可食胶粘剂制备工艺的优化

姚瑞玲

（四川工商职业技术学院，成都 都江堰 611830）

市场上常见的食用胶有明胶、卡拉胶、黄原胶、瓜尔豆胶、海藻酸钠、糯米胶、鱼鳔胶等，这些食用胶在某些食品生产和包装中起到胶粘剂的作用，但由于黏度低、耐水性差、固化速度慢、拉伸强度不达标等原因，它们更多时候是作为增稠剂使用的[1-6]。上述食用胶中，只有鱼鳔胶具有较大的黏度，能够很好地起到胶粘剂的作用，但是鱼鳔胶是一种昂贵的中药[7]，仅作为胶粘剂使用不仅性价比差，还浪费药物资源。在儿童食品、儿童用品包装、儿童玩具粘合等产业中，可食胶粘剂具有广阔的市场前景，然而市场中仍未出现可食用的胶粘剂商品，因此开发高性能可食胶粘剂成为一个急需解决的问题。糯米粉中的淀粉以支链淀粉为主，具有不易聚沉、抗剪切力强的特征[8]；魔芋粉经糊化交联后，可提升其粘合力与稳定性[9]；在胶粘剂中加入适量的干酪素可以提高胶粘剂的流动性和耐水性[10]。鉴于以上材料特征，本试验以糯米粉、魔芋粉、干酪素为试材，制备高性能的可食胶粘剂，以期为相关研究和产业提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

糯米粉、魔芋粉为自制。糯米粉制备方法：将淘洗过的糯米用蒸馏水浸泡2 h，沥干水分，放入真空冷冻干燥机干燥后进行超微粉粹；魔芋粉制备方法：将魔芋切成2mm厚的薄片，淘洗过后用蒸馏水浸泡30min，沥干水分，放入真空冷冻干燥机干燥后进行超微粉粹；糯米粉和魔芋粉粉碎后过200目网筛，所得细粉即为糯米粉和魔芋粉。

干酪素（化学纯），天津光复精细化工研究所产品。

1.1.2 仪器与设备

LGJ-FD型真空冷冻干燥机，河南兄弟仪器设备有限公司产品；ST-528型超微粉碎机，江苏赛特电器有限公司产品；HH-4型恒温水浴锅，邦西仪器科技有限公司产品；NDJ-5S/8S型单圆筒旋转黏度计，广州镌恒仪器设备有限公司产品；BSM-220型电子天平，上海卓精电子科技有限公司产品；MS-H-ProT型磁力搅拌器，大龙兴创实验仪器有限公司产品；2425C型拉伸强度试验机，厦门群隆仪器有限公司产品。

1.2 方法

1.2.1 胶粘剂的制备

准确称取定量的糯米粉、魔芋粉加入500 mL沸腾蒸馏水中，于95℃水浴中糊化20 min。干酪素按照设定比例加入到糊化后的淀粉乳中，在80℃条件下恒温搅拌，边搅拌边蒸腾多余水分，直至混合物可以拉丝。此混合物为所得胶黏剂。

1.2.2 单因素试验设计

根据胶黏剂的制备方法，分别调整糯米粉质量分数为2%、6%、10%、14%、18%、22%（魔芋粉和干酪素质量分数固定为10%和5%），魔芋粉质量分数为2%、6%、10%、14%、18%、22%（糯米粉和干酪素质量分数固定为10%和5%）和干酪素质量分数为1%、2%、3%、4%、5%、6%（糯米粉和魔芋粉质量分数均固定为10%）进行单因素试验，确定单因素对胶黏剂性能指标的影响。

1.2.3 正交试验设计

将糯米粉质量分数、魔芋粉质量分数、干酪素质量分数三个自变量分别标记为A、B、C，自变量的因素水平用-1、0、1进行编码，根据单因素试验结果，设计正交试验的因素和水平（表1）。

表1 正交试验因素水平及编码Table 1 Factor levels and coding of the orthogonal test

1.2.4 测定项目与方法

1.2.4.1 黏度

参照GB/T 2794—2013《胶黏剂黏度的测定》[11]进行测定。

1.2.4.2 拉伸强度

参照GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的测定》[12]以10 cm/min的拉伸速率检测胶膜的拉伸强度。

1.2.4.3 固化速度检测

参照GB/T 14074—2006《木材胶粘剂及其树脂检验方法》[13]进行测定。

1.2.4.4 耐水性

参照文献[14]略作修改。称取干燥至恒重的等量胶粘剂，质量记为m1，浸泡于自制蒸馏水中6 h，取出沥干表面水分，称重并记质量为m2，通过式（1）计算吸水率。

1.2.5 性能指标综合分计算及数据处理方法

试验中可食胶粘剂主要性能指标（黏度、拉伸强度、固化速度、吸水率）的总分由主成分分析法结合模糊综合评价来确定。主成分分析法在降维的过程中，保留原始数据信息的同时将数据从高维度降到低维度，最后根据方差贡献率确定各项性能指标的权重[15]。在实际应用中，利用主成分分析法可以化繁为简，将相互影响的性能指标参数用降维后的综合指标代替。本文通过SPSS22软件对试验数据进行主成分分析，以确定可食胶粘剂各综合指标权重。

应用模糊综合评价法[16]将可食胶粘剂的4个指标进行模糊交换，从而获得各项指标的隶属度。模糊函数隶属度按公式（2）、（3）计算。在制备过程中，黏度、拉伸强度为正效应，其值越大越好，因此按（2）式进行计算。固化速度影响施胶效率，一般情况下固化时间越短效率越高，胶粘剂的耐水性取决于吸水率大小，较小的吸水率具有更好的耐水性，因此固化时间和吸水率也为负效应，其隶属度均按照公式（3）计算。

式中：P为隶属度，Ai、Amin、Amax分别为指标值、指标最小值和指标最大值。

获得可食胶粘剂各项指标权重及隶属度后，将相应数据代入公式（4）计算综合分：

式中：S为胶黏剂性能指标总分；P1为黏度隶属度；P2为拉伸强度隶属度；P3为固化速度隶属度；P4为吸水率隶属度。a为黏度权重；b为拉伸强度权重；c为固化速度权重；d为吸水率权重。

应用Excel 2013进行单因素试验数据分析。应用Design-Expert V8.0.6.1软件进行多元回归拟合和响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 糯米粉质量分数对可食胶粘剂性能指标的影响

由图1可知，随着糯米粉质量分数的增加，可食胶粘剂黏度先升高后降低，但糯米粉质量分数为10%、14%、18%时，黏度变化的差异并不显著。10%、14%的糯米粉质量分数均可使可食胶粘剂获得较好的黏度和拉伸强度。固化速度先迅速降低后保持平稳，固化速度是影响施胶效率的主要因素，品质优秀的胶粘剂一般具有较快的固化速度[17]。当糯米粉质量分数为10%时，固化速度最快。无论糯米粉质量分数为多少，可食胶粘剂的吸水率都处于高水平状态，说明可食胶粘剂的防水性能并不好，这是因为仅把淀粉糊化后作为胶水使用时，它的粘接力度和耐水性都比较差，需要对其进行进一步改性以优化品质。根据试验结果，选择10%的糯米粉质量分数为最优条件进行后续试验。

2.1.2 魔芋粉质量分数对可食胶粘剂性能指标的影响

由图2可知，魔芋粉质量分数对可食胶粘剂4项性能指标的影响与糯米粉相似，这是由于糯米粉和魔芋粉中大部分的淀粉是相同的，具有同样的理化性质，两者对可食胶粘剂性能影响的差异主要是由小部分不同类型的淀粉决定的[18-19]。根据图2显示的结果，选择10%的魔芋粉质量分数为最优条件进行后续试验。

2.1.3 干酪素质量分数对可食胶粘剂性能指标的影响

由图3可知，在试验范围内，随着干酪素质量分数的增加，可食胶粘剂的黏度、拉伸强度呈现上升的趋势，而固化所需时间和吸水率呈先下降后稳定的趋势。5%、6%的干酪素质量分数对黏度、拉伸强度、吸水率三项指标的影响差异并不显著，干酪素质量分数5%时，固化速度更快。结合成本因素，5%的干酪素质量分数是最优条件，后续试验以此比例为基础。

2.2 正交试验结果

2.2.1 指标隶属度及权重确定

将实际测定值应用公式（2）、（3）进行模糊转换，即可得到可食胶粘剂4项性能指标综合评判的隶属度模糊矩阵，结果如表2所示。

将表2中的18组模糊矩阵数值应用SPSS 22进行主成分分析，所得方差贡献率为各个主成分的权重（表3）。相关系数为四项性能指标模糊矩阵X1、X2、X3、X4转换后对各主成分的贡献率。所得数据带入式（4）计算可食胶粘剂总分。

表2 单因素试验实测值和模糊矩阵Table 2 Test data and fuzzy matrix of the single factor experiment

表3 主成分分析结果Table 3 Results of the principal component analysis

2.2.2 回归方差的建立及方差分析

以性能指标总分为响应值，在单因素试验基础上，选择糯米粉质量分数(A)、魔芋粉质量分数(B)和干酪素质量分数(C)进行3因素3水平的Box-Behnken试验，共计17组试验，试验设计和结果如表4所示。

应用Design-Expert V8.0.6.1软件对表4中的试验结果进行分析，并进行多元回归拟合，得到可食胶粘剂总分对糯米粉质量分数、魔芋粉质量分数和干酪素质量分数的二次多项回归模型方程：

表4 Box-Behnken试验设计与结果Table 4 Box-Behnken test design and results

表5 回归模型方差分析Table 5 Variance analysis of the regression mode

式中：Y为可食胶粘剂的总分，A、B、C分别为糯米粉质量分数、魔芋粉质量分数和干酪素质量分数。对所建立的模型进行方差分析并检验其显著性，结果如表5 所示。由表 5 可知，A、AC、A2、C2对可食胶粘剂总分的影响达到极显著（P＜0.01），BC的影响为显著水平（P＜0.05）。由二次多项回归模型可知，A为正显著，AC、BC、A2、C2呈负显著。综合分对3个考察因素的敏感程度依次为：A糯米粉质量分数＞B魔芋粉质量分数＞C干酪素质量分数。模型中二次项系数以负值为主，表明该模型抛物面开口向下，有极大值点。试验模型回归方程P＜0.000 1，说明回归方程极显著，失拟项P=0.241 9，模型失拟度不显著。模型预测值与实际值相关系数R2=0.983 5，说明模型具有较好的预测性，响应值与自变量具有显著的线性关系[20]。模型校正决定系数R2adj=0.962 4，说明96.24%响应值的变化均可用该模型解释[21]。变异系数仅为3.76%，处于较低水平，说明试验具有较好的重复性，模型具有较高的可信度[22]。

2.2.3 响应面分析

利用Design-Expert V8.0.6.1软件可获得回归模型及相应的响应面图。回归模型可以预测可食胶粘剂的最佳工艺条件，响应面图（图4）能够直观地反映各因素交互作用对可食胶粘剂综合分的影响。

由图4A可知，沿着魔芋粉质量分数的响应面比较平坦，几乎没有坡度，说明糯米粉质量分数相同时，改变魔芋粉质量分数对可食胶粘剂总分的影响较小[23]；魔芋粉质量分数相同时，随着糯米粉质量分数的增加，可食胶粘剂总分先缓慢增大后缓慢下降。因此，在试验范围内，可以获得评分最高的可食胶粘剂，沿着糯米粉质量分数的变化，等高线更加密集，说明糯米粉质量分数的不同对可食胶粘剂总分有较大的影响[24]。由图4B可知，由糯米粉质量分数和干酪素质量分数形成的等高线呈椭圆形，说明两者具有显著的交互作用[25]。响应面图显示，当糯米粉质量分数较低时，提高干酪素质量分数能够迅速改善可食胶粘剂的性能，提高其总分；当糯米粉质量分数较高时，高压线密集程度降低，说明干酪素质量分数的不同对可食胶粘剂总分的影响减弱。由图4C可知，无论浓度高低，当干酪素质量分数固定时，魔芋粉质量分数的改变引起的响应面波动都很小，说明魔芋粉质量分数对可食胶粘剂总分影响较小，可食胶粘剂总分在干酪素质量分数5%附近可以获得极大值。

2.3 验证试验

经线性回归得到各因素对响应值的二次回归方程，由方程分析获得可食胶粘剂的最佳工艺配比为：糯米粉质量分数9%，魔芋粉质量分数10%，干酪素质量分数6%，此时可食胶粘剂总分预测值为1.00。在此条件下，进行5次平行试验，实测可食胶粘剂总分平均为0.984 5，与预测值非常接近，预测值与真实值的对比充分说明本方法可以用少量试验预测各因素之间的交互作用以及交互作用对产品性能的影响，所建模型可用于优化该可食胶粘剂的制备工艺。

3 结论

为获得材料易得、工艺简单、制备方便、质量优良的可食胶粘剂，本文在单因素基础上采用响应面法优化可食胶粘剂制备工艺，得到最佳制备条件为：糯米粉质量分数9%，魔芋粉质量分数10%，干酪素质量分数6%。此条件下，可制得性能总分为0.984 5的可食胶粘剂，所得胶粘剂综合评分与预测值仅相差1.55%，说明优化工艺是可行的。