响应面优化魔芋葡甘聚糖膜力学性能研究

陈文平，江贵林，汪 超,2,*，陈士勇，吕文平，姜发堂,2

(1.湖北工业大学生物工程学院，湖北 武汉 430068；2.武汉力诚生物科技有限公司，湖北 武汉 430074)

响应面优化魔芋葡甘聚糖膜力学性能研究

陈文平1，江贵林1，汪 超1,2,*，陈士勇1，吕文平1，姜发堂1,2

(1.湖北工业大学生物工程学院，湖北 武汉 430068；2.武汉力诚生物科技有限公司，湖北 武汉 430074)

水相中溶致魔芋葡甘聚糖(KGM)流延干燥成膜，分析膜的力学特性。筛选并确定KGM质量浓度、制备温度、制备时间、静置时间、干燥温度5个因素的中心组合试验设计，以拉伸强度为考察指标，采用响应面优化KGM膜的制备工艺。结果表明：5个因素对膜的拉伸强度均有显著影响，依次为KGM质量浓度＞制备温度＞静置时间＞干燥温度＞制备时间，且最优条件为2.19g/100mL KGM、60.0℃搅拌190min、静置156min、51.1℃干燥。制备的膜表面平整光滑，拉伸强度最佳，耐水性较好。

魔芋葡甘聚糖；拉伸强度；响应面分析

Abstract：To achieve optimal mechanical properties of konjac glucomannan (KGM) film prepared by the solution casting method, Plackett-Burman factorial design was used to select the most important ones affecting KGM film tensile strength out of 7 technological parameters and subsequently, the optimal values of selected parameters, namely KGM concentration (X1),stirring time (X2), heating temperature (X3), standing time (X5) and drying temperature (X7), for improved KGM film tensile strength were investigated using response surface analysis based on a 5-variable, 3-level central composite design leading to 46 experiments.Results showed that the above selected parameters all had significant effects on KGM film tensile strength in the decreasing order: X1＞ X3＞ X2＞ X7＞ X5and their optimal values were as follows: KGM concentration 2.19 g/100 mL, heating temperature 60.0 ℃ for 190 min stirring, standing time 156 min and drying temperature 51.1 ℃. The KGM film obtained under such conditions exhibited a smooth regular surface, an optimal tensile strength and good water resistance.

Key words：konjac glucomannan；tensile strength；response surface analysis

魔芋为天南星科魔芋属的多年生宿茎草本植物，魔芋粉的主要成分魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是天然水溶性膳食纤维，由β-1,4糖苷键连接的D-吡喃葡萄糖和D-吡喃甘露糖组成[1]，具有优良的束水性、胶凝性、增稠性、黏结性、可逆性、悬浮性、成膜性、赋味性[2]等多种特性，具有润肠通便，降血压，提高免疫力[3]等优点，同时，特殊宗教信仰和素食饮食原则使得仿生食品[4]中有着极大的开发市场。KGM在适当处理后会形成可食性和自然降解的优良膜材料，未经改性的KGM的成膜性因其溶解度低，溶胶稳定性差，使膜的均匀性差，拉伸强度弱，膜的应用受到限制。需加碱、酸[5]或酸酐等化学试剂对KGM进行改性[6-7]来改善KGM基材耐水、耐酸、耐热性能。传统工艺增加了制备工序，易造成污染，且口感苦涩，不易为社会接受。本研究尝试对不进行任何化学改性的KGM热溶致干燥成膜，制备具有较强拉伸强度的耐水性魔芋基材，分析其性能，并探讨其在仿生食品中的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

魔芋精粉(花魔芋，特级) 湖北星宇魔芋产业发展有限公司。

GZX-9030MBE电热恒温鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司；EUROSTAR悬臂式搅拌器 德国IKA公司；HH-2数显恒温水浴锅 国华电器有限公司；TMSPRO质构仪 美国FTC公司。

1.2 方法

1.2.1 KGM膜的制备

参照Li等[8]的方法制备KGM。准确称取KGM于100mL蒸馏水中，在设定温度条件下，用搅拌器在设定的时间内搅拌使之充分溶胀。取出后在一定温度的恒温恒湿箱中静置一定时间，在设定干燥温度下干燥成膜，于干燥器中贮存。

1.2.2 膜的性能指标测试

质构分析：采用质构分析仪，参考ISO 6239—1986(E)[9]标准测试膜的拉伸强度(σ)，速度为5mm/min，重复5次取平均值。

耐水性测定：将2cm×2cm膜浸入沸水煮沸30min[10]后小心取出膜片，用滤纸吸去表面水分，称其质量，重复此操作直至恒定质量，以吸水倍数来评价该性能。

2 结果与分析

2.1 KGM膜制备影响因素的筛选

表1 Plackett-Burman试验因素与水平Table 1 Variables and levels in Plackett-Burman factorial design

表2 Plackett-Burman试验设计与结果Table 2 Plackett-Burman factorial design matrix and corresponding experimental values of KGM film tensile strength

根据KGM膜的制备工艺，表1列举了7个影响因素编号及水平，并列出了Plackett-Burman设计的膜(表2)，进行制备试验，每组3次平行取其平均值。

以拉伸强度为评价指标，用SPSS软件进行方差分析(表3)，结果表明制备浓度、制备温度、制备时间、静置时间、干燥温度对拉伸强度均有显著性，固定非显著性因素的最佳工艺条件，着重考察显著性因素的制备条件。

2.2 响应面分析

2.2.1 中心组合(central composite design，CCD)试验设计

表4 试验因素水平表Table 4 Variables and levels in CCD

以上述制备浓度、制备温度、制备时间、静置时间、干燥温度5个因素为自变量，以拉伸强度为因变量进行响应面优化试验，因素水平设计见表4，结果见表5。

表3 试验结果方差分析表Table 3 Analysis of variance for KGM film tensile strength with 7 technological parameters

表5 膜制备试验设计和结果Table 5 CCD matrix and corresponding experimental values of KGM film tensile strength

2.2.2 显著性检验及模型建立

由表6可见，模型相关系数R2＝0.9491，校正决定系数R2Adj＝0.9084，表明该模型拟合程度较好，可根据此模型分析和预测膜的拉伸强度；P＜0.0001，表明模型方程极显著。模型一次项X1、X3极显著，X5、X7显著；二次项极显著，交互项 X1X5、X5X7极显著，X3X5显著。

SAS软件拉伸强度回归分析，得到拉伸强度的二次多项回归模型方程：

2.2.3 响应面分析与优化

图1 Y=f(X1, X2)的响应面图Fig.1 Response surface plot of Y = f (X1, X2)

图2 Y=f(X1, X3)的响应面图Fig.2 Response surface plot of Y = f (X1, X3)

图3 Y=f(X1, X5)的响应面图Fig.3 Response surface plot of Y = f (X1, X5)

图4 Y=f(X1, X7)的响应面图Fig.4 Response surface plot of Y = f (X1, X7)

图5 Y=f(X2, X3)的响应面图Fig.5 Response surface plot of Y = f (X2, X3)

图6 Y=f(X2, X5)的响应面图Fig.6 Response surface plot of Y = f (X2, X5)

图7 Y=f(X2, X7)的响应面图Fig.7 Response surface plot of Y = f (X2, X7)

表6 回归方程系数显著性检验Table 6 Significance test for each regression coefficient of fitted regression model

图8 Y=f(X3, X5)的响应面图Fig.8 Response surface plot of Y = f (X3, X5)

图9 Y=f(X3, X7)的响应面图Fig.9 Response surface plot of Y = f (X3, X7)

图10 Y=f(X5, X7)的响应面图Fig.10 Response surface plot of Y = f (X5, X7)

模型响应面及等高线图解见图1～10，固定3个因素的最优条件，建立其余两个因素与响应值关系的三维坐标图，直观的反映出各因素对响应值的影响关系：响应面曲线陡峭则交互作用明显，曲线平缓交互作用较弱；等高线中图形越圆交互作用越弱，反之则越强。图10中曲线最陡，等高线最扁，其次是图3，再次是图8，其他图中曲面都较平缓，等高线均趋于圆形显示出干燥温度与静置时间的交互作用＞KGM质量浓度与静置时间的交互作用＞制备温度与静置时间的交互作用，其他因素之间的交互作用可以忽略不计，与表6中的F值和P值检验的结果分析一致，说明以上交互作用中KGM质量浓度、干燥温度、制备温度与静置时间是KGM膜中拉伸强度的限制因素。

单因素和交互影响，以及二次多项回归模型方程被确定后，对方程逐步回归，得KGM膜最优制备工艺：KGM质量浓度2.19g/100mL、搅拌时间190min、搅拌温度60.0℃、静置时间156min、干燥温度51.1℃，预测膜的拉伸强度为106.91N。

2.2.4 验证实验

为进一步验证模型准确性和有效性，在最优条件下制备KGM纤维化膜并进行拉伸实验，重复6次，结果分别为110.83、116.64、82.98、110.74、112.48、90.82N，平均拉伸强度则为104.08N，与预测值负偏差2.65%，可见该模型能较好地预测KGM膜的拉伸强度。

2.3 耐水性测定

最优化膜经沸水30min后，未溶解且呈完整形态，略有卷曲，吸水倍数为1.2783，而表5中最差的1号膜在水中浸泡一段时间后膜吸水溶胀，失去力学强度，最后分散于水中。进一步论证了优化后，高浓度膜具有较强的耐水耐高温的特性，是其优良力学性能的体现。

3 结 论

采用溶致KGM流延干燥成膜，筛选并确定了制备KGM膜的主要因素，作用依次为KGM质量浓度＞制备温度＞静置时间＞干燥温度＞制备时间，干燥温度与静置时间的交互作用＞KGM质量浓度与静置时间的交互作用＞制备温度与静置时间的交互作用。响应面分析并验证KGM膜拉伸强度的模型方程，优化得膜最佳制备工艺：2.19g/100mL KGM，60.0℃搅拌190min，静置156min，51.1℃干燥，膜最大拉伸强度为104.08N，吸水倍数1.2783。本研究采用提高KGM溶胶质量浓度和优化工艺制备了具有拉伸强度和耐水性的薄膜，避免了制备KGM耐水膜所用碱等化学试剂的污染，其深层次的机理尚待进一步研究。

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Response Surface Analysis for Optimization of Mechanical Properties of Konjac Glucomannan Film

CHEN Wen-ping1，JIANG Gui-lin1，WANG Chao1,2,*，CHEN Shi-yong1，LWen-ping1，JIANG Fa-tang1,2
(1. School of Biological Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China；2. Wuhan Licheng Biotechnology Co. Ltd., Wuhan 430074, China)

S377；TS201.1

A

1002-6630(2010)10-0095-05

2009-07-31

2007年度湖北省教育厅青年人才项目(20063036)；武汉市科技局晨光计划项目(20065004116-52)

陈文平(1984—)，女，硕士研究生，研究方向为食品与天然产物化学。E-mail：chenwenping_sp@163.com

*通信作者：汪超(1978—)，男，副教授，博士，研究方向为食品与天然产物化学。E-mail：wangchao5412@163.com