干热改性葛根淀粉成膜工艺的研究

张帆 屈紫薇

摘要[目的]研究干热改性葛根淀粉的最优成膜工艺参数，为干热改性葛根淀粉膜的工业化应用提供理论依据。[方法]以透光率、水蒸气透过系数、溶解度等为评价指标，通过研究改性淀粉用量、甘油浓度和干燥温度对干热改性葛根淀粉膜特性的影响，确定最优成膜工艺参数。[结果]干热改性葛根淀粉膜的最優成膜工艺参数为改性葛根淀粉质量分数5.0%，甘油添加量1.5%，烘干温度80 ℃。[结论]该研究可为葛根淀粉的深度开发利用提供参考。

关键词葛根淀粉；羧甲基纤维素钠；干热改性；成膜特性

中图分类号TS236文献标识码A文章编号0517-6611（2017）09-0086-04

Study on Filming Technology of Modified Kudzu Starch by Dry Heating

ZHANG Fan，QU Ziwei

（College of Environmental Science and Engineering，Anhui Normal University，Wuhu，Anhui 241003）

Abstract[Objective] In order to provide a theoretical basis for modified kudzu starch edible film in industrial production，the optimal parameters of the filmforming process were studied.[Method] The effect of modified kudzu starch concentration，glycerol addition and drying temperature on the characteristics of dry heating kudzu starch film were studied by measuring light transmittance，water vapor permeability and solubility.[Result] The optimized processing parameters of modified kudzu starch film was modified starch concentration 5.0%，glycerol addition 1.5% and drying temperature 80 ℃.[Conclusion] The study can provide reference for further development and utilization of kudzu starch.

Key wordsKudzu starch；CMC；Dry heating modification；Filmforming property

葛根俗称野葛，在我国大部分地区均有种植，分布广泛。葛根中含有丰富的淀粉、黄酮类物质以及纤维素，是一种药食两用的植物，在我国南方地区广泛为人们所食用[1]。葛根淀粉不仅对心绞痛、冠心病等疾病具有治疗效果，还具有降低血脂、促进人脑血液的循环、增强记忆力、减肥、解酒等功效[2]。近年来，葛根淀粉作为食品的配料，在多种食品中全部或部分替代了亲水胶体，被加工成各种冷饮、糕点、粉丝及具有强身滋补的功能性食品。国内现已研制出可防治冠心病、高血脂、高血压、糖尿病等疾病的葛根挂面、葛根软糖等食品，同时还研发出葛根黄酮茶、葛根口服液等产品[3]。

葛根淀粉的颗粒较小，粒径平均值为12.20～24.08 μm，直链淀粉含量约为19.80%，糊化温度范围57.50～64.70 ℃。葛根原淀粉的透明度较玉米淀粉等低，冻融稳定性差[4]。添加羧甲基纤维素钠（CMC）能降低淀粉的结晶度，增强淀粉的热稳定性，提高淀粉的凝胶强度[5]。干热改性结合了干热工艺以及热处理的优点，是一种淀粉物理改性的新方法。Chiu等[6]早在1998年就已提到干热法在淀粉改性中的应用。

可食性包装膜是以天然的可食性大分子（如淀粉）为原料，通过添加辅助剂而形成的具有一定结构的可食用膜。和传统化学合成的一些包装材料相比，可食性膜具有可食性及阻隔性强、可改善食品的外观、无毒、无污染以及成本低廉等優点[7]。单一葛根淀粉膜较脆，力学性能差，加工性能弱，添加其他组分复合成膜，可增强分子间相互作用力，提高膜的性能[8]。

笔者以添加CMC并经干热处理的改性葛根淀粉为原料，制备改性葛根淀粉膜。以透光率、水蒸气渗透系数、溶解度等为评价指标，通过单因素试验研究改性淀粉用量、甘油浓度和干燥温度对干热改性葛根淀粉膜特性的影响，再通过正交试验确定最优成膜工艺参数，旨在拓展葛根淀粉的开发利用，为干热改性葛根淀粉膜的工业化应用提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1原料及主要试剂。葛根购自安徽亳州药材大市场；甘油、氢氧化钠、浓盐酸、无水氯化钙均为分析纯；羧甲基纤维素钠（CMC）为食品级。

1.1.2主要仪器。HH-2型电热恒温水浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司；JJ-1精密增力电动搅拌器，上海江星仪器有限公司；DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏仪器设备有限公司；CHA-SA气浴恒温振荡器，江苏金坛市金城国胜实验仪器厂；LHS-HC-1型恒温恒湿箱，上海一恒科技有限公司；UV752紫外可见分光光度计、FA2004B电子天平，上海佑科仪器仪表有限公司；HC-700高速多功能粉碎机，永康市天祺盛世工贸有限公司。

1.2方法

1.2.1干热改性葛根淀粉的制备。

将0.5 g CMC充分溶解在200 g蒸馏水中，加入99.5 g葛根淀粉，用电动搅拌器在1 000 r/min的条件下搅拌30 min，调节溶液pH为8，将淀粉乳溶液置于45 ℃烘箱干燥14 h（水分含量10%以下），粉碎机粉碎后过100目筛，然后在120 ℃温度下干热3 h，即得到干热改性葛根淀粉。

1.2.2改性葛根淀粉膜的成膜工艺。

取一定量的干热改性葛根淀粉，用蒸馏水溶解成淀粉乳，加入一定量的甘油，搅拌均匀后置于沸水浴中糊化30 min，糊化过程中用玻璃棒不停搅拌，然后静置在水浴锅中消泡10 min，水浴温度50 ℃，用10 mL移液管移取10 mL于PE平板，涂膜后放入鼓风干燥箱中一定温度下干燥成膜，揭膜后放置于恒温恒湿箱中平衡72 h（温度25 ℃、相对湿度为58%），测定膜的各项指标。

1.3指标测定

1.3.1膜厚度的测定。

采用千分尺（精密度为0.001 mm）在待测膜上取5个点进行测量，取其平均值作为该膜厚度值。

1.3.2膜水蒸气透过系数的测定。

参考GB/T 1037—1988，杯式法，略作改进。将大小均匀的无水氯化钙置于105 ℃的鼓风干燥中干燥2 h，放入干燥器中冷却至25 ℃，加入约10 g至已干燥的称量瓶中。选用无裂缝、均匀、完整的膜，测量其厚度后，用透明胶带及纸胶带将膜密封在称量瓶的瓶口，称重。放入恒温恒湿箱中（相对湿度58%、温度25 ℃），24 h后测其重量并计算出增重，由此计算水蒸气透过系数（WVP） 的大小[9]。膜水蒸气透过系数计算公式：

WVP[g·cm/ （cm2·s·Pa）]=Δm×dA×t×Δp

式中，Δm为t时间内增加的质量（g）；A为透过水蒸气的面积（cm2）；t为增重的时间（s）；d为膜厚度（cm）；Δp为膜两侧水蒸气压差（Pa）。

1.3.3膜透明度的测定。

将待测膜剪成1 cm×2 cm的长方形，自下而上紧贴于比色皿外表面，在波长650 nm条件下测其透光率T（%）的大小，以透光率表示透明度[10]。

1.3.4膜溶解度的测定。

参考涂宗财等[11]的方法稍作修改，将待测膜剪成2 cm×3 cm的长方形，在105 ℃的鼓风干燥箱中烘2 h至恒重，取2片称其重量记为m0。然后将膜放置在锥形瓶中，加入80 mL的蒸馏水，放入恒温振荡箱中在25 ℃、100 r/min的条件下振荡24 h，再将剩余膜取出置于105 ℃的烘箱中烘干至恒重，称得其重量记为m1。膜的溶解度计算公式如下：

溶解度=m0-m1m0×100%

2结果与分析

2.1改性葛根淀粉质量分数对淀粉膜性能的影响

分别称取改性葛根淀粉3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 g于烧杯中，加蒸馏水至100 g，各加入1.5 mL甘油搅拌均匀，得其质量分数依次为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，按“1.2.2”工艺在80 ℃下成膜后，测定其各项指标，结果如图1、2所示。

由图1、2可以看出，随着改性葛根淀粉质量分数的增加，膜的水蒸气透过系数整体呈下降趋势，膜透明度和溶解度均呈现先减小后增大的趋势，且在改性淀粉质量分数为50%时，膜的水蒸气透过系数最低，透明度最高，溶解度最低。这是因为在改性淀粉质量分数为5.0%时，形成的可食膜致密性较好，膜的分子骨架之间空隙小，水蒸气难以透过，淀粉分子与甘油分子之间的作用力强，两者结合紧密，不易水解，膜溶解度低，膜分子之间定向排列，膜透光率高。改性淀粉质量分数低时，甘油与淀粉的比值高，膜较薄且柔软，不易撕膜，膜易发生变形，厚度不均匀；改性淀粉质量分数过大，淀粉分子与甘油分子之间形成的作用力不均匀，致密性下降，膜厚度不一，透水性增强，透光率增大，溶解度增高。综合上述试验结果表明，当改性葛根淀粉质量分数为5.0%时，膜的综合性能较优。

安徽农业科学2017年

2.2甘油浓度对干热改性葛根淀粉膜性能的影响

在改性葛根淀粉质量分数为5.0%的淀粉乳溶液中分别加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的甘油，混合均匀后，按“1.2.2”工艺在80 ℃下成膜后，测定其各项指标，结果见图3、4。

由图3、4可以看出，随着甘油浓度的增加，淀粉膜水蒸气透过系数增加，透光率降低，溶解度先减小后增大。甘油浓度低于1.0%时，膜较脆，干燥过程中出现破裂，无法撕下完整的膜；甘油浓度高于2.5%时，膜较软，容易黏連。这是因为甘油作为增塑剂，可以使淀粉膜变得柔软，甘油本身具有3个亲水基团，当甘油浓度过高时，淀粉分子结合水分子的数目会增多，改性葛根淀粉分子之间的作用力减弱，使得膜的致密性降低[10]，葛根淀粉分子亲水性较强，添加甘油使得淀粉分子相互间所形成的氢键减少，淀粉分子间距离增大，膜的透水性增大[7]，聚合物的分子大小、取向、聚合度对水蒸气透过系数有明显的影响[12]，所以，膜的水蒸气透过系数、溶解度随之增大，透光率减小。综合上述试验结果表明，当甘油用量为2.0%左右时，膜的性能较优。

2.3成膜温度对干热改性葛根淀粉膜性能的影响

配制改性葛根淀粉质量分数为5.0%、甘油浓度为2.0%的淀粉乳，按“1.2.2”工艺分别在70、75、80、85、90 ℃下成膜后，测定其各项指标，结果如图5、6所示。

由图5、6可知，随着干燥温度的升高，膜水蒸气透过系数呈现先增大后减小再增大的波动，膜透明度先增大后减小，溶解度先减小后增大。干燥温度过低，干燥所需时间长，甘油充分与水分子结合，形成的膜结构疏松，分子之间结合混乱，使得膜水蒸气透过系数和溶解度较大；干燥温度适度提高，加剧成膜过程中的大分子聚合物链段的运动，利于膜中大分子聚合物链段稳定、有序排列，形成较为致密的立体网状结构[13]；干燥温度过高，水分蒸发的速率快，水分子与甘油之间未能充分结合形成氢键，分子排列未能定向[14]，所形成的膜干脆且易破裂，撕膜过程中膜容易脆裂，且所得膜的厚度不均匀，水蒸气透过系数大，透光率低。在85 ℃烘干时，所形成的膜分子间排列定向，致密性好，膜厚度均匀，水蒸气透过系数低，透光率最高。综合上述试验结果表明，当干燥温度为85 ℃左右时，形成的膜性能较优。

2.4改性葛根淀粉膜制备工艺条件的优化

由上述单因素试验所得的结果，以改性葛根淀粉用量、甘油浓度、干燥温度3个因素进行正交试验，以改性淀粉膜的水蒸气透过系数、溶解度、透光率为指标，确定改性葛根淀粉膜的最优制备工艺参数，正交试验因素与水平设计及试验结果分析如表1和表2所示。

2.4.1各因素对膜水蒸气透过系数的影响。

水蒸氣透过系数反映膜的阻水能力，在应用于食品的包装时，水蒸气透过系数越小，越利于食品的保藏。表2的结果分析表明，改性葛根淀粉的质量分数、甘油的浓度、烘干温度对淀粉膜的水蒸气透过系数均有影响，以甘油浓度对水蒸气透过系数的影响最为明显。由极差分析可知，对水蒸气透过系数影响的主次因素为B>A>C，即影响力顺序依次为甘油浓度、改性葛根淀粉的质量分数、烘干温度。只考虑膜的水蒸气透过系数，当改性淀粉质量分数为5.5%，甘油浓度为1.5%，85 ℃条件下制备出的淀粉膜水蒸气透过系数最低。据此，最优的成膜工艺为A3B1C2。

2.4.2各因素对膜透光率的影响。

透光率反映淀粉膜的透明度，透光率值越大，膜的透明度越好。表2的结果分析表明，改性葛根淀粉的质量分数、甘油浓度、烘干温度对膜的透光率均有影响。其中，以烘干温度对膜的透光率影响最大。由极差分析结果可知，对膜的透光率影响的主次因素为C>B>A，即影响力顺序依次为烘干温度、甘油浓度、改性葛根淀粉的质量分数。只考虑膜的透光率，当改性淀粉质量分数为5.5%，甘油浓度为1.5%，烘干温度为80 ℃时制备出的淀粉膜透光率最高。据此，最优成膜工艺为A3B1C1。

2.4.3各因素对膜溶解度的影响。

膜的溶解度反映膜内部分子之间相互作用力的强度，因此溶解度越小，膜的性能越好。表2的结果分析表明，改性葛根淀粉的质量分数、甘油浓度、烘干温度对膜的溶解度均有影响，其中改性葛根淀粉的质量分数对膜的溶解度影响最大。由极差分析结果可知，对膜的溶解度影响的主次因素为A>C>B，即影响力顺序依次为改性葛根淀粉质量分数、烘干温度、甘油浓度。若只考虑膜的溶解度，则当改性葛根淀粉质量分数5.0%，甘油浓度1.5%，烘干温度80 ℃时制备出的淀粉膜溶解度最小。据此，最优成膜工艺为A2B1C1。

2.5改性葛根淀粉膜制备最优工艺参数的确定

就不同的参考指标而言，同一因素对淀粉膜性能的影响主次顺序不同。试验现象表明，葛根淀粉质量分数过低，涂膜过程中，淀粉乳易流动，导致膜厚度不均匀；甘油浓度低于1.0%时，膜在干燥过程中出现破裂现象，高于2.5%时，膜在撕下时容易变形，撕下后黏连严重；烘干温度低，烘干所需时间长，不利于形成结构致密的可食膜，温度高于90 ℃时，膜偏硬，撕膜过程中，膜很容易破裂。综合试验过程中的现象及正交试验数据分析结果，并依据提高效率、降低能耗及成本的原则，改性葛根淀粉膜的最优制备工艺条件确定为A2B1C1，即改性葛根淀粉质量分数5.0%，甘油浓度1.5%，烘干温度80 ℃。

3结论

该研究以干热改性葛根淀粉为材料，采用热成膜方式制备可食性淀粉膜。由单因素试验以及正交试验的数据分析可以看出，改性葛根淀粉的质量分数对膜的溶解度影响最大，甘油浓度对膜的水蒸气透过系数的影响最大，烘干温度对膜的透明度的影响最大。综合考虑各因素，确定成膜最优工艺参数为改性葛根淀粉质量分数5.0%，甘油浓度1.5%，烘干温度80 ℃。

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