复合淀粉膜配方优化

2022-09-01吴战战薛雯雯

科技创新与应用 2022年24期

吴鹏，吴战战，袁建，薛雯雯，谢宇

（蚌埠学院食品与生物工程学院，安徽蚌埠 233000）

淀粉是目前生产最丰富的天然高分子原料之一，价廉物美，是一种可再生资源，用淀粉作为主要原料制造的可降解可食用包装材料有着广阔的应用前景[1]。淀粉膜是以淀粉为基料，甘油等多元醇为增塑剂制成。木薯淀粉膜为纯白色，有较好的透光率，糊化后清澈透明、无味道，且具有较好的成膜性能[2]。高直链玉米淀粉制作的薄膜较支链淀粉膜更易成膜，且阻隔性能优于支链淀粉膜[3]。马铃薯淀粉膜抗拉强度较好，透明度较高[4]。不同淀粉制成的薄膜有其各自的优缺点。关于高直连玉米淀粉薄膜、马铃薯淀粉膜和木薯淀粉膜各自成膜的研究较多，但将3 种淀粉复合制备薄膜的研究几乎没有。

为改善单一淀粉膜的性能，有效提高淀粉膜的应用范围，本项目在前人研究的基础上，选用高直链玉米淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉等为原料，制备淀粉基复合可食性膜，以膜的机械性能为评价指标，优化成膜工艺和成膜配方，为开发可食性淀粉基包装材料提供一定的理论依据[5]。

1 材料与方法

1.1 材料

高直链玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、明胶、甘油（均为食品级）。

分析天平、SmartTest 万能试验机和烘箱等。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

称量→溶解→水浴加热→流延成膜→烘干→冷却→揭膜。

称量一定量的淀粉、明胶和甘油，加水配置成100mL溶液，80°C 水浴加热30 min，期间搅拌均匀。取20 mL溶液倒入培养皿，使其分布均匀，放入烘箱烘干。烘箱温度为65 ℃，时间为2 h，烘干后冷却揭膜。将薄膜进行裁切处理后测定厚度、抗张强度和断裂伸长率。平行实验3 次取平均值。

1.2.2 测定指标

拉伸试验：测试方法参照GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能测定》[6]的方法。选择均匀的、平整的、无孔洞的膜，裁成长40 m、宽15 mm 左右的长条形，先采用游标卡尺测量膜的厚度，然后将膜固定于SmartTest 万能试验机上，测定抗张强度和断裂伸长率，每组试验重复3 次。

式中：TS为膜的抗张强度，MPa；F为抗拉力，N；δ 为薄膜的厚度，mm；W为膜的宽度，mm。

式中：L为膜拉伸后的长度，mm；L0为膜的初始长度，mm。

1.2.3 单因素实验

（1）马铃薯淀粉添加量对淀粉膜机械性能的影响。固定木薯淀粉0.5%、玉米淀粉0.25%、甘油2%、明胶1.25%，马铃薯淀粉添加量为2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%，通过抗张强度和断裂伸长率确定马铃薯淀粉的最佳添加量。

（2）木薯淀粉添加量对淀粉膜机械性能的影响。固定马铃薯淀粉3%、玉米淀粉0.25%、甘油2%、明胶1.25%，木薯淀粉添加量为0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%，通过抗张强度和断裂伸长率确定木薯淀粉的最佳添加量。

（3）甘油添加量对淀粉膜机械性能的影响。固定马铃薯淀粉3%、木薯淀粉0.75%、玉米淀粉0.25%、明胶1.25%、甘油添加量为1%、2%、3%、4%、5%，通过抗张强度和断裂伸长率确定甘油的最佳添加量。

（4）高直链玉米淀粉添加量对淀粉膜机械性能的影响。固定马铃薯淀粉3%、木薯淀粉0.75%、明胶1.25%、甘油3%，高直链玉米淀粉添加量为0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%，通过抗张强度和断裂伸长率确定甘油的最佳添加量。

1.2.4 正交实验

以马铃薯淀粉、木薯淀粉、甘油、高直链玉米淀粉添加量设计4 因素3 水平的正交实验。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果分析

2.1.1 马铃薯淀粉添加量对复合淀粉膜力学性能的影响

由图1 可知，当马铃薯淀粉添加量从2%逐渐增加到3%时，复合淀粉膜的拉伸强度逐渐升高。当马铃薯淀粉添加量为3%时，膜的拉伸强度最高，为3.16 MPa，随后就呈逐渐下降的趋势，而膜的断裂伸长率一直是逐渐增加的趋势，但在马铃薯淀粉添加量为3%～4%后，增加幅度减缓。这可能是因为随着马铃薯淀粉含量的增加，淀粉膜的致密性和连续性也在增加，使得抗拉强度和延伸率增加，成膜性能得以增强。随着淀粉含量的继续增加，膜的水分含量缓慢减少黏性增加，结构缺乏均一性，抗拉强度下降。

图1 马铃薯淀粉添加量对复合淀粉膜机械性能的影响

2.1.2 木薯淀粉添加量对复合淀粉膜力学性能的影响

由图2 可知，当木薯淀粉添加量从0.25%逐渐增加到0.75%时，复合淀粉膜的拉伸强度逐渐升高。当添加量为0.75%时，膜的拉伸强度最高，随后就呈逐渐下降的趋势，而膜的断裂伸长率呈现的是升高的趋势，但在木薯淀粉添加量到0.75%后，增加不明显。这可能是因为木薯淀粉的支链淀粉比直链淀粉的比例比较高，利于成膜，随着添加量的增加，复合淀粉膜成膜性能得以增强，力学性能也得到了改善，所以复合淀粉膜的拉伸强度呈现上升趋势，断裂伸长率也提升很大[7]。

图2 木薯淀粉添加量对复合淀粉膜力学性能

2.1.3 甘油添加量对复合淀粉膜力学性能的影响

由图3 可知，当甘油添加量从1%逐渐增加到3%时，复合淀粉膜的拉伸强度逐渐升高。当添加量为3%时，膜的拉伸强度最高，随后就呈现逐渐下降的趋势，而膜的断裂伸长率则呈现的是升高的趋势。这可能是因为甘油是淀粉基膜的塑化剂，可以增加膜的柔韧性能，所以断裂伸长率一直是增加的趋势。而抗拉强度出现先增大后减小的趋势主要是随着甘油含量的增加削弱了淀粉大分子之间的相互作用[7]。

图3 甘油添加量对复合淀粉膜力学性能的影响

2.1.4 高直链玉米淀粉添加量对复合淀粉膜力学性能的影响

由图4 可知，当高直链玉米淀粉添加量从0.15%逐渐增加到0.2%时，复合淀粉膜的拉伸强度逐渐升高。当添加量为0.2%时，膜的拉伸强度最高，随后就呈逐渐下降的趋势，而膜的断裂伸长率呈现的是升高的趋势，但在高直链玉米淀粉添加量为0.2%后，增加不明显。可能是因为玉米淀粉中具有较高的直链淀粉含量导致复合淀粉膜的成膜性能好，力学性能也得到了改善[8]。随着高直链玉米淀粉含量的继续增加，膜的水分含量缓慢减少，黏性增加，结构缺乏均一性，抗拉强度下降。

图4 玉米淀粉添加量对复合淀粉膜力学性能的影响

2.2 正交试验结果分析

（1）由表1 的拉伸强度结果分析，A2B2C1D2 为复合淀粉膜的最优配方，即马铃薯淀粉添加量为3%、木薯淀粉添加量为0.75%、玉米淀粉添加量为0.15%、甘油添加量为3%，此时复合淀粉膜拉伸强度的影响因素大小是A＞C＞D＞B，即马铃薯淀粉添加量最大，依次是玉米淀粉添加量、甘油添加量，木薯淀粉添加量的影响。

（2）由表1 的断裂伸长率结果分析，A2B1C1D3 为复合淀粉膜的最优配方，即马铃薯淀粉添加量为3%、木薯淀粉添加量为0.5%、玉米淀粉添加量为0.15%、甘油添加量为4%，此时复合淀粉膜断裂伸长率的影响因素大小是A＞D＞B＞C，也就是说马铃薯淀粉添加量对复合淀粉膜拉伸强度影响最大，其次分别为玉米淀粉添加量、甘油添加量，木薯淀粉添加量影响最小。