葛根淀粉可食膜的制备及其性能研究

李悦，李晓娇，张云娟，周俊，孙发科，宋志姣

（保山学院资源环境学院，云南 保山 678000）

随着生活节奏的加快和生活习惯的改变，保鲜膜逐渐成为生产生活中的必需品。 其中塑料包装膜因价格低廉、质量轻、容量大、便于收纳等优点深受消费者青睐[1]，现今暂没有其他包装材料可媲美、但塑料保鲜膜结构稳定、难以降解，包装过程中易释放塑化剂污染食品、危害人体健康。 而可食用膜是一种以天然生物大分子物质（如蛋白质、脂质、糖类等）为原料制得的多孔网状结构薄膜[2-3]，相较于塑料薄膜具有可食、可包装、易降解、无污染、原材料丰富、对人体无害且可兼具保健功能等优点[4-6]。 其作为一种新型包装材料，逐渐受大众认可，但依然存在易返潮、应用受限及缺乏相关标准法规等问题[7]。

葛根是中国卫生部公布的药食同源食物，现代医学研究表明其具有良好保健功能， 其淀粉颗粒较小，粒径平均值为12.20 μm～24.08 μm， 糊化温度范围为57.5 ℃～64.7 ℃，相较于被广泛应用于食品包装领域的玉米淀粉，葛根淀粉具有更弱的凝沉性，更好的冷糊黏度[8-9]。同时葛根淀粉直链淀粉含量达19.8%，具有较好的成膜能力。

本研究旨在利用葛根淀粉为主要材料开发一种新型可食包装膜，通过优化制备工艺，改善成品物理性能，探究实际保鲜应用效果，以期为丰富可食膜种类、促进新型可食膜的工业化生产提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

葛根淀粉（Pueraria lobata starch，PS）（食品级）：国森源葛粉实业有限公司；羧甲基纤维素钠（carboxymethyl cellulose，CMC）（食品级）： 河南万邦实业有限公司；甘油（食品级）：上海长光企业发展有限公司；去离子水、玫瑰乳饼：保山学院资源环境学院食品工艺实验室自制。

1.2 仪器与设备

数显恒温水浴锅（HH-4）： 常州国华电器有限公司；电热鼓风干燥箱（DHG 9030A）：上海一恒科学仪器有限公司；高压灭菌锅（YXQ-LS-50SII）：上海博迅实业有限公司；分析天平（CP-214）：上海奥豪斯仪器有限公司；数显千分尺（216-181）：桂林广陆数字测控有限公司；真空包装机（DZ 400/2S）：青岛艾讯包装设备有限公司；磁力搅拌器（MSH-R-03）：杭州秋籁科技有限公司；数显拉力计（SF-500）：乐清艾力仪器有限公司；显微镜（BA210）：麦克奥迪实业集团有限公司；超声清洗机（SK250HP）：上海科导超声仪器有限公司；恒温恒湿箱（LRHS-250-III）：上海跃进医疗器械有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 可食膜的制备

1.3.1.1 工艺流程

葛根淀粉-甘油混合液A+CMC 溶液B→磁力搅拌混合→加热糊化→脱气→流延成膜→干燥→成膜→揭膜

1.3.1.2 工艺条件

称量5.0 g 葛根淀粉于50 mL 去离子水中，磁力搅拌20 min 至淀粉充分溶解，加入一定体积甘油，继续搅拌10 min，制得淀粉-甘油混合液A。 称量一定质量的CMC 于50 mL 去离子水中，磁力搅拌30 min，制得CMC 溶液B。 将溶液A 和溶液B 混合后置于70 ℃水浴锅中磁力搅拌、加热糊化40 min，取出后立即放入超声水浴锅中脱气30 min。 将脱气后的混合溶液倒在自制亚克力板上均匀流延， 放入烘箱，70 ℃干燥4 h，干燥后的膜在恒温恒湿箱（温度为40 ℃， 相对湿度为55%）中平衡48 h，成品置于密封袋冷藏待测[10-11]。

1.3.2 可食膜物理性能指标测定

1.3.2.1 厚度测定

将成品膜中间部位剪出1.0 cm×1.0 cm 的正方形小块。用千分尺测定4 个顶点及1 个中心点的厚度[12]，计算平均值，计为该膜的厚度。

1.3.2.2 抗拉强度测定

将成品膜裁成8.0 cm×2.0 cm 的长条， 一端固定，另一端连接数显拉力计， 读取膜断裂瞬间的拉力大小，抗拉强度的计算按公式（1）。

式中：TS 为抗拉强度，N/cm2；F 为膜断裂时的瞬间拉力，N；S 为膜的横断面积，cm2。

1.3.2.3 断裂延伸率测定

将成品膜裁成8.0 cm×2.0 cm 的长条后，用蝴蝶夹固定长条两端，置于一张白纸上，其中一端蝴蝶夹用笔牵引，沿直尺划线直至膜断裂，测量划线的长度，断裂延伸率的计算按公式（2）。

式中：EAB 为膜的断裂延伸率，%；L0为膜测试前的长度，cm；L 为膜拉伸断裂时的长度，cm。

1.3.2.4 渗水时间测定

将成品膜裁剪为直径30 mm 的圆形，置于锥形瓶口，移取1 mL 蒸馏水置于膜表面，记录第一滴水渗透滴入锥形瓶的时间WPT（min）[13]。

1.3.2.5 物理性能指标综合评分的计算

评价膜的综合物理性能采用隶属度评分法[14]，该法可将多指标简化成单指标， 又根据不同指标的重要程度，采用主成分分析法确定各指标的权重[15-16]。因抗拉强度、 断裂延伸率及渗水时间3 个指标越大指征的性能越好，因此隶属度根据公式（3）计算。 因在不同制备条件下膜厚度差异不显著，故不参与综合评分计算。

式中：P 为指标隶属度；Ai为指标值；Amin为相同指标最小值；Amax为相同指标最大值。

可食膜物理性能综合分（Y）按公式（4）计算[17]。

式中：Y 为可食膜物理性能综合分；a1、a2、a3分别为TS、EAB 和WPT 的权重；P1、P2和P3分别为TS、WAB 和EPT 的隶属度。

1.3.3 单因素试验设计

葛根淀粉（5.0 g）为主要原料，设置CMC 添加量、甘油添加量、干燥温度和干燥时间为试验因素，均设5个水平，测其物理性能（TS、EAB、WPT、厚度），因素水平设计见表1。当第一因素进行试验时，其他因素均选取水平3 的相应参数，此后每完成一个因素，后续将采用该因素最优水平作为试验参数。

表1 单因素试验因素水平设计Table 1 Single factor experiment design

1.3.4 可食膜制备工艺优化

基于单因素试验结果，确定CMC 添加量、甘油添加量、 干燥温度和干燥时间变量范围， 以TS、EAB和WPT 的物理性能综合分Y 为考察指标，设计L9（34）正交试验。

1.3.5 感官品质评定

由21 位评定员对葛根淀粉可食膜的色泽、 风味、柔韧性进行百分制评定，评分标准见表2。

表2 葛根淀粉可食性膜感官评价标准Table 2 Sensory evaluation table of edible Pueraria lobata starch film

1.3.6 显微结构观察

将葛根淀粉可食膜成品置于光学显微镜下，放大200 倍进行观察。

1.3.7 保鲜应用效果探究

采用葛根淀粉膜作为包装材料，热封真空包装自制玫瑰乳饼，以无膜包装乳饼作为对照，室温25 ℃下保藏7 d，比较二者水分含量、感官品质的变化，初步探究可食膜保鲜应用效果。

1.4 数据处理

若无特殊说明，试验中每个样品设置3 组平行，每个指标平行测定3 次，利用SPSS 23.0 和Microsoft Excel 2010 进行数据分析与处理。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 CMC 添加量对膜性能的影响

CMC 添加量对膜性能的影响见表3。

表3 CMC 添加量对膜性能的影响Table 3 Effect of CMC addition on film properties

由表3 可知，随着CMC 添加量增加，膜的抗拉强度逐渐增大，当CMC 添加量达0.10 g/g 淀粉时，虽淀粉膜抗拉强度最大，渗水时间最长，但其黏度太高不易涂膜、 质地较硬且透明度降低。 当CMC 添加量为0.06 g/g 淀粉时，膜的综合质量最佳，这可能是因为随着增强剂CMC 用量的增加，CMC 与淀粉分子间发生了一定的化学作用， 膜的网状结构更加致密牢固，从而能承受更大的机械力，膜的抗拉强度和渗水时间也随之增大[13，18]。 但当CMC 添加量超过0.06 g/g 淀粉后，可能由于分子间作用力增强， 膜内较多的水分被挤出，其次CMC 的增加降低了支链淀粉在复合膜中的占比，提高了膜的结晶性，从而导致延伸率下降[19]。 淀粉膜厚度未呈规律变化， 同时由于复合膜黏度较大，易引起淀粉晶体聚集， 形成难以去除的颗粒和细小气泡[20]，这与显微结构观察结果一致。根据显著性差异分析，CMC 选取0.06 g/g 淀粉添加量为宜。

2.1.2 甘油添加量对膜性能的影响

甘油添加量对膜性能的影响见表4。

表4 甘油添加量对膜性能的影响Table 4 Effect of glycerin addition on film properties

当甘油添加量为0.2 mL/g 淀粉时， 烘干后淀粉膜自动脱离亚克力板，破碎为块状，无法测量。 由表4 可知，随着甘油用量增加，断裂延伸率与之呈正相关，这可能是由于甘油是小分子多元醇，在高温和剪切力的作用下，填充到淀粉分子链间，破坏分子间氢键作用，淀粉分子由螺旋构象转变为间断式螺旋构象或无规线团构象，分子间作用力削弱，同时由于CMC 的存在，甘油的羟基和CMC 的羧基之间存在化学作用，增加了两体系的相容性，因此膜的塑性增高，断裂延伸率增加[21]。但若甘油含量过高，则反过来破坏淀粉分子间羟基作用力，同时淀粉相对含量下降，不足以形成致密网络结构，因此抗拉强度略有下降[22]，但抗拉强度组间差异不显著。 同时添加甘油会促使膜结构疏松，增加膜的亲水性[23]，故渗水时间呈现略增大后显著减小趋势。根据显著性差异分析，甘油选取0.6 mL/g 淀粉添加量为宜。

2.1.3 干燥温度对膜性能的影响

干燥温度对膜性能的影响见表5。

由表5 可知，随着干燥温度升高，抗拉强度、断裂延伸率及渗水时间均呈现先增大后减少趋势。 当干燥温度较低时（50 ℃），甘油亲水基团可结合更多水分，膜中淀粉相对含量减少，导致膜致密性下降、结构疏松，且低温下难以完全干燥，膜中心及局部成黏稠状，导致抗拉强度降低、渗水时间较短[13-15]。 当温度高于80 ℃时，水分流失速度加快，甘油与水的氢键结合受到影响、大量水蒸气涌出易形成气泡，且高温长时间加热下，CMC 胶体黏度明显下降， 成品膜边缘出现轻微焦化，包被性降低，品质下降。根据显著性差异分析，干燥温度选取70 ℃为宜。

表5 干燥温度对膜性能的影响Table 5 Effect of drying temperature on film properties

2.1.4 干燥时间对膜性能的影响

干燥时间对膜性能的影响见表6。

表6 干燥时间对膜性能的影响Table 6 Effect of drying time on film properties

由表6 可知，干燥2 h 后，淀粉膜中心区域未完全干燥，未达成膜标准，无法测量。 干燥时间达3 h 以上即可完全成膜。 由表6 可知，随着加热时间的延长，膜的抗拉强度、断裂延伸率及渗水时间基本呈现先增大后减小趋势。 这是由于一定温度下，相对较长干燥时间有助于增强淀粉分子间相互作用，使其在成膜过程中充分伸展，形成定向有序、致密的网络结构，因而机械性能得以改善，抗拉强度、延伸率及渗水时间得到提高[12]。但随着干燥时间进一步延长，淀粉分子间的作用力进一步加强，分子链段不易于滑动，流动性大大降低，因而延伸率逐渐减小[24-25]，同时膜含水量降低使其质地硬脆，包被性降低。 根据显著性差异分析，干燥时间选择4 h 为宜。

2.2 可食膜物理性能指标综合评价

2.2.1 主成分分析

将18 组单因素试验数据标准化处理后， 对TS、EAB 和WPT 3 个指标进行主成分分析，第1 主成分和第2 主成分的特征值分别为1.670 和1.138（以特征值大于1 作为提取条件），方差贡献率分别为55.683%和37.933%，累计方差贡献率为93.616%（＞85%），已包含样品中绝大部分信息， 说明前2 个主成分可反映可食膜性能指标的整体信息，代替原来的3 个指标，结果见表7。

表7 相关成分的特征值及贡献率Table 7 Eigenvalues and cumulative variance contribution rates of the related components

表8 两个主成分的因子载荷和因子系数Table 8 Factor loading matrix and factor coefficient of first two principal components

2.2.2 葛根淀粉可食膜的物理性能综合评分

结合公式（3）和（4），将主成分特征值、方差贡献率及因子系数进行换算及归一化处理后，得到评价可食膜物理性能3 个指标（TS、EAB、WPT）的权重分别为0.466、0.229、0.305， 最终建立评价膜性能综合分的数学模型为Y=0.466P1+0.229P2+0.305P3。

2.3 正交试验结果与分析

基于单因素试验结果，设计L9（34）正交试验，结果见表9。

表9 正交试验结果Table 9 The result of orthogonal experiment

影响可食膜物理性能的4 个因素中， 按对物理性质综合评分的影响从大到小依次为甘油添加量＞干燥时间＞CMC 添加量＞干燥温度，通过K 值比较可知组合A2B2C3D3最优， 而正交试验表直观得出组合A2B2C1D3最优，需进一步验证。

经验证，组合A2B2C3D3的物理性能综合得分与感官评分均小于组合A2B2C1D3，结果见表10。

表10 验证试验结果Table 10 The result of validation experiment

其中组合A2B2C3D3因高温长时间干燥导致膜硬度过高，包被性大大下降，实用性和感官品质较差。 因此制膜最优工艺为CMC 添加量0.06 g/g 淀粉，甘油添加量0.6 mL/g 淀粉，干燥温度60 ℃，干燥时间5 h，此时可食膜无色透明、膜质柔韧、表面均匀光滑，边缘不卷曲，无异味。

2.4 显微结构观察

由图1 可清楚观察到淀粉膜表面比较光滑， 这是由于淀粉分子间相互作用，充分伸展，形成定向有序、结构致密，大部分区域成膜均匀，但存在少量颗粒和孔洞。

图1 葛根淀粉可食膜显微结构图（×200）Fig.1 microstructural characteristics of the film（×200）

2.5 保鲜应用效果

实际保鲜效果是衡量葛根淀粉可食膜应用性的重要指标，其中测定水分含量变化是判断保鲜效果的直观指标，利用葛根淀粉膜对自制玫瑰乳饼进行热封真空包装，以无膜包装乳饼作为对照，25 ℃下保藏7 d，保鲜效果如图2～图4 所示。 保鲜效果对比见表11。

图2 新鲜乳饼Fig.2 Fresh dairy cake

图3 有膜包装Fig.3 Packaging dairy cake

图4 无膜包装Fig.4 Unpacked dairy cake

表11 保鲜效果对比Table 11 Preservation effect comparison

结合表11 保鲜效果对比可知， 热封真空包装能有效减缓乳饼水分蒸发， 保持乳饼良好质地，减缓玫瑰花色素损失，风味和口感无较大变化，在一定程度上达到延长货架期的目的。

3 结论

研究表明CMC 添加量、甘油添加量、干燥温度及干燥时间对葛根淀粉可食膜物理性能（TS、EAB、WPT）具有不同程度的影响。 主成分分析结果表明仅前2 个主成分，其累计方差贡献率（93.616%），已超过85%，能够反映可食膜的绝大部分物理性能指标。 经数据分析、换算和归一化处理，确定3 个物理性能指标（TS、EAB、WPT）的权重分别为0.466、0.229、0.305。 结合隶属度评分法，将多指标简化成单指标，最终建立可食膜物理性能评价综合评分的数学模型为Y=0.466P1＋0.229P2＋0.305P3。 通过正交试验优化获得最佳制备工艺为CMC 添加量0.06 g/g 淀粉、 甘油添加量0.6 mL/g淀粉、干燥温度60 ℃、干燥时间5 h，此时可食膜无色透明、膜质柔韧、均匀光滑，边缘不卷曲，无异味，物理性综合评分为0.915，感官评分为96.78。保鲜应用效果研究表明，热封真空包装能有效减缓玫瑰乳饼水分蒸发，保持乳饼良好质地和风味，减缓玫瑰花色素损失，在一定程度上达到延长货架期的目的。