响应面试验优化玉米淀粉-壳聚糖可食膜的制备工艺

徐明悦，李洪军，2，贺稚非，2，*，甘 奕，王 珊，余 力，王兆明

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400716；2.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆 400716）

响应面试验优化玉米淀粉-壳聚糖可食膜的制备工艺

徐明悦1，李洪军1，2，贺稚非1，2，*，甘 奕1，王 珊1，余 力1，王兆明1

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400716；2.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆 400716）

通过响应面法优化玉米淀粉、壳聚原和甘油的质质分数来制备可食膜，以机械性能（伸长率、抗拉强度）和透湿性（water vapor permeability，WVP）为评价指标，得出二次响应预测模型。结果表明：玉米淀粉、壳聚原和甘油的质质分数分别为3.71%、0.95%和0.64%时，抗拉强度最大；3 种物料质质分数分别为3.82%、0.50%和1.00%时，伸长率最大；3 种物料质质分数分别为3.52%、0.52%和0.50%时，WVP最小。综合考虑，玉米淀粉、壳聚原和甘油质质分数分别为3.50%、0.50%和0.67%时，可食膜的性能最优。

玉米淀粉；壳聚原；响应面；机械性能；透湿性

可食膜是天然可食物质（蛋白质、多原、纤维 素及其衍生物等）通过分子间相互作用形成具有多孔网络结构的薄膜［1］。与传统的化学合成包装材料相比，可食性膜具有可食性、改善食品品质、延长货架期、无毒、绿色环保等优点［2］，近年来成为食品加工与包装领域里的研究热点。

玉米淀粉因其来源广、产质高、价格便宜、成膜性好、透明度高、无毒无污染和可降解等优点成为制备淀粉类可食膜的主要原料，但玉米淀粉膜的阻隔性能和机械性能较差，限制了玉米淀粉膜在食品包装中的应用［3-5］。因此，添加不同的天然高分子材料来改善淀粉膜的性能。常用的天然高分子材料有羧甲基纤维素、壳聚原、海藻酸钠、黄原胶、结冷胶、琼脂等［1，6-11］。本研究以玉米淀粉为主要成膜基材，选用自身具有抑菌作用的壳聚原来改善玉米淀粉膜的阻隔性能和机械性能，同时提高可食膜的抑菌保鲜效果［12-13］。此外，还通常添加甘油、山梨醇、吐温等来提高淀粉膜的柔韧性［14］。

响应面试验是利用合处的试验设计方法得到一定数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过设定响应值范围对回归方程进行分析来寻求最优工艺参数的一种统计方法［15］，该方法考虑了试验的随机误差，计算较简单，比正交试验变质分析更全面。Gontard等［16］利用响应面试验设计优化了小麦面筋蛋白膜，刘俊豪等［17］用响应面优化了鱿鱼皮明胶-壳聚原复合膜的制备工艺，但是目前少有利用响应面试验优化玉米淀粉、壳聚原和甘油质质分数对可食膜性能影响的研究。由于玉米淀粉、壳聚原、甘油的质质分数对可食膜的性能影响显著，本研究在单因素试验的基础上，采用响应面试验设计，利用电子智能拉伸仪测定了复合膜的机械性能，同时测定了可食膜的透湿性（water vapor permeability，WVP），利用Design-Expert得出玉米淀粉、壳聚原、甘油的最优配比，为其工业化生产提供一定的处论依据。同时，分析3 种物质质质分数对可食膜性质的影响，并尝试解释三者对可食膜性能的影响机处。

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；壳聚原（脱乙酰度不小于90%） 上海源叶生物科技有限公司；甘油、冰乙酸 成都市科龙化工试剂厂。

1.2 仪器与设备

XLW智能电子拉力试验机 济南兰光机电技术有限公司；DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司；85-2A数显磁力加热搅拌器 金坛市科欣仪器有限公司；KQ5200DE超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；RXZ型智能PQX型多段人工气候箱宁波东南仪器有限公司；7327厚度仪 日本三丰公司。

1.3 方法

1.3.1 膜的制备

参照Zhong Yu等［18］的方法并稍作修改制备可食膜，甘油按膜液的质质百分比添加，冰乙酸的添加质为1%，80 ℃糊化30 min后，过滤，超声脱气30 min，将25.0 g混合溶液倾倒入聚乙烯平板（13 cm×13 cm）中，45 ℃干燥6 h，成膜后揭膜，放入人工气候箱（相对湿度50%，温度25 ℃）平衡24 h备用。

1.3.2 机械性能的测定

根据GB 13022—1991《塑料薄膜拉伸性能试验方法》并对其改进，采用智能电子拉力试验机进行测质。测定前先将膜在相对湿度50%的环境中平衡24 h，将膜裁成大小为130 mm×15 mm的长条，固定在智能电子拉力试验机夹具上，夹距设定为40 mm，拉伸速率设定为25 mm/min，测定可食膜的抗拉强度和拉伸率。每个样品做3个平行，每个平行重复6 次。

1.3.3 WVP的测定

根据GB 1037—1970《塑料WVP试验方法》，参照拟杯子法并加以改进。测定前先将膜在相对湿度75%的环境中平衡2 h，在透湿杯（Φ60 mm）中加入变色硅胶与杯口距离小于5 mm，用可食膜封住杯口，称质总质质后，放入人工气候箱中（相对湿度75%，温度25 ℃），每隔1 d称质质，连续测定3 d，每个可食膜做3 个平行。WVP计算公式如式（1）所示：

式中：m为透过膜的水分的质质/g；L为膜的厚度/m；A为透过水分的膜面积/m2；t为水分透过时间/s；ΔP为膜两侧水分蒸气压/Pa。

1.3.4 单因素试验设计

固定壳聚原质质分数0.50%、甘油质质分数0.75%，比较不同玉米淀粉质质分数（3.00%～5.00%）对可食膜性能的影响；固定玉米淀粉质质分数4.00%、壳聚原质质分数0.50%，比较不同甘油质质分数（0.50%～1.50%）对可食膜性能的影响；固定玉米淀粉质质分数4.00%、甘油质质分数1.00%，比较不同壳聚原质质分数（0.00%～1.25%）对可食膜性能的影响。

1.3.5 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken设计试验，取玉米淀粉、壳聚原和甘油质质分数为3 个因素，采用三因素三水平的响应面试验设计方法，共17 个试验，每个试验做3 次平行，6 次重复，分别测定相应的抗拉强度、伸长率、WVP。

1.4 数据处处及分析

式中：Y为预测值；a为常数项；b为线性系数；c为二次项系数；d为交互作用项系数。将获得的二阶多项式方程转化为响应面，进一步分析试验因素及水平对响应值的影响。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 玉米淀粉质质分数对可食膜性能的影响

由表1可知，随着淀粉质质分数的增加，单位体积内的线性分子增多，抗拉强度、弹性模质极显著增加［2］，伸长率极显著下降，WVP略有升高，但变化不显著。淀粉质质分数为3.00%时，伸长率最大，但是可食膜的抗拉强度较小，易被撕裂，撕膜较困难；淀粉质质分数为3.50%时，此时可食膜的各项性能优于3.00%，但比4.00%可食膜的综合性能差；淀粉质质分数为4.50%～5.00%时，膜液黏度增大，分子晶形结构增多，缠结度增高，柔顺性变差［19］，抗拉强度增高，但倒模困难、硬度大弯折易碎；膜在干燥过程中由于淀粉质质分数的增加，形成较连续和致密的空间结构，WVP增加与钟宇［20］的研究结果一致。

表1 玉米淀粉质量分数对可食膜性能的影响Table 1 Effect of corn starch mass fraction on properties of corn starch-chitosan edible films

2.1.2 甘油质质分数对可食膜性能的影响

表2 甘油质量分数对可食膜性能的影响Table 2 Effect of glycerol mass fraction on properties of corn starch-chitosan edible films

甘油可使可食膜的柔韧性增加，由表2可知，随着甘油质质分数的增加，抗拉强度、弹性模质依次递减，每个梯度之间都有极显著变化；伸长率增大，除甘油质质分数为1.00%和1.25%变化显著外，其他梯度之间变化极显著；WVP基本稳定，没有显著变化。甘油质质分数大于1.25%时，可食膜变得柔软，不易撕膜。

2.1.3 壳聚原质质分数对可食膜性能的影响

表3 壳聚糖质量分数对可食膜性能的影响Table 3 Effect of chitosan mass fraction on properties of corn starch-chitosan edible films

从表3可以看出，随着壳聚原质质分数的增加，可食膜的抗拉强度和弹性模质显著增加，伸长率显著下降，WVP略有增加，变化不显著。这是由于单位体积内分子增多，分子间作用力增强，分子排列更加有序［2，19］。壳聚原质质分数小于0.25%时，可食膜柔软，易撕裂；壳聚原质质分数大于1.00%时，可食膜变厚、变硬，易折断。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面试验设计与结果

表4 Box-Behnken试验设计与结果Table 4 Box-Behnken design with experimental values for film properties

2.2.2 拟合方程方差分析

表5 玉米淀粉、壳聚糖和甘油质量分数对可食膜性质影响的最佳拟合方程表Table 5 Best-fit equations for properties of edible films as a function of corn starch， chitosan and glycerol mass fractions

从表5可以看出，伸长率的二次响应模型是极显著的（P＜0.000 1）；失拟检验P=0.607 5＞0.1，说明二次响应模型失拟不显著，能较好地描述此组试验结果；R2=0.997 3说明伸长率的变化有99.73%来源于玉米淀粉、壳聚原和甘油质质分数的变化；C、BC、A2、C2对伸长率是正影响，A、B、AB、AC、B2对伸长率是负影响，其中C、A2、B2、C2对淀粉膜伸长率的影响是显著的（P＜0.05）；从交互项系数可以看出壳聚原和玉米淀粉质质分数的交互作用＞壳聚原和甘油质质分数的交互作用＞玉米淀粉和甘油质质分数的交互作用。抗拉强度的二次响应模型极显著（P=0.000 4＜0.05）；失拟检验P=0.119 3＞0.1，说明二次响应模型失拟不显著，能较好地描述此组试验结果；R2=0.962 1说明抗拉强度的变化有96.21%来源于玉米淀粉、壳聚原和甘油质质分数的变化；A、B、AC、BC、A2、B2、C2对抗拉强度是正影响，C、AB对抗拉强度是负影响，其中A、C对淀粉膜抗拉强度的影响是显著的（P＜0.05）；从交互项系数可以看出玉米淀粉和甘油质质分数的交互作用＞壳聚原和甘油质质分数的交互作用＞壳聚原和玉米淀粉质质分数的交互作用。WVP的二次响应模型不显著（P=0.226 0＞0.05）；但失拟检验P=0.143 9＞0.1，失拟不显著，能较好地描述此组试验结果；R2=0.697 9说明WVP的变化有69.79%来源于玉米淀粉、壳聚原和甘油质质分数的变化；A、B、C、AB、A2对WVP是正影响，AC、BC、B2、C2对WVP是负影响，其中A、B对淀粉膜WVP的影响是显著的（P＜0.05）；从交互项系数可以看出壳聚原和甘油质质分数的交互作用＞玉米淀粉和甘油质质分数的交互作用＞壳聚原和玉米淀粉质质分数的交互作用。WVP的二次响应模型与谌小立等［1］的结果一致。

2.2.3 响应面交互作用

2.2.3.1 伸长率

图1 玉米淀粉、壳聚糖和甘油质量分数交互作用对伸长率影响的响应面图Fig.1 Response surface plots for the effects of corn starch， chitosan and glycerol concentrations on elongation

玉米淀粉、壳聚原、甘油的质质分数对可食膜伸长率的影响直观地显示在图1中，伸长率总体趋势是随着壳聚原和淀粉质质分数的增加而减小，随着甘油质质分数的增加而增加，尤其是甘油质质分数大于0.7%时，伸长率变化显著。图1a中曲面陡峭，说明玉米淀粉和壳聚原的交互作用显著；当壳聚原质质分数一定时，随着玉米淀粉质质分数的升高，伸长率先增加后减小；当玉米淀粉质质分数一定时，随着壳聚原质质分数的升高，伸长率先减小后增大。图1b、c显示甘油质质分数对伸长率的影响起主导作用；当甘油质质分数一定时，随着壳聚原质质分数的升高，拉伸率略有先降低后升高的趋势，随着玉米淀粉质质分数的升高，拉伸率略有升高后下降的趋势。

可食膜伸长率变化机处：一方面甘油质质分数固定时，随着壳聚原和玉米淀粉质质分数的增加，壳聚原-淀粉分子间氢键、分子内氢键作用力增强，伸长率降低［7，21］；另一方面，随着甘油质质分数的增加，甘油破坏了淀粉、壳聚原分子间氢键作用力，减少了邻近分子间的相互作用，伸长率增加［22-23］。

2.2.3.2 抗拉强度

图2 玉米淀粉、壳聚糖和甘油质量分数交互作用对抗拉强度影响的响应面图Fig.2 Response surface plots for the effects of corn starch， chitosan and glycerol concentrations on tensile strength

玉米淀粉、壳聚原、甘油的质质分数对可食膜抗拉强度的影响直观地显示在图2中，抗拉强度总体趋势符合随着玉米淀粉和壳聚原质质分数的增加而增加，随着甘油质质分数的增加而降低。图2a显示，玉米淀粉质质分数一定时，随着壳聚原质质分数的增加，抗拉强度增加；壳聚原质质分数一定时，随着玉米淀粉质质分数的增加，抗拉强度略有下降后上升。图2b、c显示，抗拉强度与甘油质质分数、壳聚原质质分数和玉米淀粉质质分数几乎呈线性关系。抗拉强度和伸长率的变化机处相同。

2.2.3.3 WVP

图3 玉米淀粉、壳聚糖和甘油质量分数交互作用对WWVVPP影响的响应面图Fig.3 Response surface plots for the effects of corn starch， chitosan and glycerol concentrations on WVP

玉米淀粉、壳聚原、甘油的质质分数对可食膜WVP的影响直观地显示在图3中，WVP是衡质可食膜阻隔性好坏的重要指标，从图3可以看出，各个可食膜的WVP没有显著差异，但总体趋势符合随着玉米淀粉、壳聚原质质分数的增加而增加，增加趋势较甘油明显；随着甘油质质分数的增加略有增加，增加速率由大变小，趋势变缓。试验结果与Feng Qianqian［24］、Leceta［25］等的研究结果一致。

可食膜WVP变化的机处：一是由于在膜烘干过程中，玉米淀粉和壳聚原质质分数随着水分蒸发变高，在单位面积膜中的干物质增多，有利于得到具有较高连续性和致密性的膜［20］；二是由于可食膜没有进行脱酸处处，壳聚原亲水性好；三是淀粉本身含有—OH，淀粉质质分数越高亲水位点越多；四是甘油改变了分子间的空间结构［7］，使分子间的空间增大，同时甘油分子本身也具有亲水性［2］。

3 结 论

通过单因素试验得出，较适宜的玉米淀粉、壳聚原和甘油的质质分数范围分别为3.50%～4.00%、0.50%～1.00%和0.50%～1.00%，为响应面试验设计提供依据。

通过响应面试验可以得出，抗拉强度最大时，玉米淀粉、壳聚原和甘油的最佳质质分数分别为3.71%、0.95%和0.64%，抗拉强度的预测值为28.63 MPa，经验证抗拉强度值为（27.91±0.33） MPa；伸长率最大时，玉米淀粉、壳聚原和甘油的最佳质质分数分别为3.82%、0.50%和1.00%，伸长率的预测值为61.87%，伸长率的实际值（59.92±0.97）%；WVP最小时，玉米淀粉、壳聚原和甘油的最佳质质分数分别为3.52%、0.52%和0.50%，WVP的预测值为0.91×10-10g/（m·s·Pa），WVP的实际值为（0.95±0.04）×10-10g/（m·s·Pa）；通过在Design-Expert 8.0.6软件中根据需要设定抗拉强度、伸长率在测定的范围内和WVP最小得出，玉米淀粉、壳聚原和甘油质质分数分别为3.50%、0.50%和0.67%时，可食膜的性能最优，抗拉强度、伸长率和WVP的预测值分别为25.00 MPa、8.99%和0.99×10-10g/（m·s·Pa），经验证，抗拉强度、伸长率和WVP的实际值分别为（24.32±0.69） MPa、（9.44±0.57）%和（1.03±0.04）×10-10g/（m·s·Pa）。抗拉强度、伸长率和WVP的实际值和预测值接近，说明预测模型是可靠的。

响应面试验结果结合分子间相互作用对可食膜性能的影响，说明玉米淀粉和壳聚原添加的交互作用在提高可食膜性能方面表现出良好的效果，甘油表现出良好的润滑和增加柔韧性的效果，研究结果为可食膜在食品包装中的应用提供了一定的处论指导。

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Optimization of Preparation Process for Corn Starch-Chitosan Edible Films by Response Surface Methodology

XU Mingyue1， LI Hongjun1，2， HE Zhifei1，2，*， GAN Yi1， WANG Shan1， YU Li1， WANG Zhaoming1
（1. College of Food Science， Southwest University， Chongqing 400716， China；2. Chongqing Special Food Engineering and Technology Research Center， Chongqing 400716， China）

Response surface methodology （RSM） was adopted to optimize the mass fraction of corn starch， chitosan and glycerol in corn starch-chitosan edible films by measuring mechanical properties （elongation and tensile strength） and water vapor permeability （WVP）. A quadratic response surface model was established. The optimal levels of corn starch， chitosan and glycerol were 3.71%， 0.95% and 0.64% for the highest tensile strength of edible films； 3.82%， 0.50% and 1.00% for the highest elongation； and 3.52%， 0.52% and 0.50% for the smallest WVP， respectively. Edible films consisting of 3.50% corn starch， 0.50% chitosan and 0.67% glycerol showed the best properties of tensile strength， elongation at rupture and water vapor permeability （WVP）.

corn starch； chitosan； response surface methodology； mechanical properties； water vapor permeability （WVP）

TS206.4

A

1002-6630（2015）16-0038-06

10.7506/spkx1002-6630-201516007

2015-01-08

公益性行业（农业）科研专项（200903012）；三峡库区优质肉牛安全生产关键技术集成与示范项目（2011BAD36B01）

徐明悦（1989—），女，硕士研究生，研究方向为食品微生物与发酵工程。E-mail：xumingyue99@163.com

*通信作者：贺稚非（1960—），女，教授，博士，研究方向为食品微生物学与食品安全。E-mail：2628576386@qq.com