壳聚糖制备可食性方便面调料包工艺的研究

(湖南工业大学 湖南 株洲 412007)

引言

方便食品包装膜时包裹在食品或者调料包表面，主要用来隔离微生物细菌和外来污染物的进入，防止食品变质，调料包洒出的材料。研究表面，由壳聚糖制成的食品包装薄膜，不仅能抗菌保鲜，而且能抗菌[1]，是一种具有发展潜力与应用潜力的食品包装膜。

壳聚糖是自然界中唯一的碱性多糖[2]，是由甲壳素经过脱乙酰化后得到的天然碳水化合共聚物。壳聚糖由于骨架上的糖苷基与羟基氨基和一些乙酰氨基分子形成分子内和分子间氢键，因此具有良好的成膜性。同时壳聚糖还可以通过影响细菌的新陈代谢，抑制细菌的生长[3]。

拉伸强度是评价包装材料机械性能的重要指标，包装材料无论是在生产中还是使用中都需要承受一定的压力[4]。单独的壳聚糖膜由于其力学性能较差，应用有所局限[5]。目前已有通过加入蛋白、多糖类成分来促进壳聚糖分子交联来增强其机械性能的方法[6]。

膜的柔韧性与延展性由于增塑剂的加入能得到提升，膜也不容易产生裂纹，同时变得更有光泽。不过添加增塑剂过多也会对膜的通透性有很大的影响，比如甘油能使膜的水蒸气透过率增大，空气阻隔性能降低。研究表明，增塑剂主要是通过改变膜的结晶区与无定形区的比例，使膜的渗透性下降[7]。不同类型的增塑剂对膜的影响效果不同，甘油对乳清分离蛋白的增塑效果比山梨糖醇要强[8]。十二烷基硫酸钠(SDS)在以山梨醇为增塑剂的乳清分离蛋白膜液中，是一种有效的助塑剂，添加Rs:w=0.2的SDS 能显著增大膜的溶解性与伸长率；而添加Rs:w >0.3，能显著降低水蒸气透过率[9]

共混法制备壳聚糖膜具有工艺简单，条件温和、无溶剂残留和绿色安全等特点，并且工业化简单。因此，本研究以壳聚糖为原料，加入醋酸，甘油和海藻酸钠进行共混，通过对其机械性能的检测，并利用单因素实验和响应面实验确定最优配方，制备壳聚糖可用包装膜。以期为壳聚糖可食性膜的制备提供参考。

一、材料与方法

(一)实验材料

1.实验试剂

本实验中用到的主要实验药品如表1.1所示。

表1 主要实验材料

2.实验仪器

本实验中用到的主要实验仪器及设备如表1.2所示。

表2 主要实验仪器

(二)壳聚糖可食性膜的制备

配料→加热共混→超声消泡→静置→流延成膜→趁热揭膜

工艺条件：(1)酸处理：200ml2%的醋酸溶液作溶剂，水浴加热80℃，共混1h；(2)超声消泡：80℃，20KHz消泡10min。(3)静置：80℃恒温下静置30min。(4)流延成膜：加热温度70℃。

(三)壳聚糖可食性膜的性能测定

1.厚度测定

实验标准：GB6672

实验方法：沿样品的纵向，距离端部1cm的位置，横向截取试样。试样宽度约为100mm，应该保证试样无折痕、无其它缺陷。在试样上取5个点，使用测厚仪测量厚度，记录每次测试结果，取平均值。

2.拉伸强度测定

实验标准：GB1039

实验方法：利用手动冲压取样器做得总长为50 mm、窄边部分宽为4 mm的哑铃型样条。用PC型智能电子拉力试验机在拉伸速度为100mm/min。测试并记录膜破裂时的抗拉强度，结果取其平均值。

拉伸强度按公式1.1计算

(1.1)

其中，P-拉伸强度(MPa)；b-试样宽度(mm)；d-试样厚度(mm)。

(四)响应面优化试验

在单因素试验基础上,利用Design Expert 8.0.6.1软件的Box-Behnken设计,以壳聚糖可食性膜的拉伸强度(R1)和裂断伸长率(R2)为响应值,壳聚糖浓度(A)、海藻酸钠浓度(B)、甘油浓度(C)为因素，因素水平见表3

表3 Box-Behnken试验因素水平

二、结果与讨论

(一)响应面试验优化结果分析

1.响应面模型的建立与显著性分析

在单因素试验基础上,利用Design Expert 8.0.6.1软件的Box-Behnken设计,以壳聚糖可食性膜的拉伸强度(R)为响应值,壳聚糖浓度(A)、海藻酸钠浓度(B)、甘油浓度(C)为因素。试验结果见下表。

表4 响应面试验设计及结果

表5 回归模型方差分析表

2.响应面各因素间交互作用分析

图1-3为不同变量交互作用对拉伸强度影响的响应面图。在壳聚糖含量(A)、海藻酸钠含量(B)和甘油含量(C)其中两因素的条件下，壳聚糖可食性膜的拉伸强度分别随着各因素的变化而变化。响应面图可以直观反映各变量对响应值的影响，等高线图形状可以反映各因素间交互作用强弱。在三维空间相应图中，其曲面坡度大，则表示对拉伸强度影响显著，反之平缓则不显著[10]。而在等高线中，其形状若趋近于椭圆，则表明对拉伸强度影响显著；呈圆形则表示不显著。而且椭圆排列越密集，说明在两因素变化时，对响应值影响越大；越接近椭圆区域中心，拉伸强度越高，越远离椭圆区域中心，拉伸强度越低[11]。

图1 壳聚糖与海藻酸钠含量对壳聚糖可食性膜拉伸强度的影响

图1为确定甘油添加量基础上，考量壳聚糖和海藻酸钠添加量对壳聚糖可食性膜拉伸强度影响关系。图1表明，当海藻酸钠含量不变时，随着壳聚糖含量增加，壳聚糖可食性膜拉伸强度先增强，而后有一个细微的降低；同理，当壳聚糖含量不变时，壳聚糖可食性膜拉伸强度随海藻酸钠含量的变化有类似趋势。从三维图中很明显能看出，海藻酸钠部分的曲面较为陡峭，说明海藻酸钠含量相对于壳聚糖含量对壳聚糖可食性膜拉伸强度影响更为显著。其交互作用等高线为椭圆形，说明两因素交互作用影响显著。

图2 壳聚糖与甘油含量对壳聚糖可食性膜拉伸强度的影响

图2为确定海藻酸钠添加量基础上，考量壳聚糖和甘油添加量对壳聚糖可食性膜拉伸强度影响关系。图2表明，当甘油含量不变时，随着壳聚糖含量增加，壳聚糖可食性膜拉伸强度先增强，而后有一个细微的降低；而当壳聚糖含量不变时，随着甘油含量的增加，壳聚糖可食性膜的拉伸强度有一个很明显的降低。从三维图中很明显能看出，甘油含量部分的曲面较为陡峭，说明甘油含量相对于壳聚糖含量对壳聚糖可食性膜拉伸强度影响更为显著。其交互作用等高线为椭圆形，说明两因素交互作用影响显著。

图3 海藻酸钠与甘油含量对壳聚糖可食性膜拉伸强度的影响

图3为确定壳聚糖添加量基础上，考量海藻酸钠和甘油添加量对壳聚糖可食性膜拉伸强度影响关系。图2.6a表明，当甘油含量不变时，随着海藻酸钠含量增加，壳聚糖可食性膜拉伸强度不断增强，但是增强的越来越慢；而当海藻酸钠含量不变时，随着甘油含量的增加，壳聚糖可食性膜的拉伸强度有一个很明显的降低。其交互作用等高线为椭圆形，说明两因素交互作用影响显著。

(二)最优值的确定

由回归方程求解得出壳聚糖可食性膜最佳配料比为4.26%壳聚糖，2.30%海藻酸钠和4.77%甘油，预测壳聚糖可食性膜拉伸强度在此配方下能达到27.37Mpa。为验证响应面法优化工艺结果可靠性，进行3组平行验证试验，考虑实际操作情况，将配料比调整为4.2%壳聚糖，2.3%海藻酸钠和4.7%甘油，结果显示壳聚糖可食性膜拉伸强度的平均值为26.97Mpa，与预测值相差1.46%，证明结果可信度较高。

三、结论

本实验选取食品级壳聚糖为原料，添加海藻酸钠和甘油为辅助剂制膜。通过单因素实验和响应面试验确定共混法制备壳聚糖可食性膜的最佳配方为：4.26%壳聚糖，2.30%海藻酸钠和4.77%甘油，预测壳聚糖可食性膜拉伸强度27.37Mpa，实际值26.97Mpa，响应面模型与实际拟合良好，同时制得的壳聚糖可食性膜具有良好的机械性能，并能遇热水即溶，使方便食品食用更方便、更卫生。