藕粉魔芋胶复合可食用膜配方优化研究

刘彩琴，金建昌，王 楠，姚雨琴，活 泼（浙江树人大学生物与环境工程学院，浙江杭州310015）

藕粉魔芋胶复合可食用膜配方优化研究

刘彩琴，金建昌，王 楠，姚雨琴，活 泼*
（浙江树人大学生物与环境工程学院，浙江杭州310015）

以藕粉为成膜主要材料，辅以魔芋、山梨醇和海藻酸钠，制备了一种新型可食性膜。通过单因素实验和响应面优化了膜组分对抗拉强度、断裂延展率、水溶性、透油系数和水蒸气透过系数等膜性能的影响，确定了制膜最佳配方为：藕粉3.6g、山梨醇1.22g、海藻酸钠0.62g、魔芋0.77g时，制得的可食性膜抗拉强度最大（4.58MPa），膜性能较适宜；藕粉3.6g、山梨醇1.42g、海藻酸钠0.64g、魔芋0.74g时，制得的可食性膜断裂延展率最大（66.41%），膜较柔软，膜性能较适宜。

可食性膜，藕粉，海藻酸钠，魔芋胶，理化性质

近年来，随着塑料应用领域的拓宽和使用量的急剧增加，曾经为人类带来极大方便的塑料制品引起诸多社会问题。数据显示，目前，全球石油基塑料制品的总产量超过2.0亿t，而且每年以5%的速度增长[1]，已是除能源和交通运输业之外消耗原油最大的领域。从废弃塑料数量来看，全球废弃的一次性塑料包装制品每年达6000万t[1]，我国已超过400万t[2]，这其中70%来自于食品包装塑料[2]。这些废弃的塑料多数混入生活垃圾，带来长期的深层次的环境问题[3-4]。合成塑料常用的单体如氯乙烯、苯乙烯、丙烯腈、乙烯、丙烯、异氰酸酯、双酚A（BPA）及改善塑性的改良剂如邻苯二甲酸酯（PAEs）等有毒或低毒[5-10]。基于石油基塑料造成的环境污染日益严重，传统塑料包装引发的食品安全问题愈加突出，国内外对可降解可食用包装材料的研究日益活跃。

近年来，国内外研究者在可食用包装材料方面积累了大量的技术[11-15]。但还对膜材料各原料组分分子间的作用方式、成膜机理仍不清楚，以至于大多研究都还处在实验室阶段。

藕粉具有凝胶特性，而且凝胶呈透明或半透明[16]，魔芋粉是一种非离子型天然高分子可再生多糖，具有良好的水溶性、持水性、增稠性、胶凝性、成膜性以及生物相容性等理化特性[17]。鉴于藕粉和魔芋胶的特性，结合包装材料的基本功能，本研究考察了藕粉和魔芋胶复合可食用膜的原料配比对膜理化性能的影响，为藕粉魔芋胶复合可降解可食用膜成膜机理的研究和膜性能调控奠定一定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

藕粉 浙江杭州市三家村藕粉厂生产；魔芋 湖北强森魔芋科技有限公司生产；食用油 鲁花5S压榨一级花生油；其他实验所用试剂 均为分析纯。

TA-XT2iATXT物性测量仪 英国Stable Microsystems公司；紫外分光光度计 日本岛津。

1.2 实验方法

1.2.1 可食用膜的制备工艺流程 藕粉中加入适量蒸馏水调成均匀糊状，再加入适量魔芋粉、山梨醇和海藻酸钠，加蒸馏水定容至100mL，搅拌溶解后90℃下糊化15min，流延法成膜，在70℃下烘烤4h，揭膜供分析。

1.2.2 可食用膜的抗拉强度（TS，MPa）与断裂延展率（E%）[18]将待测膜剪成10cm×1.5cm的长条，置于物性测量仪上作拉伸实验，初始夹距40mm，拉引速率1.0mm/s。抗拉强度计算公式如下：

式中：TS—抗拉强度（MPa）；F—试样断裂时承受的最大张力（N）；S—试样的截面积（m2）。

断裂延展率按下式计算：

式中：E—膜的断裂延展率（%）；L1—试样断裂时膜长（m）；L0—膜原长（m）。

1.2.3 可食用膜的水溶性测定[19]将待测膜切成约4cm×4cm的正方形，在干燥器中干燥至恒重，称量后放入300mL的去离子水中，于室温（25℃）下溶解24h后将膜轻轻取出，再将膜在60℃条件下干燥至恒重，称重，根据其重量变化计算水溶性，每个试样做3个平行。

式中：W1—称量瓶的重量（g）；W2—第一次干燥恒重时，称量瓶与膜的总重量（g）；W3—第二次干燥恒重时，称量瓶与膜的总重量（g）。

1.2.4 可食用膜的透油系数测定[20]取约3mL食用油置于试管中，以待测膜封口，倒置于滤纸上，放置2～7d，称量滤纸质量的变化，按公式计算透油系数（PO）。透油系数按下式计算：

式中：PO—透油系数，g·mm/（m2·d）；ΔW—滤纸质量的变化，g；FT—膜厚，mm；S—膜面积，m2；T—放置时间，d。

1.2.5 可食用膜的水蒸气透过系数测定（WVP）[21]采用拟杯子法测定。将待测膜密封于装有3g无水氯化钙的三角瓶口处，置于相对湿度为75%的干燥器中（内装干燥硅胶），在25℃下平衡，每24h取出测定其增重。

式中：WVP—水蒸气透过系数，g·cm/（cm2·s·Pa）；Δm—t时间内的质量增量，g；t—质量增量稳定后的两次间隔时间，h；A—试样透水蒸气的面积，m2；Δp—试样两侧的水蒸气压差，kPa。

1.3 可食性膜配方优化方法

1.3.1 单因素实验 考察藕粉、山梨醇、海藻酸钠、魔芋的用量对可食性膜性能的影响。

1.3.1.1 藕粉用量对可食用膜性能的影响 适量藕粉调成乳，分别加入山梨醇1.2g、海藻酸钠0.6g、魔芋0.6g，搅拌溶解，蒸馏水定容至100mL，按照流程成膜，测定其性能。

1.3.1.2 山梨醇用量对可食用膜性能的影响 藕粉3.6g调成乳，加入适量山梨醇，海藻酸钠0.6g和魔芋0.6g，搅拌溶解，蒸馏水定容至100mL，按照流程成膜，测定其性能。

1.3.1.3 海藻酸钠用量对可食用膜性能的影响 藕粉3.6g调成乳，加入山梨醇1.0g，适量海藻酸钠和魔芋0.6g，搅拌溶解，蒸馏水定容至100mL，按照流程成膜，测定其性能。

1.3.1.4 魔芋用量对可食用膜性能的影响 藕粉3.6g调成乳，加入山梨醇1.0g，海藻酸钠0.6g和适量魔芋，搅拌溶解，蒸馏水定容至100mL，按照流程成膜，测定其性能。

1.3.2 响应面法实验 在单因素实验的基础上，根据Box-Behnken的中心组合实验设计原理，选取藕粉、山梨醇、海藻酸钠、魔芋为实验因素，以可食性膜机械性能为实验指标，设计了四因素三水平的部分因子实验和中心组合实验，其水平编码表见表1和表2。

表1 部分因子实验设计及编码值Table 1 The coded and uncoded values of factors in FFD

表2 中心组合实验因子及水平Table 2 Levels of variables used in the central composite design

2 结果与分析

2.1 藕粉用量对可食用膜性能的影响

由表3可见，100mL的溶液中加入2.1～4.1g的藕粉，随着藕粉添加量增大，膜的抗拉强度先逐渐增大后降低，以3.6g的添加量时抗拉强度最大，为5.76MPa；而断裂延展率随添加量增大逐渐减小；水溶性随藕粉添加量增大而增大；透油系数变化不大；水蒸气透过系数有先增大后降低的趋势，以2.6g时最大。实验中发现，藕粉成膜液的浓度太大或太小都不易成膜；当膜浓度太大时，膜液粘度大，流动小，涂膜不均匀，而且膜较厚；膜浓度太小时，膜液的流动性会造成膜的厚薄不均，致密性差，最终不易成膜或膜过薄而难揭膜。鉴于抗拉强度大小对产品的机械性能影响大，所以，选择抗拉强度最大时藕粉用量，即3.6g为宜。

2.2 山梨醇用量对可食用膜性能的影响

山梨醇为极性分子，进入藕粉分子产生氢键结合，能降低分子间的作用力[17-18]，并软化薄膜的刚性结构，增加膜的流动性，使膜变得柔软。由表4可以看出，随着山梨醇添加量的增大，膜的抗拉强度迅速减少，同时膜越来越柔软；而断裂伸展率、水溶性、透油系数却逐渐增大；水蒸气透过系数有下降的趋势。实验中发现，山梨醇的添加量为0.8g时，制得的膜干硬，不易揭膜，综合膜的各项性能，以1.0g山梨醇添加量为宜。

2.3 海藻酸钠用量对可食用膜性能的影响

由表5可以看出，随着海藻酸钠添加量的增大，膜的抗拉强度、水溶性、透油系数增大；而断裂延展率和水蒸气透过系数下降。这是由于海藻酸钠含聚甘露糖醛酸和聚古罗糖醛酸链段结构，分子链中含有大量游离的羧基和羟基，具有亲水性[19]，在溶液中以无规线团的形式存在，旋转时需要占有大量的空间；随其添加量增加，单位体积内的线性结构增多[20]，分子间彼此碰撞的几率提高，分子间的摩擦力增大，使溶液黏度增高，膜不宜铺开，膜的抗拉强度增大了，但是，由于线性分子间较强的作用，会有更多的水分被挤出，使断裂伸展率下降。当用量超过0.8g后，膜液体系粘度增大，组分难以分散均匀，膜的结构缺乏均一性，膜质地变硬。因此，实验选用0.6g海藻酸钠为适宜。

2.4 魔芋用量对可食用膜性能的影响

由表6可以看出，随着魔芋含量的增加，抗拉强度和断裂延展率先增大后降低；水溶性、水蒸气透过系数在增加，透油系数变化不大。实验中发现，魔芋添加量过多时，其成膜液过于黏稠，会造成膜层不均匀且气泡较多的现象。同时，魔芋浓度的增大，成膜过程中残留的多余的魔芋会对膜有一定的增塑作用[22]，从而在一定程度上降低了分子的刚性。因此，综合上述，本实验魔芋用量0.8g。

表3 藕粉用量对可食用膜性能的影响Table 3 The effect of lotus root starch on properties of edible film

表4 山梨醇用量对可食用膜性能的影响Table 4 The effect of sorbitol on properties of edible film

表5 海藻酸钠用量对可食用膜性能的影响Table 5 The effect of sodium alginate on properties of edible film

表6 魔芋用量对可食用膜性能的影响Table 6 The effect of konjak on properties of edible film

表7 部分因子实验设计及实验结果Table 7 The design and results of FFD

2.5 部分因子实验

为了快速从多种组分中找到对可食用膜成膜影响最大的组分，本实验以单因素实验中获得的最佳添加量为基础，将最佳添加量确定为中心值，并进行适当的扩充而成为自变量的取值范围，以可食性膜性能为指标，以响应面方法优化可食用膜的成膜配方。

选取24部分因子实验设计，实验设计和结果见表7。

对部分因子实验结果进行回归分析表明：藕粉（X1）、山梨醇（X2）、海藻酸钠（X3）和魔芋（X4）对膜的透油系数、抗拉强度和断裂伸展率的影响不显著（p＞0.05）。

山梨醇（X2）对膜的水蒸气透过系数影响极显著（p值＜0.01）；海藻酸钠（X3）和魔芋（X4）对膜的水蒸气透过系数影响显著（p＜0.05），藕粉（X1）对膜的水蒸气透过系数影响不显著（p＞0.05），各因子间没有交互作用。由回归分析结果可得一次拟合线性回归方程：

y=0.03392－0.01120X1－0.02676X2＋0.01989X3＋0.01791X4式（1）

对式（1）进行方差分析，F=5.07，p=0.0078，表明模型显著。

山梨醇（X2）和魔芋（X4）对膜的水溶性影响极显著（p值＜0.01），海藻酸钠（X3）对膜的溶解性影响显著（p值＜0.05），藕粉（X1）对膜的溶解性影响不显著（p值＞0.05），各因子间没有交互作用。由回归分析结果可得一次拟合线性回归方程：

y=54.89564＋3.08386X1＋8.59168X2-4.57886X3-6.91239X4式（2）

对式（2）进行方差分析，F=6.07，p=0.0036，说明模型显著。

综上分析，将藕粉（X1）确定在中心点，对山梨醇（X2）、海藻酸钠（X3）和魔芋（X4）作进一步优化。

2.6 响应面优化

可食性膜的抗拉强度、断裂延展率代表膜的机械性能，机械性能越好，包材对包裹物的保护效果越好；透油系数和水蒸气透过系数代表对外界物质的阻隔性能，其数值越低，表明阻隔性越好，利于食品的保藏。所以，包材应具有良好的的机械强度，较低的透油和水蒸气透过性，适宜的水溶性；其中机械强度为包装材料的重要指标。所以响应面优化以抗拉强度和断裂延展率为藕粉魔芋复合可食性膜的重要考察指标，利用中心组合设计对山梨醇（X2）、海藻酸钠（X3）和魔芋（X4）进行优化。实验设计见表2，实验结果见表8。

2.6.1 可食性膜的抗拉强度响应面分析 抗拉强度表明断裂时承受外力的大小，是机械性能中重要指标之一。包材的抗拉强度高，能耐受一定的外力，避免外力因素导致的内包装物的完整性及安全性。藕粉魔芋胶复合可食性膜的抗拉强度响应面分析见表9和表10。

从表9和表10分析结果可知，该模型在95.09%概率水平上能解释抗拉强度的变化，因而模型是充分的。山梨醇（X2）、海藻酸钠（X3）、魔芋（X4）三者交互作用不显著。用多项式回归技术对实验数据拟合所得二次多项式方程（3）为：

表8 中心组合设计及实验结果Table 8 Experimental designs and the results of central composite design

表9 中心组合实验抗拉强度响应面分析结果Table 9 Regression coefficients and significances of tensile strength from the results of CCD

表10 中心组合实验抗拉强度方差分析结果Table 10 Analysis of tensile strength variance（ANOVA）for the model

Y1=4.648629+0.008402X2+0.039180X3-0.054496X4-0.265851X22-0.030357X3X2-0.318367X32-0.075462X4X2-0.050462X4X3-0.168321X42式（3）

对式（3）求导，可以得到模型的极大值处，当X2＝0.026386，X3＝0.052424，X4＝-0.128256，即山梨醇1.22g，海藻酸钠0.62g，魔芋0.77g。此时模型预测的抗拉强度最大响应为4.65MPa。经验证实验，其响应量结果为4.58MPa（n=3），预测值与实验值之间具有良好的拟合性，表明了模型的有效性。

2.6.2 可食性膜的断裂延展率响应面分析 膜的断裂延展率越大，说明膜的韧性越好。可食性膜断裂延展率响应面分析见表11和表12。

表11 中心组合实验断裂延展率响应面分析结果Table 11 Regression coefficients and significances of fracture strain from the results of CCD

表12 中心组合实验断裂延展率方差分析结果Table 12 Analysis of fracture strain variance（ANOVA）for the model

从表11和表12分析结果可知，该模型在95.13%概率水平上能解释断裂延展率的变化，因而模型是充分的。用多项式回归技术对实验数据拟合所得二次多项式方程（4）为：

Y2=66.430563+1.192803X2+0.622529X3-0.904969X4-2.146216X22-0.066279X3X2-3.886741X32-1.183793X4X2-1.311293X4X3-1.986167X42式（4）

表11分析表明：山梨醇（X2）和海藻酸钠（X3）交互作用不显著，魔芋（X4）与山梨醇（X2）和海藻酸钠（X3）交互作用显著。图1为魔芋（X4）与山梨醇（X2）和海藻酸钠（X3）对复合可食性膜延展率的响应面图。

对式（4）求导，可以得到模型的极大值处，当X2＝0.270831，X3＝0.100729，X4＝-0.275078，即山梨醇1.42g，海藻酸钠0.64g，魔芋0.74g。此时模型预测的断裂延展率最大响应为66.88%。经验证实验，其响应量结果为66.41%（n=3），预测值与实验值之间具有良好的拟合性，表明了模型的有效性。

验证实验表明，当藕粉3.6g，山梨醇1.22g，海藻酸钠0.62g，魔芋0.77g时，制得的可食性膜抗拉强度最大（4.58MPa），此时，藕粉魔芋可食性膜的延展率60.58%，水溶性42.03%，透油性0.031g·mm/（m2·d），水蒸气透过系数0.063g·cm/（cm2·s·Pa）；当藕粉3.6g，山梨醇1.42g，海藻酸钠0.64g，魔芋0.74g时，制得的可食性膜断裂延展率最大（66.41%），膜较柔软，此时，藕粉魔芋可食性膜的抗拉强度4.20MPa，水溶性50.13%，透油性0.043g·mm/（m2·d），水蒸气透过系数0.044g·cm/（cm2·s·Pa）。

图1 魔芋（X4）与山梨醇（X2）和海藻酸钠（X3）对复合可食性膜延伸率的响应面图Fig.1 The response surface plot of sorbitol,sodium alginate and konjak to fracture strain of edible film

3 结论

利用单因素实验和响应面法对藕粉、山梨醇、海藻酸钠和魔芋胶间的比例进行了优化，得到了机械性能良好的藕粉魔芋胶复合可食性膜。当藕粉3.6g，山梨醇1.22g，海藻酸钠0.62g，魔芋0.77g时，制得的可食性膜抗拉强度最大；当藕粉3.6g，山梨醇1.42g，海藻酸钠0.64g，魔芋0.74g时，制得的可食性膜断裂延展率最大，膜较柔软；两种配方下，藕粉魔芋胶复合可食性膜延展性、水溶性、透油性、水蒸气透过性能均较适宜，适合工业化大规模生产。

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Optimization of lotus root starch and konjak composite edible films by response surface analysis

LIU Cai-qin，JIN Jian-chang，WANG Nan，YAO Yu-qin，HUO Po*
（College of Biology and Environment Engineering，Zhejiang Shuren University，Hangzhou 310015，China）

The aim of the present study was to optimize the composite of edible films which used the lotus root starch as main material，adding konjak，sorbitol and sodium alginate.The property such as tensile strength，fracture strain，water solubility，oil permeability coefficient and water vapor through coefficient were studied using one-factor design and response surface methodology.The results showed that the composite was 3.6g lotus root starch，1.22g sorbitol，0.62g sodium alginate and 0.77g konjak，the tensile strength was highest，and the films properties were feasible.The composite was 3.6g lotus root starch，1.42g sorbitol，0.64g sodium alginate and 0.74g konjak，the fracture strain was highest（66.41%），the film was soft and properties were feasible.

edible film；lotus root starch；sodium alginate；konjak；the physical and chemical properties

TS201.1

A

1002-0306（2014）14-0333-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.065

2013－10－23 *通讯联系人

刘彩琴（1975-），女，博士，副教授，研究方向：食品科学。

国际科技合作专项（2013C24025）；引进大院名校共建创新载体浙江树人大学超微量研究中心（2012E80002）。