响应面法优化阿魏酸淀粉酯膜制备工艺

陈金凤，文 玉，赵国华，2，*（.西南大学食品科学学院，重庆　40075；2.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆　40075）

响应面法优化阿魏酸淀粉酯膜制备工艺

陈金凤1，文 玉1，赵国华1，2，*
（1.西南大学食品科学学院，重庆400715；2.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆400715）

采用单因素试验和响应面法考察阿魏酸淀粉酯取代度、干燥温度和甘油添加量对阿魏酸淀粉酯膜抗张强度（tensile strength，TS）和断裂伸长率的影响。结果表明：随着取代度的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐渐增大，断裂伸长率逐渐减小；当干燥温度不大于60 ℃时，阿魏酸淀粉酯膜的TS随着温度的升高略微增大，当温度升高到60 ℃以上时，TS显著降低（P＜0.05），阿魏酸淀粉酯膜的断裂伸长率随着温度的升高显著降低（P＜0.05）；随着甘油添加量的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐渐减小，断裂伸长率逐渐增大。综合考虑各因素对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响，在取代度0.068、干燥温度40 ℃、甘油添加量1.20 g/4.0 g条件下制备阿魏酸淀粉酯膜，膜的TS较高，为10.23 MPa；在取代度0.023、干燥温度41 ℃、甘油添加量1.30 g/4.0 g条件下制膜，膜的断裂伸长率较高，为321.65%。关键词：阿魏酸淀粉酯膜；响应面法；抗张强度；断裂伸长率

近年来，使用天然生物材料制备可食性薄膜成为研究的热点［1-3］，淀粉基可食薄膜被认为是最具发展前景的生物包装材料之一［4-5］。但是原淀粉薄膜机械性能和阻隔性能较差［6-7］，且淀粉具有结晶化特征，易使薄膜变脆，这使原淀粉在应用上受到很大的限制［8］。研究发现，利用一定的方法使淀粉在化学结构上发生变化，或者改变淀粉分子大小和淀粉颗粒的性质［9-10］，制备变性淀粉薄膜能够改善膜的机械性能。阿魏酸是植物组织中普遍存在的酚酸衍生物［11］，安全无毒［12］，价格低廉［13］。其分子具有酚羟基和羧基，可以与淀粉反应制备酯化淀粉薄膜。

陈达佳等［14］研究阿魏酸对胶原蛋白-壳聚糖复合膜性能影响时，发现添加阿魏酸能够增强复合薄膜的机械性能。Mathew等［15］发现在淀粉-壳聚糖复合膜中添加阿魏酸能够大大改善其阻隔性能，但阿魏酸浓度过高时，出现了相分离的现象，膜的断裂伸长率降低。Ou Shiyi等［16］研究阿魏酸改善大豆蛋白可食膜机械性能时，也发现类似的相分离的现象，导致膜的抗张强度（tensile strength，TS）降低。所以，解决向淀粉糊中直接添加抗氧化剂制备抗氧化性淀粉膜时常见的相分离等问题，以改善薄膜机械性能还很有研究的必要。本实验旨在将阿魏酸淀粉酯制备成具有抗氧化性的可食薄膜，研究阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响因素，以期为新型食品包装膜的工业化生产提供一定的参考依据。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

玉米淀粉重庆佳仙食品有限公司；异丙醇（分析纯）、二甲基亚砜（色谱纯）成都科龙化工试剂厂；阿魏酸（标准品）湖北远成共创科技有限公司；N，N'-羰基二咪唑（N，N'-carbonyldiimidazole，CDI，试剂级）凯信化学工业有限公司。

1.2仪器与设备

DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱、HWS-24 数显恒温水浴锅上海齐欣科学仪器有限公司；CT3质构仪美国BrookField公司；BS233S电子天平北京赛多利斯仪器有限公司；D2004W电动搅拌器上海司乐仪器有限公司；有机玻璃板重庆吉美达有机玻璃制品有限公司。

1.3方法

1.3.1阿魏酸淀粉酯的制备［17］

称取等物质的量（6.17 mmol）的阿魏酸1.119 g 和CDI 1.001 g，再加入20 mL的二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）搅拌均匀后转移至50 mL的三口圆底烧瓶中并连接机械搅拌杆（300 r/min）进行搅拌，油浴60 ℃条件下反应15 h，合成阿魏酸咪唑化合物。然后，准确称取玉米淀粉1.0 g，加入一定比例的阿魏酸咪唑化合物，阿魏酸咪唑化合物（添加量）分别为：DS-1（5 mL）、DS-2（10 mL）、DS-3（15 mL）。在高速分散机（1.5×104r/min）作用下分散均匀后置于三口圆底烧瓶中并用磁力搅拌机均匀搅拌，油浴加热至一定温度，反应一段时间后，停止搅拌终止反应。向得到的反应物中加入2 倍体积的异丙醇，不断搅拌得到黏稠沉淀，离心，沉淀物用异丙醇反复洗涤2 次后，加入DMSO使其充分溶解后转移至透析袋（截留相对分子质量8 000～14 000）中，用DMSO透析24 h，得到的样品再次用异丙醇沉淀、洗涤后溶解在纯水中，流水透析24 h，静水透析24 h，浓缩，真空冷冻干燥，得到不同取代度的淡黄色粉末状阿魏酸淀粉酯。

1.3.2阿魏酸淀粉酯膜的制备

称取2.0 g原淀粉与2.0 g不同取代度的阿魏酸淀粉酯的混合物，配制质量分数为4%的淀粉乳，90 ℃条件下恒温搅拌30 min使其糊化，加入一定量的甘油继续搅拌20 min，脱气后倾倒至自制有机玻璃模具中，置于烘箱中50 ℃条件下干燥12 h，然后在室温条件下回湿，揭膜，置于25 ℃、相对湿度50%条件下保存备用。

1.3.2.1取代度对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响

固定甘油添加量1.25 g/4.0 g、干燥成膜温度50 ℃，改变阿魏酸淀粉酯的取代度（DS-1（0.015）、DS-2 （0.032）、DS-3（0.068）），研究取代度对膜机械性能的影响。其他条件为：淀粉乳质量分数4%、恒温搅拌过程中转速180 r/min。

1.3.2.2干燥温度对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响

固定阿魏酸淀粉酯取代度DS-2（0.032）、甘油添加量1.25 g/4.0 g，改变干燥成膜温度（40、50、60、70、80 ℃），研究干燥温度对膜机械性能的影响。其他条件为：淀粉乳质量分数4%、恒温搅拌过程中转速180 r/min。

1.3.2.3甘油添加量对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响

固定阿魏酸淀粉酯取代度DS-2（0.032）、干燥成膜温度50 ℃，改变甘油添加量（1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35、1.40 g/4.0 g），研究甘油添加量对膜机械性能的影响。其他条件为：淀粉乳质量分数4%、恒温搅拌过程中转速180 r/min。

1.3.3阿魏酸淀粉酯膜机械性能的测定

根据ASTM D 882-01Annual Book of ASTM Standards［18］方法测定阿魏酸淀粉酯膜的机械性能，将样品膜裁剪成尺寸为60 mm×25 mm的长条，在相对湿度为75%的条件下保存24 h，使用质构仪对样品进行测量。初始夹距设为50 mm，拉伸速率为1 mm/s。测定5 个样品，每个样品重复测定3 次，按式（1）、（2）计算TS和断裂伸长率，取平均值。

式中：TS为抗张强度/MPa；F为膜所受拉力/N；S为膜的初始横截面积/mm2；E为断裂伸长率/%；L0为试样原始标线间距离/mm；L为膜断裂时至标线间距离/mm。

1.4数据分析

运用SPSS 19.0和Design-Expert 8.1进行数据分析，运用Tukey's HSD进行方差分析（P＜0.05为显著差异），数据以±s表示。

2　结果与分析

2.1取代度对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响由表1可以看出，随着取代度的增加，阿魏酸淀粉酯膜的TS呈逐渐增大的趋势，在取代度为0.068时TS达到最大。相反，阿魏酸淀粉酯膜的E值随着取代度的增大而逐渐减小。经过改性后，阿魏酸淀粉酯膜的TS增大可能是因为阿魏酸淀粉酯与淀粉之间发生了交联作用，形成更为紧密的网状结构，从而使形成的膜更为致密，强度更大［15，19］。E值的变化趋势与TS相反，是由于取代度提高时，阿魏酸淀粉酯分子链链段运动能力变弱，分子整链的位移困难，黏度高，导致分子链的柔性变差，所以形成的膜柔软性降低，E值随之减小。

表1　取代度对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响TTaabbllee 11 　EEffffeecctt ooff ddeeggrreeee ooff ssuubbssttiittuuttiioonn oonn mmeecchhaanniiccaall pprrooppeerrttiieess ooff starch ferulate fi lmmss

2.2干燥温度对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响

表2　干燥温度对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响TTaabbllee 22 　EEffffeecctt ooff ddrryyiinngg tteemmppeerraattuurree oonn mmeecchhaanniiccaall pprrooppeerrttiieess ooff starch ferulate fi lmmss

由表2可以看出，干燥温度由40 ℃上升至50 ℃时阿魏酸淀粉酯膜的TS显著增大，这是因为40 ℃时，膜的干燥速率过慢，而50 ℃时，干燥速率适中，使得淀粉酯膜中的水分蒸发适中，从而更利于淀粉有序网络结构的形成，使得膜的机械性能更好。50 ℃和60 ℃烘干的膜之间没有显著差异，但当温度升高到60 ℃以上时，TS随着温度升高显著降低（P＜0.05）。从阿魏酸淀粉酯膜的表观也可观察到，80 ℃条件下烘干的膜含水量少，脆硬，并且容易碎裂，不易测量且不适宜用作食品膜。这是由于低于60 ℃干燥时，水分蒸发速率慢，淀粉分子链在水分子的塑化作用下具有较好活动性，在比较长的时间里能够充分伸展、位移和调向，使得阿魏酸淀粉酯膜中的大分子相互靠近，趋于有序的排列，从而形成连续紧密的空间网络结构，表现为阿魏酸淀粉酯膜的TS增大［20］。但干燥温度也不宜过低，否则会造成干燥时间过长，增加能耗。然而，进一步升高温度会缩短成膜时间，温度过高会导致阿魏酸淀粉酯膜内的大分子之间以及大分子与甘油之间还未形成定向有序的网络结构便已沉积下来，从而导致阿魏酸淀粉酯膜的TS显著下降。这说明适宜的干燥温度能保证水分的蒸发速度适中，使得淀粉酯形成有序而致密的网络结构，赋予阿魏酸淀粉酯膜良好的TS。随着温度的升高，阿魏酸淀粉酯膜的E值显著降低，但50 ℃和60 ℃时相差不大，这是由于低温使干燥时间变长，膜中水分含量高，分子链的活动性大，有利于分子间有序致密的网络结构的形成，而温度大于70 ℃时，干燥速率过快，甘油与大分子之间的氢键、大分子

之间的网络结构尚未完全形成就已经沉积，导致阿魏酸淀粉酯膜的E值显著下降（P＜0.05）。因此，综合考虑，阿魏酸淀粉酯膜的干燥温度不宜选的过高或过低。

2.3甘油添加量对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响

表3　甘油添加量对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响TTaabbllee 33 　EEffffeecctt ooff ggllyycceerriinn ccoonntteenntt oonn mmeecchhaanniiccaall pprrooppeerrttiieess ooff ssttaarrcchh ferulate fi llmmss

由表3可知，随着甘油添加量的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐渐下降，可能是因为在糊化过程中，甘油能够渗透到阿魏酸淀粉酯分子链之间，增大淀粉酯分子链之间的距离，进而增大了链的活动性，同时使膜的柔韧性和延展性增大。甘油是分子质量较小的亲水性分子，其极性基团与成膜材料分子相互作用，破坏了膜中原有大分子链的有序排列和堆积结构，削弱了分子间的作用力，从而降低阿魏酸淀粉酯膜的TS。甘油本身具有吸湿性，它的加入使阿魏酸淀粉酯膜的含水量增大，减弱淀粉内部的键合作用。这些作用共同导致阿魏酸淀粉酯膜的TS降低。Gontard等［21］研究甘油对小麦蛋白膜的影响时发现，甘油能够降低小麦蛋白膜的TS，增大其E值。Yan Qianqian等［22］在研究甘油对玉米淀粉薄膜机械性能影响时得出了相似的结果。此外，随着甘油添加量的增加，阿魏酸淀粉酯膜的E值逐渐增大，这是由于甘油与阿魏酸淀粉酯分子之间的相互作用，削弱了淀粉分子间或阿魏酸分子间的相互作用力，从而有利于在外力作用下阿魏酸淀粉酯分子链之间的重排，进而使阿魏酸淀粉酯膜的柔韧性增大。Alves等［23］发现木薯淀粉膜的力学性能受甘油含量的影响较大，随着甘油含量的增加，木薯淀粉膜的E值增大，TS降低。Myllärinena等［24］研究了甘油添加量对直链和支链淀粉膜性能的影响，发现甘油添加量超过20%的直链淀粉膜的E值显著增大，但支链淀粉膜则相对较脆柔韧性较差。

2.4响应面优化阿魏酸淀粉酯膜的机械性能

2.4.1响应面试验设计与结果

采用Box-Behnken试验设计，以单因素试验结果为基础，进行三因素三水平的响应面分析试验，考察取代度（X1）、干燥温度（X2）和甘油添加量（X3）对阿魏酸淀粉酯膜机械性能的影响，结果见表4。

表 4 TTSS和　E值的Box-Behnkenn试验结果TTaabbllee 44 　RReessuullttss ooff BBooxx--BBeehhnnkkeenn eexxppeerriimmeennttaall ddeessiiggnn ffoorr tteennssiillee strength and elongation at break

对表中数据进行多元回归拟合，建立TS的二次响应回归方程：

Y1=8.404 89+0.951 67X1+0.039 167X2－1.208 61X3－0.436 67XX－1.184 44XX+0.490 56XX－1.066 61X2－

1223131

0.322 72X2－1.054 94X2

23

建立E值的二次响应回归方程：

表 5 TTSS和　E值的二次响应模型方差分析Taabbllee 55 　AAnnaallyyssiiss ooff vvaarriiaannccee （AANNOOVVAA） ffoorr rreessppoonnssee ssuurrffaaccee qquuaaddrraattiicc mmooddeellss ooff tteennssiillee ssttrreennggtthh aanndd eelloonnggaattiioonn aatt bbrreeaakk

由表5可知，TS的回归方程中一次项X1、X3，交互项X2X3，二次项X12、X32对阿魏酸淀粉酯膜的TS影响极显著（P＜0.01），交互项X1X3对膜的TS影响显著（P＜0.05），而X2、X1X2、X22对膜的TS影响并不显著，影响阿魏酸淀粉酯膜TS的各因素大小排序为：甘油添加量＞取代度＞干燥温度。从表5还可以看出，各试验因素对阿魏酸淀粉酯膜的E值的影响不是简单的线性关系，其中，二次项X12、X32对膜的E值影响极显著（P＜0.01），一次项X2、X3和交互项X2X3对膜的E值影响显著（P＜0.05），而X1、X1X2、X1X3、X22对膜的E值的影响并不显著，影响阿魏酸淀粉酯膜E值的各因素大小排序为：甘油添加量＞干燥温度＞取代度。

2.4.2阿魏酸淀粉酯膜机械性能的响应面分析

图 1　取代度、干燥温度和甘油添加量交互作用对TS影响的响应面图Fig.1　Response surface plots showing the interactive effects of degree of substitution， drying temperature and glycerin content on tensile strength

由图1a可知，干燥温度一定时，随着取代度的增加，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐渐增大。这是由于阿魏酸淀粉酯分子间形成的网状结构更为致密。而取代度一定时，干燥温度对阿魏酸淀粉酯膜的TS影响不大。由图1b可知，取代度与甘油添加量的交互作用显著。当取代度一定时，随着甘油添加量的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS先增大后减小，当固定甘油添加量时，TS随着取代度的增大而增大。由图1c可以看出，当固定甘油添加量时，干燥温度对阿魏酸淀粉酯膜的TS基本没有影响，固定干燥温度，随着甘油添加量的增加阿魏酸淀粉酯膜的TS降低。综合图1，在较低甘油添加量和较高取代度条件下阿魏酸淀粉酯膜的TS较高。这是由于低质量浓度的甘油加入后，渗入到淀粉酯的分子链间，甘油上的羟基与淀粉酯分子上的羟基形成氢键作用，取代了淀粉分子内或分子间的氢键，提高了分子链的活动性，促进了分子间相对运动，增大了淀粉膜的自由体积，同时玻璃化转变温度降低，膜的性能得到改善［25］。

图 2　取代度、干燥温度和甘油添加量交互作用对E值影响的响应面图Fig.2　Response surface plots showing the interactive effects of degree of substitution， drying temperature and glycerin content on elongation at break

由图2a可知，取代度一定时，阿魏酸淀粉酯膜的E值随干燥温度的升高而降低，当干燥温度大于50 ℃时，E值随着取代度的增大呈先增大后减小的趋势。由图2b可以看出，取代度一定时，阿魏酸淀粉酯膜的E值随甘油添加量的增大而增大。从图2c可以看出，干燥温度与甘油添加量的交互作用显著，干燥温度一定时，E值随甘油添加量的增大而减小，而固定甘油添加量时，E值随着干燥温度的升高而降低。综合图2，在适中的取代度、较高的甘油添加量（＞1.25 g/4.0 g）、较低的干燥温度（50 ℃）条件下，阿魏酸淀粉酯膜的E值较高。

综合考虑取代度、干燥温度和甘油添加量对阿魏酸淀粉酯膜TS和E值的影响，在取代度0.068、干燥温度40 ℃、甘油添加量1.20 g/4.0 g条件下制备阿魏酸淀粉酯膜，膜的TS较高，为10.23 MPa；在取代度0.023、干燥温度41 ℃、甘油添加量1.30 g/4.0 g条件下制备阿魏酸淀粉酯膜，膜的E值较高，为321.65%。

33　结 论

甘油添加量是影响阿魏酸淀粉酯膜机械性能的主要因素。随着甘油添加量的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐渐减小，E值逐渐增大；反之，随着取代度的增大，阿魏酸淀粉酯膜的TS逐渐增大，E值逐渐减小。当干燥温度不大于60 ℃时，阿魏酸淀粉酯膜的TS随着温度的升高略微增大，其中，50 ℃和60 ℃条件下干燥制备的膜之间没有显著差异，当温度升高到60 ℃以上时，TS显著降低（P＜0.05），阿魏酸淀粉酯膜的E值随着温度的升高显著降低（P＜0.05）。此外，温度过高会使阿魏酸淀粉酯膜过于脆硬。

综合考虑取代度、干燥温度和甘油添加量对阿魏酸淀粉酯膜TS和E值的影响，在取代度0.068、干燥温度40 ℃、甘油添加量1.20 g/4.0 g条件下制备阿魏酸淀粉酯膜，膜的TS较高，为10.23 MPa；在取代度0.023、干燥温度41 ℃、甘油添加量1.30 g/4.0 g条件下制备阿魏酸淀粉酯膜，膜的E值较高，为321.65%。

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Process Optimization for Preparation of Starch Ferulate Films by Response Surface Analysis

CHEN Jinfeng1， WEN Yu1， ZHAO Guohua1，2，*
（1. College of Food Science， Southwest University， Chongqing400715， China；2. Chongqing Engineering Research Center of Regional Food， Chongqing400715， China）

The effects of the degree of substitution of starch ferulate， drying temperature and glycerin content on the tensile strength and elongation at break of starch ferulate fi lms were optimized by single factor experiments and response surface analysis. Results showed that tensile strength of starch ferulate fi lms increased and elongation at break of starch ferulate fi lms decreased gradually with increasing degree of substitution. When the drying temperature was lower than 60 ℃， tensile strength of starch ferulate films increased slightly with an increase in temperature while when drying temperature was higher than 60 ℃， both tensile strength and elongation at break of starch ferulate fi lms decreased signifi cantly （P ＜ 0.05）. Tensile strength of starch ferulate films decreased gradually with an increase in glycerin content， whereas elongation at break increased gradually. Based on mechanical properties， the optimal conditions for preparation of starch ferulate fi lms with high tensile strength of 10.23 MPa were determined as 0.068， 40 ℃ and 1.20 g/4.0 g starch for degree of substitution，drying temperature and glycerin content， respectively， while those providing high elongation at break of 321.65% were 0.023，41 ℃ and 1.30 g/4.0 g starch， respectively.

starch ferulate fi lms； response surface analysis； tensile strength； elongation at break

TS231

A

1002-6630（2015）24-0023-06

10.7506/spkx1002-6630-201524004

2015-05-17

国家自然科学基金面上项目（31371737）；重庆市特色食品工程技术研究中心能力提升项目（cstc2014pt-gc8001）

陈金凤（1993—），女，硕士研究生，研究方向为食品化学与营养学。E-mail：chenjinfeng926@163.com

赵国华（1971—），男，教授，博士，研究方向为食品化学与营养学。E-mail：zhaoguohua1971@163.com