响应曲面法优化骨胶蛋白可食膜合成工艺

屠兰英 赵启文 马应梅

摘要：在单因素试验的基础上，以抗拉强度为评价指标，采用Box-Behnken设计原理，分析了骨胶含量、a-胶含量、甘油含量和淀粉含量对抗拉强度的影响，建立了相应的预测模型。结果表明，最佳优化工艺的骨胶含量为13.45 g、淀粉含量为11.37 g、a-胶含量为2.43 g、甘油含量为 4.13 mL，可食复合膜的抗拉强度达到 22.074 3 MPa，表明响应曲面法所优化出的合成工艺具有科学性。

关键词：可食性蛋白膜；响应曲面法；合成

中图分类号：TS206.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）14-3497-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.042

Optimization of Synthesis of Edible Collagen Protein Film by

Response Surface Methodology

TU Lan-ying， ZHAO Qi-wen， MA Ying-mei

（School of Chemical Engineering， Qinghai Universty， Xining 810016，Qinghai， China）

Abstract： Based on the single factor tests， the effects of collagen protein， a-colloid， glycerin， starch on tensile strength（TS） were designed using Box-Behnken to assess the TS.A prediction model was established. The optimal synthesis conditions were collagen protein 13.45 g， starch 11.37 g， a-colloid 2.43 g， glycerin 4.13 ml，and the edible collagen protein film TS was 22.0743 MPa.It was generally indicated that the response surface method was scientific.

Key words： edible collagen protein film； response surface methodology； synthesis

随着环保意识的增强以及对食品品质要求的提高，人们对食品包装也提出了更高的要求，可降解包装材料以及天然无毒可食性包装材料逐渐成为食品包装材料领域研究的热点[1]。可食膜是以天然可食材料为原料，添加一定量的增塑剂等，通过共混等方式制备的包装材料，具有良好的机械性能和阻隔性能，能够用于食品包装，主要通过阻隔水汽和溶质等地迁移来保证食品的质量，从而防止食品腐败变质、延长食品的货架期。可食性包装膜在食品工业中的用途相当广泛，果蔬保鲜、肉制品和水产品地加工和保鲜，糖果和焙烤食品地加工和保藏，以及方便和快餐食品的包装等[2-9]。目前，国内外在可食膜方面研究主要集中在小麦面筋蛋白、大豆分离蛋白、玉米醇溶蛋白、乳清蛋白、马铃薯淀粉基、玉米淀粉基、木薯淀粉基、壳聚糖基等上， 以胶基蛋白为原料的生物复合可食膜的研究较少。因此，胶基蛋白生物复合可食膜研究将是一个新型的研究领域。胶基蛋白生物复合可食膜不仅营养丰富，具备优良的阻氧性、阻油性，而且节约了用于食品内包装膜的粮食资源，充分利用了肉类工业中的废弃物生产的胶基蛋白，原料成本低、经济效益好。响应曲面法（Response Surface Methodology，RSM）是一种多元分析方法，广泛应用于食品、化工等领域的物质配方、工艺条件等优化研究[10-12]。响应曲面分析通过建立二次多项式模型拟合因素与响应值之间的函数关系来研究各因素之间相互作用以及因素对响应值的影响，从而进行优化和评价[13-15]。本研究以抗拉强度为评价指标，分析了骨胶含量、a-胶含量、甘油含量和淀粉含量对抗拉强度的影响，采用响应曲面的Box-Behnken设计试验，建立了连续变量曲面模型，确定了最佳的优化工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

骨胶蛋白：食品级，青海明胶股份有限公司；a-胶：食品级，郑州优然食品化工有限公司；淀粉：食品级，青海三江薯业有限公司；丙三醇：化学纯，烟台市双双化工有限公司；SP-80：莱阳市双双化工有限公司；TW-80：莱阳市双双化工有限公司；其他试剂均为分析纯。

YJ-P型铺膜机：青海益洁生物工程有限公司；智能人工气候箱：浙江托普仪器有限公司；HHS-4S型电子恒温不锈钢水浴：上海光地仪器设备有限公司；WE-300型万能材料测试仪：长春试验机厂；FA2104S型电子天平：北京金科利达电子科技有限公司；KH-1000KDE型超声波仪：西安中诺仪器有限公司。

1.2 试验方法

溶液调配→热处理→加入交联剂、表面改性剂等→溶解、反应→过滤→增稠→真空脱气→涂布→烘干→分切→收卷→包装制样→性能测试。

1.2.1 单因素试验 按照制备可食膜的方法，进行单因素试验。淀粉的加入量分别为5、6、8、10、15、20 g；骨胶加入量分别为5、10、15、20、25、30 g；a-胶加入量分别为1.5、2.0、2.5、3.0 g；甘油的加入量分别为1、2、3、4、5、6 mL。

1.2.2 响应曲面法优化试验 根据Box-Behnken设计原理，选取淀粉、骨胶、甘油、a-胶的加入量为自变量，抗拉强度为响应值，设计了4因素3水平共29个试验点的响应曲面试验，因素与水平见表1。

1.3 数据处理

利用软件 Design-Expert 8.05b对试验结果进行分析，拟合二次多项式方程并绘制响应曲面图，确定最佳合成工艺条件。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 淀粉对膜性能的影响 加入淀粉的量分别为5、6、8、10、15、20 g，制备可食膜并对其力学性能进行测试，结果见图1。由图1可知，随着淀粉含量的增加，膜的抗拉强度先增大后减小，这是因为淀粉属于部分结晶的天然高聚物，具有较强的凝沉性能，分子具有抗润涨性，淀粉分子在凝结沉淀的过程中呈三维空间分布，与骨胶相互作用形成立体网状刚性结构，其抗拉强度增加，但较高浓度时，淀粉糊精快速凝沉后分子还来不及排列结成束状结构而相互结合成凝胶体，其抗拉强度反而降低。

2.1.2 骨胶对膜性能的影响 加入骨胶的量分别为5、10、15、20、25、30、35 g，制备可食膜并对其力学性能进行测试，结果见图2。由图2可知，随着骨胶加入量的增加，膜的抗拉强度先增大后趋于平缓，在骨胶含量为15 g左右时，膜的抗拉强度最大。这主要是因为骨胶是天然链状大分子结构，与多糖间相互作用形成立体网状刚性结构，增加其机械性能，骨胶含量的增加，分子间的相互作用力增强，这样骨胶膜的抗拉强度会增大，但达到极值后将不再改变。因此，综合考虑，骨胶加入量为10～15 g时较为合适。

2.1.3 增稠剂a-胶对膜性能的影响 加入增稠剂a-胶的量分别为1.5、2.0、2.5、3.0 g，制备可食膜并对其力学性能进行测试，结果见图3。由图3可知，增稠剂a-胶的量对膜的抗拉强度影响不明显。

2.1.4 增塑剂甘油对膜性能的影响 增塑剂可以改善膜的柔韧性和膜的机械强度。一般而言，未添加增塑剂时膜脆性很大，延伸性较差。使用甘油作为增塑剂主要是用来改善膜的延伸性和减少膜的脆性，但甘油的使用也会带来其他一些不利的影响，因此需要选择适宜的用量[16，17]。试验加入增塑剂甘油的量分别1、2、3、4、5、6 mL，制备可食膜并对其力学性能进行测试，结果见图4。由图4可知，随着甘油含量的增加，膜的抗拉强度呈现先增大后减小的趋势，这是因为骨胶是由分子间的连接构成的三维网络结构，由于甘油分子内含有大量羟基，因而具有良好的亲水性，同时这些羟基能和骨胶分子形成链间氢键。适当的增塑剂可用于改善淀粉膜的抗拉强度、断裂伸长率等机械性能，但过量的增塑剂降低了可食用膜分子链之间的缔合能力和邻近聚合链间的相互作用，因此刚性结构遭到破坏，呈现减小趋势。

2.2 响应曲面优化试验结果

2.2.1 方差分析结果 在单因素试验的基础上，以抗拉强度为响应值，运用Box-Behnken响应曲面法设计4因素3水平试验，结果见表2及表3。由表3可以看出，失拟检验差异不显著，说明未控制因素对试验结果干扰很小，拟合不足被否定；R2=0.997 1，说明该方程与实际情况拟合良好，试验误差小，正确反映了淀粉含量、骨胶含量、甘油添加量、a-胶含量与抗拉强度的关系。

将所得试验数据采用Design-Expert 8.05b进行多元回归拟合，得到了以淀粉、骨胶、a-胶、甘油与抗拉强度之间的多元回归方程：

Y=22.00-0.38A-0.41B+1.39C-0.030AB+0.13AD-0.18AC-1.93BD+1.52BC-0.31CD-4.26A2-2.67B2-3.03C2-2.23D2，各因子对可食膜抗拉强度的影响顺序为：甘油>骨胶>淀粉>a-胶。除a-胶外，其余3因素的二次项对可食膜的抗拉强度有显著影响。

2.2.2 因素间的交互作用 根据回归方程利用 Design-Expert 8.05b 软件作不同因子的响应面分析图和等高线图，研究淀粉、骨胶、甘油、a-胶4个关键因子及其交互作用对可食膜的抗拉强度的影响（图5至图10）。由图5可以看出，当体系甘油和a-胶含量分别为4 mL和2.5 g时，淀粉与骨胶添加量对膜抗拉强度的交互作用显著。由图6可以看出，当体系骨胶和a-胶含量分别为15 g和2.5 g时，淀粉与甘油添加量对膜抗拉强度的交互作用显著。由图7可以看出，当体系甘油和骨胶含量分别为4 mL和15 g时，淀粉与a-胶添加量对膜抗拉强度的交互作用显著。由图8可以看出，当体系淀粉和a-胶含量分别为11.5 g和2.5 g时，甘油与骨胶添加量对膜抗拉强度的交互作用显著。由图9可以看出，当体系甘油和淀粉含量分别为4 mL和11.5 g时，a-胶与骨胶添加量对膜抗拉强度的交互作用显著。由图10可以看出，当体系淀粉和骨胶含量分别为11.5 g和15 g时，a-胶与甘油添加量对膜抗拉强度的交互作用显著。通过对所得数据进行分析和处理，以最大抗拉强度为目标确定试验最优值，最终分析得出4个因素和抗拉强度的最优值分别为淀粉含量11.37 g、骨胶含量13.45 g、甘油含量4.13 mL、a-胶含量2.43 g，抗拉强度为22.074 3 MPa。在上述优化条件下共进行3次验证试验，得出可食膜的抗拉强度为（22.074 3±0.05）MPa与预测值22.074 3 MPa非常接近，说明该回归模型所优化得到的合成工艺是可行的。

3 小结

通过单因素试验、响应曲面优化试验，以抗拉强度为评价指标，采用Box-Behnken设计原理，建立了预测模型，模型的R2=0.997 1；同时优化出最佳合成工艺为骨胶含量为13.45 g、淀粉含量为11.37 g、a-胶含量为2.43 g、甘油含量为 4.13 mL，可食复合膜的抗拉强度达到 22.0743 MPa，优化出的工艺条件合理、可行。

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