褐藻酸钠可食性膜制备工艺研究

袁 瑞，丛海花，汪秋宽，何云海，宋悦凡，任丹丹,梁雯雯

( 大连海洋大学 食品科学与工程学院，国家海藻加工技术研发分中心，辽宁省水产品加工及综合利用重点试验室，辽宁 大连 116023 )

褐藻酸钠可食性膜制备工艺研究

袁 瑞，丛海花，汪秋宽，何云海，宋悦凡，任丹丹,梁雯雯

( 大连海洋大学 食品科学与工程学院，国家海藻加工技术研发分中心，辽宁省水产品加工及综合利用重点试验室，辽宁 大连 116023 )

以褐藻酸钠、羟丙基甲基纤维素为原材料，通过混合水平正交试验，使用溶胶、混胶、脱气、倒胶、钙化、干燥工艺制备可食性膜，研究了不同褐藻酸钠/羟丙基甲基纤维素配比、溶胶温度、氯化钙质量浓度、钙化时间、褐藻酸钠质量浓度以及羟丙基甲基纤维素质量浓度对膜性能的影响，结果显示优化工艺参数为：10 mg/mL褐藻酸钠和50 mg/mL羟丙基甲基纤维素按质量配比1∶1混胶， 10 mg/mL的氯化钙钙化10 min；所得膜的厚度为0.14 mm，抗拉强度为2.97 MPa，透光率为64.09%，干燥质量损失率为9.97%，人工胃液崩解时间超过24 h，人工肠液崩解为2.07 h。本工艺较为简单，成膜性较好，为进一步制备植源性空心硬胶囊壳奠定理论和实践基础。

可食性膜；褐藻酸钠；钙化；工艺优化

可食性包装膜是以天然可食性物质(如蛋白质、脂肪类、多糖、纤维素等)为原料，添加小分子物质为增塑剂，通过不同分子间的相互作用形成具有致密网络结构的可食性膜[1]，可作为抗氧化剂、添加剂以及抗菌剂的载体，也可包装在食品表面，起到保鲜和保存风味营养的作用[3]。可食性膜在食品表面或内部异质界面上主要通过浸渍、喷涂及包裹等方式覆盖，防止水蒸汽、气体、溶质和芳香成分等的迁移。添加后可以保证食品品质，以延长食品货架期[1]。可食性膜依据其基料不同分为蛋白质类可食膜[4-5]、多糖类可食膜[6-7]、脂类可食膜[8]及复合型可食膜[8-9]。

褐藻酸钠作为食品添加剂广泛应用于食品中[10]，本研究在前期单因素试验的基础上，通过混合水平正交试验优化筛选可食性膜的制备工艺，以提高薄膜的拉伸强度。利用褐藻酸钠与离子置换产生水不溶性的褐藻酸钙，使用褐藻酸钠与羟丙基甲基纤维素为主要材料制备可食性膜，使之有效地延长食品的货架期。研究结果将为进一步开发硬胶囊囊材提供数据支持，为新药和保健食品的开发奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

食用级褐藻酸钠(青岛明月有限公司)，羟丙基甲基纤维素(北京亿诺化工有限公司)，无水氯化钙分析纯(西陇化工股份有限公司)，食品级甘油(广州市大工嘉翰林化工有限公司)，胰蛋白酶SolarbioTRYPSIN 1∶250(天津福德士科技有限公司)，胃蛋白酶SolarbioPepsin 1∶3000(天津福德士科技有限公司)。

1.2 试验仪器

JJ50型电子天平(常熟市双杰测试仪器厂)，磁力搅拌器(上海禾影仪器有限公司)，KJ-600超声波发生器(无锡市科杰超声电子设备有限公司)，721型分光光度计(上海光谱仪器有限公司)，TMS.PRO质构仪(美国)，数显卡尺(美国APEX世达工具有限公司)，电热恒温鼓风干燥箱(上海跃进医疗器械厂)。

1.3 可食性膜制备工艺流程

可食性膜制备工艺流程：溶胶→搅拌混胶→脱气→倒胶→一次干燥→钙化→二次干燥→样品→检测评价。工艺要点如下：

溶胶：分别配制10 mg/mL褐藻酸钠、50 mg/mL羟丙基甲基纤维素溶液，充分溶解后向褐藻酸钠溶液中加入质量浓度为50 mg/mL的甘油，不断搅拌，置于50～65 ℃水浴使之充分溶解，备用；

搅拌混胶：根据试验条件将褐藻酸钠溶液与羟丙基甲基纤维素溶液按一定配比混胶。将装有胶液的烧杯放在磁力搅拌器上，搅拌1～2 h，直至均匀溶解；

脱气：因胶液黏度较大，使用超声震荡仪超声15 min对搅拌后的胶液脱气；

干燥：取20 g混合胶液倒平板，于数显鼓风干燥箱中，50 ℃干燥12 h；

钙化：将干燥后的凝胶倒入20 mL氯化钙溶液，根据试验设计10～20 min后取出；

二次干燥：50 ℃鼓风干燥箱中，干燥12 h，密封保存，备用。

1.4 混合水平正交试验

根据前期单因素试验结果，选取影响成膜的因素与水平，以可食性膜的评分和拉伸强度为检测指标进行L18(61×36)正交试验，正交因素水平设计见表1。

1.4.1 可食性膜的评分标准

从膜的整体外观均匀程度、透明程度、色泽及光滑程度、厚度均匀性四方面进行评价，具体评分标准见表2，每组制备6～10个样品。

1.4.2 膜厚度测量

选择平整均匀的膜，裁剪成20 mm×50 mm，选取5个均匀点，用螺旋测微仪测量，精确至0.01 mm。样品测6次平行。

1.4.3 拉伸强度(TS)测定

样品测6次平行，GB 16421—1996法。质构仪的初始夹距设为40 mm，拉引速率设定为60 mm/min，拉伸强度值用最大拉力除以截面积表示：

式中，TS为拉伸强度(MPa)，Fm为试样断裂时承受的最大张力(N)，Ft为膜的厚度(mm)，W为膜的宽度(mm)。

表1 混合水平正交试验因素水平

表2 可食性膜的评分标准

注：一级品为80～100分，二级品为60～80分，三级品为<60分.

1.4.4 透光率测定

样品测6次平行。将膜裁成40 mm×10 mm的长条，贴在比色皿一侧，在500 nm下测定透光度，空皿做空白，计算公式如下：

T=0.1A×100%

式中，T为透光率(%)，A为吸光度。

1.4.5 模拟崩解时间测定

人工胃液配制：盐酸16.4 mL，加水800 mL，与胃蛋白酶摇匀加水至1000 mL。

人工肠液配制：磷酸盐缓冲液(含胰酶)(pH=6.8)。

按照中华人民共和国药典[11]，选取膜比较均匀的部分，精密称取约0.100 g的膜，剪成尺寸大约为2 cm×2 cm，放入人工胃液和人工肠液中，每隔6 min观察崩解情况，样品测3次平行。

1.4.6 干燥质量损失比测定

称取1 g膜，105 ℃干燥6 h，再放入干燥器中冷却0.5 h，重复此操作直至前后两次质量之差不超过0.002 g即为质量恒等，平行测定3次，计算干燥质量损失率。

1.4.7 数据处理方法

对试验结果进行统计学分析，极差分析、Duncan法多重比较均在IBM SPSS软件下进行。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果

正交试验获得的可食性膜的综合评分(整体外观均匀程度、透明程度、色泽及光滑程度、厚度)及拉伸强度的测量见表3。

按综合评分结果将所得食用膜产品进行分级：8、11、13、14、15、17、18组的产品为一级品；1、4、6、7、16组的产品为二级品；剩下的配方组为三级品。拉伸强度是可食性膜的主要机械指标，可以客观反映可食性膜的应用范围，对拉伸强度进行极差分析，结果见表4。

极差分析结果表明，影响膜拉伸强度的因素为褐藻酸钠/羟丙基甲基纤维素>钙化时间>褐藻酸钠质量浓度>羟丙基甲基纤维素质量浓度>氯化钙质量浓度>溶胶温度，最优组合为褐藻酸钠/羟丙基甲基纤维素配比1∶0.5、溶胶温度65 ℃、氯化钙质量浓度20 mg/mL。钙化时间10 min、褐藻酸钠质量浓度20 mg/mL，羟丙基甲基纤维素质量浓度50 mg/mL。影响成膜的因素可能很多，但该组试验中空列项修正后极差0.243，小于各因素列的修正后极差值，反映了试验结果的可信度。

表3 胶膜制备正交工艺优化结果

表4 膜拉伸强度极差分析结果

2.2 可食性膜优化试验

按照综合评分结果，所得三级品质量较差；对二级品进行进一步验证试验优化，发现综合评分仍然没有显著提高；对拉伸强度最优工艺组合及一级品进行进一步的验证试验，对膜的平均厚度、平均拉伸强度、平均干燥质量损失率、透光率、人工胃液崩解时间、人工肠液崩解时间进行分析，所得结果见表5。

表5 优化工艺的可食性膜指标分析

注：用Duncan法进行多重比较，同列标有不同大写字母者表示组间差异极显著(P<0.01)；标有不同小写字母者表示组间差异显著(P<0.05)；标有相同小写字母者表示组间差异不显著(P>0.05).

从显著性差异来看，组间显著性差异明显，证明验证性试验结果良好。从平均厚度来看，8组、13组、17组与其他各组比较结果是极显著，从平均拉伸强度来看，组间显著性很明显，从平均干燥质量损失率来看，组间显著性差异非常大，从透光率来看，8组、极差最优组与其他组比较有极显著差异，从人工胃液崩解时间来看，组间差异不显著，从人工肠液崩解时间来看，8组与其他组有显著性差异。

由表5可见，8、13、14、17试验组以及极差最优组的膜比较均匀；13、15组的拉伸强度最大；干燥质量损失率8组最低，其次13组与17组，干燥质量损失率与薄膜的厚度相关，薄膜越薄干燥质量损失率越低；第8组透光率最高，其次为极差最优组和11组，人工肠液崩解时间8组最好，其次13组。

3 讨 论

3.1 正交试验结果对可食性膜优化的影响

对正交试验结果较优组合(共7组)与极差分析优选组进行进一步验证试验，研究优选确定第8组制备工艺参数为最佳。第8组膜的均匀性良好，厚度适中，平均干燥质量损失率较低(含水量低)，透光率较好，在人工肠液中崩解时间短。

干燥质量损失率与薄膜的厚度相关，薄膜越薄干燥质量损失率越低；薄膜的透光率与薄膜的褐藻酸钠和羟丙基甲基纤维素添加比例有关；褐藻酸钙薄膜在人工胃液中一般为不溶，可以在肠道中很好溶解，人工肠液崩解时间与薄膜的褐藻酸钙量是呈正相关的关系。

3.2 拉伸强度对可食性膜的影响

影响膜拉伸强度的因素有很多，溶胶温度、氯化钙质量浓度、钙化时间均会影响可食性膜的拉伸强度。其中，根据试验结果可见，拉伸强度与溶胶温度、氯化钙质量浓度、钙化时间呈正相关性。查阅相关可食性膜文献，艾丹等[12]对于碎米可食蛋白膜的拉伸强度为2.47 MPa,碎米蛋白膜的拉伸强度为2～3 MPa。本次试验缺陷为重复组拉伸强度不稳定，应进一步修正，找到避免成膜过程中气泡产生的方法，适应实际生产应用。

通过混合正交试验及验证试验，获得褐藻酸钠可食性膜的最佳制备工艺条件为：褐藻酸钠质量浓度10 mg/mL，羟丙基甲基纤维素质量浓度50 mg/mL。褐藻酸钠∶羟丙基甲基纤维素为1∶1，溶胶温度65 ℃，10 mg/mL的氯化钙质量浓度，钙化时间10 min。本研究选用褐藻酸钠作为材料制备可食性膜，工艺较为简单，成膜性极好。

目前对褐藻酸钠膜形成机理的研究较少。本文研究中，不同的配比条件下溶胶的凝胶特性及成膜性能差异较大，用于制作空心硬胶囊壳，需根据具体需求，考虑溶胶稳定性、蘸胶的流动性及空心胶囊壳的透光性、保存等问题，褐藻酸钠可食性膜的制作工艺为植源性空心硬胶囊壳的制备奠定基础、提供事实依据。

[1] 秦培军.大豆分离蛋白可食膜制备工艺研究[D]. 天津:天津科技大学,2010.

[2] Rodríguez M, Osés J, Ziani K, et al. Combined effect of plasticizers and surfactants on the physical properties of starch based edible films [J]. Food Research International, 2006(10):840-846.

[3] Embuscado M E, Huber K C. Edible films and coatings for food applications[M]. New York：Springer, 2009.

[4] Krochta J M, Singh R P, Wirakartakusumah M A, et al. Control of mass transfer in foods with edible coatings and films[J]. In Advance in Food Engineering, 1992 (15):517-538.

[5] 王若兰.植物蛋白为主的可食性膜的研究[D].无锡:无锡轻工业大学,2000.

[6] Krochta J M, de Mulder-Johnston C. Edible and biodegradable polymer films challenges and opportunities[J].Food Technology,1997,51(2):61-74.

[7] Morillo V, Debeaufort F, Blond G, et al. Factors affecting the moisture permeability of lipid-edible films: a review[J]. Food Sci and Nutri，2001,42(1):67-89.

[8] Gennadiose A, Weller C L, Testin R F, et al. Properties modification of edible wheatgluten-based films[J]. Transactions of the ASAE, 1993,36(2):465-470.

[9] Kim S J, Ustunol Z. Thermal properties, heat sealability and seal attributes of whey protein isolate/lipid emulsion edible films[J]. Food Sci, 2001, 66(7):985-990.

[10] 侯丽.海带加工副产物褐藻胶的综合利用[D]. 大连:大连海洋大学,2014.

[11] 中华人民共和国药典委员会.中华人民共和国药典[M].北京:人民卫生出版社, 2005.

[12] 艾丹,胡秋林,王双,等.碎米蛋白可食用膜制备工艺的优化[J].粮食与饲料工业,2013(3):24-25.

PreparationProceduresofEdibleSodiumAlginateFilm

YUAN Rui, CONG Haihua, WANG Qiukuan, HE Yunhai, SONG Yuefan, REN Dandan, LIANG Wenwen

( Liaoning Provinal Key Laboratory of Fishery Processing and Complex Utilization, Branch of State Centre of Alga Processing Engineering, Food Science and Engineering College, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China )

This paper is mainly concerned about processing conditions and the properties of the edible sodium alginate film wich was prepared by sodium alginate (SA) and hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC) as raw materials by procedures of dissolving,mixing,degassing,pouring,calcifying and drying. The technology was optimized by regulation of SA/HPMC ratio, dissolving temperature, CaCl2concentration, calcification time, SA concentration and HPMC concentration in the orthogonal experiment. The findings indicated that the 10 mg/mL of SA and 50 mg/mL of HPMC were dissolved respectively and formed as gel solutions. The two gel solutions were mixed based on the mass ratio of 1∶1 and then formed film by spreading the mixed gel on the plain container. The results showed that the formed film was calcified by 10 mg/mL of CaCl2for 10 min. The calcified edible film was analyzed to have thickness of 0.14 mm, a tensile strength of 2.97 MPa, light transmittance of 64.09%, and drying weight loss of 9.97%. The artificial gastric juice disintegration time was found to be more than 24 h and artificial intestinal disintegration of 2.07 h. This relatively simple process has good film-forming, laid the foundation of theory and practice for further research about process of plant-derived hard capsule with sodium alginate.

edible film; sodium alginate; calcification; technological optimization

10.16378/j.cnki.1003-1111.2016.06.018

TS254

A

1003-1111(2016)06-0708-05

2015-11-09；

2016-01-20.

海洋公益性行业科研专项 (201405040)；大学生创新训练计划项目.

袁瑞 (1991—)，女，硕士研究生；研究方向：褐藻酸钠生物材料应用.E-mail: yuanrui2016@163.com. 通讯作者: 汪秋宽 (1962—)，女，教授；研究方向：水生生物资源利用.E-mail: wqk320@dlou.edu.cn.