga等[3]的乳清分离蛋白-普鲁兰多糖复合膜研究结果表明，普鲁兰多糖可食性膜透明度高、阻油、阻氧性好。Caroline等[4]的明胶膜和Li等[5]的魔芋葡甘聚糖-明胶可食性膜研究结果表明明胶膜热封性好、机械性能较高，且明胶价格低廉。本实验将普鲁兰多糖与明胶复合成膜，通过响应面分析法优化普鲁兰多糖-明胶可食用膜的最佳配方，以期提高可食性膜的机械性能、透明度以及阻隔性能，制备出一种适合应用在速溶咖啡、速溶方便面等领域的可食性内包装膜，为可食性膜的工业化生产提供技术依据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

普鲁兰多糖 天津实发中科百奥工业生物技术公司；明胶 沧州市金箭明胶有限公司；甘油 北京化工厂。

SM-112型测厚仪 日本Teclock公司；Taxt Plus物性测试仪 英国Stable Micro Systems公司；PERMA TRAN-W Model 1/50 G水蒸气透过率测试仪 美国Mocon公司；UV-1800型紫外分光光度计 日本岛津公司；DZKW-4型电子恒温水浴锅 中国中兴伟业仪器有限公司；BM-1型生物混合仪 日本Nihonseiki公司。

1.2 普鲁兰多糖-明胶可食性膜制备工艺优化

明胶、普鲁兰多糖和甘油以不同的配比复合成膜。明胶溶解在90℃蒸馏水中，普鲁兰多糖溶解在60℃蒸馏水中，冷却到室温后添加甘油，搅拌均匀。成膜溶液倾倒在培养皿中，室温成膜。揭膜后于40℃、50%相对湿度的干燥器中平衡2d，测定膜的指标。

在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken[6]设计试验，以普鲁兰多糖-明胶复合膜的抗拉强度为响应值，通过响应面分析进行复合膜配方的优化。

1.3 膜性能的测试方法

膜厚度根据GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度的测定：机械测量法》[7]，用测厚仪对每张膜测定厚度，均匀取13个点(其中1点过膜的中心点)，以平均值作为膜的厚度值。

膜的机械性能根据ASTM D 882-01《Annual Book of ASTM Standards》方法[8]，使用物性测试仪测定膜样品的抗拉强度(TS)和断裂延伸率(E)，两个探头的初始间距设定为40mm，拉引速度设定为1mm/s。其计算参照式(1)和(2)。

式中：TS为抗拉强度/MPa；F为膜断裂时的最大拉力/N；S为膜的横截面积/m2；E为断裂延伸率/%；L0为膜样品的长度/mm；L1为膜断裂时的长度/mm。

膜的透光率应用紫外分光光度计，将膜样品贴在石英比色皿的一侧，在波长600nm处测定复合膜的透光率。以空石英比色皿作为空白对照。

膜的水溶性取40μm的膜样品剪裁成2cm×2cm规格，置于盛满90℃水的烧杯中，以样品的溶解时间来评价膜的水溶性。

膜的水蒸气透过率(water vapor permeability，WVP)根据ASTM F 1249-05《Standard Test Method for Water Vapor Transmission》方法[9]，在室温(23℃)、常压条件下测定膜的水蒸气透过率。测试时使用的载气为高纯氮气，测试面积为5cm2。膜两侧相对湿度分别设定为50%和15%。

膜的油脂渗透系数(P0)根据谷宏等[10]的方法进行测定。于试管内装5mL色拉油，用圆形的膜样品封住试管口，再放一张预先称量质量的滤纸片，室温下(25℃)倒置放于50%相对湿度的干燥器中。一周后记录滤纸片的质量。油脂渗透系数的计算见式(3)。

式中：P0为油脂渗透系数/(g·mm/(m2·d))；Δm为质量变化/g；h为膜厚度/mm；S为试管口面积/m2；t为测试时间/d。

2 结果与分析

2.1 普鲁兰多糖对复合膜成膜特性的影响

在明胶添加量为5.00%，甘油添加量为1.00%的条件下，研究不同普鲁兰多糖添加量对成膜特性的影响(表1)。当普鲁兰多糖添加量为2.00%时，复合膜抗拉强度、透光率最大，这是由于普鲁兰多糖和明胶这两种聚合物在此条件下的相容性最好，分子间的相互作用增强。随着普鲁兰多糖添加量的增加，复合膜的厚度增加，分子间的迁移率下降，故水蒸气透过率和断裂延伸率逐渐降低；油脂透过率所有测试组都未检出，这是由普鲁兰多糖和明胶两种聚合物致密的结构所决定。另外，随着普鲁兰多糖添加量的增加，复合膜的溶水时间逐渐增大。故普鲁兰多糖添加量为2.00%时，是此单因素的最优条件。

表1 不同普鲁兰多糖添加量对复合膜成膜特性的影响Table 1 Effect of pullulan concentration on properties of composite films

2.2 明胶添加量对复合膜成膜特性的影响

表2 不同明胶添加量对成膜特性的影响Table 2 Effect of gelatin concentration on properties of composite films

在普鲁兰多糖添加量为2.00%，甘油添加量为1.00%的条件下，研究不同添加量的明胶对复合膜成膜特性的影响(表2)。结果显示，复合膜的水蒸气透过率和断裂延伸率都是随着明胶添加量的逐渐增加而逐渐降低，且试验组都不透油，这是由于复合膜厚度的增加使得大分子聚合物相互聚集导致复合膜的阻隔性增强。明胶的水溶性较好，都在25s以内完全溶解。另外，当明胶添加量为5.00%，复合膜的抗拉强度、透光率达到最大，这是由于普鲁兰多糖和明胶较好的相容性决定的，因此明胶优化的最优条件为5.00%。

2.3 甘油添加量对复合膜的成膜特性的影响

在普鲁兰多糖添加量为2.00%、明胶添加量为5.00%的条件下，研究不同甘油添加量对复合膜成膜特性的影响(表3)。结果显示，随着甘油添加量的逐渐增多，复合膜的溶水时间减少，水蒸气透过率逐渐增加。这一方面是由于成膜原料都为亲水性物质，另一方面甘油也亲水，会降低聚合物链间的分子间力，增加自由体积，使水蒸气透过率增加[2,11]。同时随着甘油添加量的增加，复合膜的抗拉强度骤降，断裂延伸率逐渐上升。所以，甘油添加量为1.00%时膜的抗拉强度最大。

表3 甘油添加量对复合膜成膜特性的影响Table 3 Effect of glycerol concentration on properties of composite films

2.4 响应面分析方案及分析结果

根据Box-Behnken设计原理，综合单因素试验结果，选取普鲁兰多糖添加量、明胶添加量、甘油添加量作为对复合膜抗拉强度影响的因素，采用三因素三水平的响应面分析方法，不同添加量的普鲁兰多糖、明胶和甘油对复合膜抗拉强度的影响。试验因素及水平见表4，试验设计及结果见表5。

表4 普鲁兰多糖-明胶可食性膜制备工艺Box-Behnken试验因素与水平表Table 4 Variables and their levels used in Box-Behnken experimental design

抗拉强度的总回归方程为：TS＝84.95＋3.13A＋10.22B－32.26C－5.51AB＋3.54AC＋4.94BC－5.86A2－7.90B2－15.77C2，其线性相关系数R2＝0.9781，说明回归方程拟合度很好。在单因素试验和推荐使用的最优组合的基础上，综合复合膜的断裂延伸率、油脂透过率、水蒸气透过率、水溶性、透光率等指标的考虑，分析数据求得最大值分别为A＝0.02、B＝0.05、C＝0.01，即复合膜的抗拉强度配方的最佳优化条件为普鲁兰多糖添加量2.00%、明胶添加量5.00%、甘油添加量1.00%，在此条件下抗拉强度的预测值可达85.18MPa。为验证响应面分析法的可靠性，对该优化条件进行验证试验[12-13]，每次做6个平行样取平均值，再重复做3次并取平均值，抗拉强度的实际测得值为89.83MPa，二者的相对误差仅5.18%，说明响应面分析法优化的工艺参数是可靠的，可以为普鲁兰多糖-明胶复合膜的工业化生产提供技术依据。在此条件下，复合膜的断裂延伸率为(6.17±1.29)%，水蒸气透过率为(149.08±11.23) g·m/(m2·d)，油脂透过系数未检出，600nm波长处的透光率为(90.37±0.53)%，溶水时间为(20±3)s。

表5 普鲁兰多糖-明胶可食性膜制备工艺Box-Behnken试验设计与结果Table 5 Box-Behnken experimental design and corresponding results

表6 抗拉强度的二次响应模型方差分析Table 6 ANOVA for tensile strength with pullulan, gelatin and glycerol concentrations

由表6可知。抗拉强度的二次响应模型的P＜0.0001，说明模型是极显著的，模型中影响复合膜抗拉强度的因素主次是C＞B＞A、其中B、C的影响是极显著的(P＜0.01)。失拟项的P＝0.1838＞0.1，说明失拟不显著，二次响应模型能很好的描述此组试验数据。

2.5 显著交互作用对复合膜抗拉强度的影响

图1 各因素之间交互影响膜抗张强度的响应面和等高线图Fig.1 Response surface and contour plots showing the effects of three variables on tensile strength of pullulan-gelatin composite films

3个因素之间的交互作用对膜抗拉强度影响见图1。响应曲面的坡度越陡峭，表明抗拉强度对两因素添加量的改变越敏感[9]。由图1a可知，响应曲面的坡度较陡峭，说明抗拉强度对普鲁兰多糖和明胶添加量的改变较敏感。由等高线可知，当普鲁兰多糖在1.80%～2.20%时，明胶在4.00%～5.00%时抗拉强度最大，其预测值为85.95MPa。图1b等高线可以看出，当甘油在1.00%时，抗拉强度最大，然后随着甘油添加量的逐渐增加抗拉强度逐渐降低。在图1c的等高线中，也是随着甘油添加量的逐渐增加抗拉强度逐渐降低。这是因为甘油可以很容易地插入到聚合物的分子链间，并与分子链上的羟基、羰基形成氢键，破坏分子链间以及分子内形成氢键，使得聚合物的相互作用减弱，从而降低了复合膜的抗拉强度[5,14-15]。

3 结 论

响应面分析显示甘油添加量对抗拉强度的影响最大，普鲁兰多糖添加量的影响最小。普鲁兰多糖-明胶可食性膜的最佳组成为普鲁兰多糖2.00%、明胶添加量5.00%，甘油添加量1.00%，在此条件下，复合膜的抗拉强度达到最大，复合膜的阻隔性也较好，并且成本也较低廉，适合工业化大规模生产。

[1] 王海鸥. 可食性膜及其在食品工业中的应用[J]. 食品与机械, 2002 (5): 4-8.

[2] TONG Qunyi, XIAO Qian, LIM L T. Preparation and properties of pullulan-alginate-carboxymethylcellulose blend films[J]. Food Research International, 2008, 41(10): 1007-1014.

[3] GOUNGA M E, XU Shiying, WANG Zhang. Whey protein isolatebased edible films as affected by protein concentration, glycerol ratio and pullulan addition in film formation[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 83(4): 521-530.

[4] CAROLINE A, CARVALHO R, TOMAS G G. Effect of surfactants on the functional properties of gelatin-based edible films[J]. Journal of Food Engineering, 2011, 103(2): 129-136.

[5] LI B, KENNEDY J F, JIANG Q G, et al. Quick dissolvable, edible and heatsealable blend films based on konjac glucomannan- gelatin[J]. Food Research International, 2006, 39(5): 544-549.

[6] 王振宇, 王会友. 响应面优化桔梗多糖可食用复合膜的制备[J]. 化工进展, 2010, 29(2): 297-322.

[7] GB/T 6672—2001塑料薄膜与薄片厚度的测定: 机械测量法[S].

[8] ASTM D 882-01. Annual Book of ASTM Standards[S]. Philadelphia, PA: American Society for Testing and Matericals, 2002.

[9] ASTM F 1249-05. Water vapor transmission rate through plastic film and sheeting using a modulated infrared sensor[S]. Philadelphia, PA: American Society for Testing and Matericals, 2005.

[10] 谷宏, 马涛, 赵增煜. 高直链玉米淀粉可食性膜的研制[J]. 包装工程, 2007, 28(5): 15-17.

[11] JIA Dongying, FANG Yu, YAO Kai. Water vapor barrier and mechanical properties of konjac glucomannan-chitosan-soy protein isolate edible films[J]. Food and Bioproducts Processing, 2009, 87(1): 7-10.

[12] 宋佳明, 陈海华. 响应面法优化卡拉胶-明胶复合膜拉伸特性的研究[J]. 食品与机械, 2009, 25(6): 169-173.

[13] 陈文平, 江贵林, 汪超, 等. 响应面优化魔芋葡甘聚糖膜力学性能研究[J]. 食品科学, 2010, 31(10): 95-100.

[14] OLIVAS G I, BARBOSA G V. Alginate-calcium films: Water vapor permeability and mechanical properties as affected by plasticizer and relative humidity[J]. LWT- Food Science and Technology, 2008, 41(2): 359-366.

[15] MARIANA A S, ANDREA C K, THEO G K. Alginate and pectin composite films cross-linked with Ca2+ions: effect of the plasticizer concentration[J]. Carbohydrate Polymers, 2009, 77(4): 736-742.

Optimization of Pullulan-Gelatin Composite Films by Response Surface Analysis

GAO Dan-dan1，JIANG Lian-zhou1,*，ZHANG Chao2，MA Yue2，ZHAO Xiao-yan2
(1. College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China；2. Vegetable Research Center, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

The aim of the present study was to optimize the formulation of pullulan-gelatin composite films using one-factorat-time design and response surface methodology. The tensile strength of pullulan-gelatin composite films was affected most by glycerol concentration and least by pullulan concentration. Pullulan-gelatin composite films composed of 2% pullulan, 5% gelatin and 1% glycerol showed the highest tensile strength. A relative error of 5.18% was found between the actual (89.83 MPa) and predicted (85.18 MPa) tensile strength, suggesting high reliability of the optimized formulation.

pullulan；gelatin；edible film；tensile strength；response surface analysis

TS206.4

A

1002-6630(2012)18-0021-04

2011-07-12

北京市优秀人才项目(2010D002020000012)；北京市百千万人才专项

高丹丹(1986—)，女，硕士研究生，研究方向为粮食、油脂与植物蛋白工程。E-mail：Diana198691@126.com

*通信作者：江连洲(1960—)，男，教授，博士，研究方向为大豆蛋白。E-mail：jianglanzhou@nercv.org