响应面法优化豆渣基可食用一次性餐具

李 明 ， 赵良忠 ，周 喜 ，范 柳

（1.邵阳学院食品与化学工程学院，湖南邵阳 422000；2.豆制品加工技术湖南省应用基础研究基地，湖南邵阳 422000；3.湖南省果蔬清洁加工工程技术研究中心，湖南邵阳 422000；4.广州佳明食品科技有限公司，广东广州 511458）

0 引言

大豆豆渣是豆腐、豆浆、腐竹、分离大豆蛋白等豆制品加工过程中产生的副产物。研究表明，豆制品加工过程中产生的豆渣占全豆质量的16%~25%[1]。据中国豆制品行业协会统计，2017年全国工业用豆量达1 260×104t，其中豆制品行业用豆量为700×104t，因此豆渣量约为150×104t（干基计）。豆渣含有丰富营养物质，包括蛋白质、膳食纤维、脂肪、维生素和黄酮物质等，其中膳食纤维约占55%，并且豆渣具有良好的生理调节功能，可促进肠道蠕动、增加排便、降低血液胆固醇和调节血糖等[2-9]。豆渣现有的加工产品有豆渣丸子[10]、豆渣酱油、豆渣提取核黄素、可食用纸和豆渣粉、豆渣分离蛋白、豆渣发酵碳酸饮料、人造肉等[11]。但是这些加工应用的量与豆渣的产量相差太远，从而导致豆渣的应用不能满足豆制品企业的需求。

一次性塑料餐具的广泛使用，带来的白色污染日益加剧。塑料制品的替代材料，如生物降解塑料餐具[12-13]、纸质餐具[14-15]、植物纤维餐具[16-18]和可食用淀粉餐具[19-20]成为研究的热点。但受成本因素的影响，市场推广难度大，市场成熟的产品较为少见。

豆渣的纤维含量高，且含有大豆多糖，是非常好的可塑材料，采用干豆渣生产可食用一次性餐具，目前的研究尚少。试验以豆渣为基材，通过添加变性淀粉、CMC、山梨醇、单甘酯改变豆渣材基的流变特性，制成可食用一次性餐具，为豆制品行业的副产品的综合开发利用开辟新的途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

干豆渣粉，湖南九盛食品有限公司提供；食品级羧甲基纤维素钠（CMC），上海申光食品有限公司提供；其他试剂均为市购。

2140型电子分析天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司产品；101-2A型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司产品；JJ-1型精密定时电动搅拌器，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司产品；RM-200C型混炼式转矩流变仪，哈尔滨哈普电气技术有限责任公司产品；TN65型锥形双螺杆挤出机，宁波康润机械科技有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 单因素试验

（1）变性淀粉添加量的试验。以干豆渣100 g为基准，将添加量分别为15.0%，17.5%，20.0%，22.5%，25.0%的变性淀粉与山梨醇16.5%，食品级CMC 30%和单甘酯4.5%进行搅拌，在压力3 000 N，温度108℃条件下挤出成型。从吸水性、耐油性结果进行分析，筛选出最佳变性淀粉添加量。

（2）山梨醇添加量的试验。以干豆渣100 g为基准，将添加量分别为13.5%，15.0%，16.5%，18.0%，19.5%的山梨醇与变性淀粉20%，食品级CMC 30%和单甘酯4.5%进行搅拌，在压力3 000 N，温度108℃条件下挤出成型。从吸水性、耐油性结果进行分析，筛选出最佳山梨醇添加量。

（3）食品级CMC添加量的试验。以干豆渣100 g为基准，将添加量分别为25.0%，27.5%，30.0%，32.5%，35.0%的山梨醇与变性淀粉20%，山梨醇16.5%和单甘酯4.5%进行搅拌，在压力3 000 N，温度108℃条件下挤出成型。从吸水性、耐油性结果进行分析，筛选出最佳食品级CMC添加量。

（4）单甘酯添加量的试验。以干豆渣100 g为基准，将添加量分别为3.5%，4.0%，4.5%，5.0%，5.5%的单甘酯与变性淀粉20%，山梨醇16.5%，食品级CMC 30%和单甘酯4.5%进行搅拌，在压力3 000 N，温度108℃条件下挤出成型。从吸水性、耐油性结果进行分析，筛选出最佳单甘酯添加量。

1.2.2 响应面设计试验

根据以上单因素试验结果确定变性淀粉、山梨醇、食品级CMC和单甘酯为试验因素，选取四者较优添加量，采用四因素三水平进行响应面分析。

响应面试验因素水平编码见表1。

表1 响应面试验因素水平编码 /%

1.2.3 理化检测指标

（1）吸水性能。将被测样品称质量（M1），然后置于沸水中蒸煮，每次持续5 s，每次间隔1 min，用秒表记录所需时间，检测水煮次数10次，称质量（M2），重复测定3次取平均值。

式中：M1——样品水煮前质量，g；

M2——样品水煮后质量，g。（2）耐油性能。考虑到降解材料实际应用在一次性的餐饮具中，故将试验中的精制亚麻仁油替换成市售的食用大豆调和油。

将被测样品称质量（M3），置于常温的油中4 h，取出沥水，然后称质量（M4），按照下式计算样品的吸油率，重复测定3次取平均值。

式中：M3——样品吸油前的质量，g；

M4——样品吸油后的质量，g。

（3）降解能力。在3种条件，即水、潮湿的土壤、干燥的土壤中选择合适的质量，每7 d观察1次，样品降解情况。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 变性淀粉添加量

变性淀粉添加量对豆渣一次性餐具的影响见图1。

图1 变性淀粉添加量对豆渣一次性餐具的影响

由图1可知，样品中变性淀粉添加量递增，样品的吸水率也增加，当变性淀粉添加量超过20.0%时，样品的吸水率出现突变。样品的变性淀粉添加量的递增，样品的吸油率变化规律随变性淀粉的先降低后增加，当变性淀粉添加量超过20.0%时，样品的吸油率最低。因此变性淀粉添加量为20.0%，样品的耐油性能和耐水性较好，所以变性淀粉添加量为20.0%。

2.1.2 山梨醇添加量

山梨醇添加量对豆渣一次性餐具的影响见图2。

图2 山梨醇添加量对豆渣一次性餐具的影响

由图2可知，样品的山梨醇添加量递增，样品的吸水率也增加，当山梨醇添加量为15%时，样品的吸水率出现突变；样品的山梨醇添加量的递增，样品的吸油率先递减，后略有上升，当山梨醇添加量为18%时，样品的吸油率最低。因此，山梨醇添加量为18%，样品的耐油性能和耐水性较好，所以山梨醇添加量为18%。

2.1.3 食品级CMC添加量

食品级CMC添加量对豆渣一次性餐具的影响见图3。

图3 食品级CMC添加量对豆渣一次性餐具的影响

由图3可知，样品食品级CMC添加量递增，样品的吸水性也增加，当食品级CMC添加量超过27.5%时，样品的吸水量变化曲线的斜率增加；样品食品级CMC添加量的递增，样品的吸油率随着添加量的增加而递增，当食品级CMC添加量超过30.0%时，样品的吸油率的变化趋于平缓。因此食品级CMC添加量为27.5%，样品的耐油性能和耐水性较好，所以食品级CMC添加量为27.5%。

2.1.4 单甘酯添加量

单甘酯添加量对豆渣基可食用一次性餐具的影响见图4。

图4 单甘酯添加量对豆渣基可食用一次性餐具的影响

由图4可知，样品的单甘酯添加量递增，样品的吸水率也随之下降，当单甘酯添加量为4.0%时，样品的吸水率变化曲线出现突变；样品的单甘酯添加量递增，样品的吸油率随着单甘酯变化甚微，变化较为平缓。因此，单甘酯添加量为4.5%，样品的耐油性能和耐水性较好。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 试验结果

根据以上单因素试验结果，从以上的4个单因素中，将变性淀粉、山梨醇、食品级CMC和单甘酯为试验因素，根据Box-Beheken试验设计方案，采用四因素三水平响应面分析，考虑到吸水性对可食用餐具要求高的特点，以吸水性为评价指标。

响应面试验设计方案及结果见表2。

2.2.2 回归模型

豆渣基可食用一次性餐具结果的方差分析见表3。

运用Design Expert 8.0.6对表3进行多元回归拟合，得到豆渣基可食用一次性餐具的吸水性（Y）对自变量变性淀粉（A）、食品级CMC（B）、山梨醇（C）、单甘酯（D）的多元回归方程：

用Box-Behnken响应面分析法对试验结果拟合的模型进行方差分析和显著性检验，由回归方程的方差中概率p值判定各个吸水率Y影响的显著性。

由表3可知，该二次多项式模型p值<0.000 1，模型极显著，失拟项p值为0.079 4>0.05，失拟项不显著，表明该回归方程拟合度较好、误差小，与实际预测值能较好拟合，具有较好的统计学意义。该模型的复相关系数为R2=0.924 9，校正决定系数R2adj=0.849 9，说明建立的模型能够解释84.99%的响应值变化，可用来进行豆渣基可食用一次性餐具的吸水性Y（响应值）的预测。由显著性检验可知，一次项A，C，D，交互项AB的交互作用对吸水性影响显著；二次项A2，B2，D2，对吸水性影响均极显著；交互项AC，AD，BC，BD，CD的交互作用对吸水性影响不显著。由此可知，各试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系。另外，通过F值大小，可判定各因素对吸水性影响的重要性，F值越大，重要性越大，所以各因素对豆渣基可食用一次性餐具吸水性影响大小为D>C>A>B，即单甘酯添加量>山梨醇添加量>变性淀粉添加量>食品级CMC添加量。

表2 响应面试验设计方案及结果

表3 豆渣基可食用一次性餐具结果的方差分析

2.2.3 响应面分析

两因素交互作用对感官得分的响应面图见图5。

图5 两因素交互作用对感官得分的响应面图

统计结果中C项和D项的p<0.01，表现极为显著，表明山梨醇和单甘酯对豆渣基可食用一次性餐具的吸水性有极显著的影响；A项p<0.05，表现为显著，表明变性淀粉的添加量对豆渣基可食用一次性餐具的吸水性有显著的影响；交互项AB中p<0.05，说明变性淀粉与食品级CMC交互作用对豆渣基可食用一次性餐具的吸水性影响较高；其他交互项的p>0.05，表现为不显著，表明其他交互项对豆渣基可食用一次性餐具的吸水性影响不显著，参见图 5 （b~f）。

2.2.4 豆渣基可食用一次性餐具配方的确定

基于软件分析，预测出豆渣基可食用一次性餐具的最优配方为变性淀粉添加量20.69%，食品级CMC添加量27.06%，山梨醇添加量16.77%，单甘酯添加量5.01%，此时模型预测豆渣基可食用一次性餐具的吸水性为2.185%；按照变性淀粉添加量20.5%，食品级CMC添加量27.0%，山梨醇添加量16.5%，单甘酯添加量5.0%，经3次验证性试验，测得豆渣基可食用一次性餐具的吸水性均值为2.21%，与软件预测值较为接近，偏差为0.913%，说明模型的拟合程度较好，具有较好实用价值。同时，测得豆渣基可食用一次性餐具的耐油性均值为1.82%，符合产品的预期。

2.3 豆渣基可食用一次性餐具降解时间试验结果

样品在不同条件下，降解的速度不同，样品在水中降解速度最快，1周时间可以完全降解；在干燥的土壤中降解最慢，需要3~4周时间；而对照样（塑料餐具），1个月还是呈阳性，表示降解速度较慢。

样品降解试验状况见表4。

表4 样品降解试验状况

3 结论

通过单因素试验，结合Box-Behnken设计方案，得到对自变量变性淀粉（A）、食品级CMC（B）、山梨醇（C）、单甘酯（D）的多元回归方程Y=2.39-0.086A+0.034B+0.13C-0.34D+0.15AB-0.075AC-0.11AD-0.015BC+0.075BD-0.023CD+0.15A2+0.31B2+0.015C2+0.31D2。经验证，该模型合理可靠，能够较好地预测试验的结果。

得到优化后的配比为变性淀粉添加量20.5%，食品级CMC添加量27.0%，山梨醇添加量16.5%，单甘酯添加量5.0%。对豆渣基可食用一次性餐具的影响顺序为山梨醇添加量>单甘酯添加量>变性淀粉添加量>食品级CMC添加量，在该配比条件下，挤压的温度108℃，豆渣基可食用一次性餐具的成型良好，外观光滑，具有良好的使用价值。

热可塑性是衡量高分子材料的主要指标之一，尤其材料的玻璃化转变温度能决定材料的使用温度和材料的柔性。淀粉的热塑化就是在适宜的温度和压力下，改变淀粉颗粒和结晶结构，增强分子链运动能力，使其具有热塑加工性。淀粉的物理增塑一般是使用增塑偶联剂，它能与淀粉分子中羟基发生络合反应，改变淀粉结晶区，改变分子链的灵活性，同时既能增强淀粉疏水性，改善淀粉与聚合物的相容性，还能增加淀粉可塑性[21-22]。豆渣含有约55%的纤维和少量的多糖，具有淀粉材基的热可塑性能，通过添加食品级黏结剂和增塑材料，改变豆渣基材的流变特性，使豆渣具有热塑性淀粉塑化性能、机械性能、流变性能、热力学性能、微观结构和热稳定性相应特性。同时，用亲水性食品黏结剂对制备的热塑性豆渣基材料进行热塑共混改性，通过添加CMC、黄原胶、卡拉胶等改善具有热塑性豆渣基材料性能，从而豆渣基材在热和压力的作用下，具有流变特性的材料，随着模具的形状而流动，同时保持一定时间下，食用黏结剂发生作用，将不同相的物质黏结在一起，形成致密组织结构，从而成为需要的产品外观。随着研究的深入和材料学的发展，豆渣基材料前景广阔，豆渣基材料不仅解决豆制品行业豆渣的出路，而且豆渣基材料的应用将十分广阔，豆渣基材料将在食品接触材料的应用将大放光彩。