响应面法优化水溶性淀粉可食膜的制备及性能

郦丹妮，吴依莎，戚湖涛，陈梦飞，陈银滢，余作龙，饶桂维，丁 炎

(1.浙江树人大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310015； 2.湖州市泗安镇公共安全监督管理中心，浙江 湖州 313113)

由于我国经济水平及观念的差异，塑料类包装垃圾日益增长，对生态系统的威胁越来越大。传统包装材料因石油炼制而成具有诸多弊端，如资源有限、不易降解回收、破坏环境等，因此，以生物基材料制成的可降解可食用包装成为了食品包装领域的新研究热点。

淀粉作为天然高分子物质，具有来源丰富、价格便宜等优点，经糊化后可干燥成膜，是一种理想的可食性包装材料[1-2]。但天然淀粉在性能上存在不足，如不溶于冷水、糊化液稳定性差、易老化等，限制了其应用范围，所以淀粉在工业中使用可先理化改性，增强其水溶性[3-4]。水溶性淀粉既能够保持原淀粉的颗粒状态，又能直接溶于冷水，形成高度分散的均匀糊液，糊液光泽度和黏弹性好，具有良好的增稠、保水、保型和乳化作用以及良好的耐高温及冻融稳定性[5]。因此，使用水溶性淀粉，可减少工业产能，提高生产效率，减小淀粉颗粒之间的微观间隙和促进氢键的形成，使制备的可食膜具有透明度、机械性能良好等优点，改善了普通淀粉膜的阻湿性差、易干裂等缺点。

1 材料与方法

1.1 仪器和试剂

TA.XT plus型物性仪，北京微讯超技仪器技术有限公司；07HWS-2型数显恒温磁力搅拌器、JHS-2/90型恒速数显搅拌机，杭州仪表电机有限公司；MB45型卤素水分仪，奥豪斯仪器(上海)有限公司；MCR102型流变仪，奥地利安东帕(中国)有限公司；BGZ-140型烘箱，上海博迅实业有限公司；Bruker红外光谱仪，德国布鲁克光谱仪器公司；JC2000D3型接触角测量仪，上海中晨数字技术设备有限公司。

水溶性淀粉，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；明胶、海藻酸钠，山东精协海洋科技发展有限公司；甘油，浙江杭州双林化工试剂厂；聚乙二醇，江苏强盛功能化学股份有限公司。以上试剂均为食品级。

1.2 方法

1.2.1 可食膜的制备

称取水溶性淀粉4.0 g，加入一定量的明胶、海藻酸钠，50 mL水充分溶解后待用，滴入一定量的聚乙二醇、甘油，将混合液于85 ℃恒温水浴，200 r/min转速搅拌，30 min后于塑料板上流延制膜，在50 ℃条件下干燥后揭膜，密封保存。

1.2.2 单因素试验设计

探究膜配方组成及物料特性对膜性能的影响，通过采用单因素实验确定试验因素的取值范围。固定水溶性淀粉4.0 g、以明胶、海藻酸钠、甘油或聚乙二醇其中一种为变量，其他物质定量，为1.0 g，比较不同变量对水溶性淀粉可食膜抗拉强度的影响。

1.2.3 响应面分析试验

响应面法是一种综合试验设计和数学建模的优化方法，通过对具有代表性的局部各点进行试验，回归拟合全局范围内因素与结果间的函数关系，并且取得各因素最优水平值[6]。这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。

1.2.3.1 响应面分析试验设计

通过单因素实验研究，确定对水溶性淀粉可食膜性能影响较大的主要有4个因素：A(明胶)、B(海藻酸钠)、C(聚乙二醇)以及D(甘油)，(均以水溶性淀粉质量分数计，%)。以抗拉强度(Ts)为响应值，采用四因素三水平共29个试验点的响应面分析试验，优化可食膜制备条件，试验设计和结果见表1。

表1 中心复合旋转试验设计方案

1.2.3.2 数据处理及分析

以可食膜的抗拉强度为响应值，经回归拟合后，各试验因子对响应值的影响可以用函数表示，利用Design-Expert 11.0软件中的多元线性回归分析程序，拟合二阶多项式方程见式(1)。

(1)

式中：Y为预测值;b0为常数项;bi为线性系数项;bii为二次项系数;bij为交互作用项系数。

对回归方程的系数进行显著性比较，研究明胶、海藻酸钠、聚乙二醇和甘油的质量分数对水溶性淀粉可食膜抗拉强度的影响。再利用Design-Expert 11.0将获得的二阶多项式方程转化为响应曲面，进一步分析试验因素及水平对响应值的影响。

1.2.4 力学性能测定

参照文献[7]，将样品裁成10 cm×0.5 cm的长条，用物性仪测定膜的抗拉强度(Ts)和断裂延伸率(E)，每组测垂直方向横纵各3条，共6个平行样，计算平均Ts与E。标距为50 mm，试样速度为100 mm/min。

1.2.5 糊化特性测定

将膜液倒入流变仪中，在流变仪上装ST24-2D/2V/2V-30转子，准确称取一定量的淀粉，加入100 mL蒸馏水制成质量分数为4%的淀粉糊，将其加入回转杯，参照文献[8-9]进行测定。

1.2.6 水蒸气透过系数的测定

透湿率即在规定的温度、相对湿度环境中，在单位压差、单位时间内透过单位面积和一定厚度膜的水蒸气量。根据塑料薄膜及片材透水蒸气实验方法的原理和步骤，采用文献[10]拟杯子法，具体方法：在25 ℃条件下，于称量瓶中放入无水CaCl2，CaCl2使用前应粉碎，使其粒度为2 mm，并在200 ℃条件干燥2 h，冷却，然后称取一定量的CaCl2于称量瓶中。选平整、均匀、无孔洞、无皱褶的膜，测量其厚度后，用熔化的石蜡将其封于口上，然后放入相对湿度为100%的干燥器中，测量温度为25 ℃，每隔24 h后取出称质量，连续测量一周。每一组做至少3个平行试验，结果以每组的算术平均值表示，具体计算见式(2)。

透水系数(WVP)=Δmd/(AtΔP)

(2)

式中：WVP为透水系数，g·mm/(m2·d·kPa)；Δm为稳定的质量增量，g；d为膜的厚度，mm；A为有效测定面积，m2；t为测量时间间隔，d；ΔP为试样两侧的水蒸气压差，kPa。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验及其分析

2.1.1 明胶对膜性能的影响

图1 明胶用量对水溶性淀粉可食膜力学性能的影响Fig.1 Effects of gelatin concentration on mechanical properties of cold-water-soluble starch edible film

考察明胶对膜性能的影响，结果见图1。由图1可知：明胶质量分数在3%～20%时，E随着其在可食膜中浓度的增大先增大后逐渐减小；当明胶浓度在25%时突增至最大值，为64.25%，之后又呈下降趋势；而可食膜的Ts在明胶质量分数为3%～25%时，随着明胶浓度的增大而减小，在明胶质量分数为25%时达到最小值，为14.43 MPa。因为少量明胶充当了塑化剂的功能，软化了膜的刚性结构。而淀粉中添加适量的明胶有助于提高膜的Ts，由于明胶与淀粉之间的分子交互作用力增大[11]；而随着明胶浓度的继续增加，Ts逐渐增大，而E减小，因为明胶的添加量过大，导致明胶的理化性质影响大于主料水溶性淀粉的理化性质，使明胶的凝胶性和乳化性成为了主导因素，因此选择明胶质量分数5%。

2.1.2 海藻酸钠对膜性能的影响

考察海藻酸钠对膜性能的影响，结果见图2。由图2可知：可食膜的E在海藻酸钠质量分数为5%～10%时随着海藻酸钠用量的增大而增大，当海藻酸钠质量分数为10%时达到最大值，为96.09%，之后呈下降趋势；Ts随着海藻酸钠质量分数的增加总体呈上升趋势，但海藻酸钠质量分数为20%～30%时，有一小段下降区间。可能原因是氨基、羧基形成氢键，有利于分子间链的伸展，对力学性能有一定的影响。当海藻酸钠用量较低时，可食膜单位体积内分子数量减小，成膜时大分子链间的相互作用力越弱，膜的强度就会越小，由于水溶性淀粉的分子量较小，会使海藻酸钠的增稠作用减弱；当海藻酸钠用量较高时，海藻酸钠与大分子间产生强烈的氢键缔合作用，形成了网状结构，良好的相容性增强了膜的骨架，使膜的Ts提高[12]。综合考虑，选取质量分数20%为海藻酸钠的最佳用量。

图2 海藻酸钠用量对水溶性淀粉 可食膜力学性能的影响Fig.2 Effects of sodium alginate concentration on mechanical properties of cold-water-soluble starch edible film

2.1.3 聚乙二醇对膜性能的影响

考察聚乙二醇对膜性能的影响，结果见图3。由图3可知：E在聚乙二醇质量分数低于25%时，随聚乙二醇浓度的增大而增大，在聚乙二醇质量分数为20%时，可食膜的E为最大值，为33.47%；当聚乙二醇质量分数大于20%时，随着添加量增加呈下降趋势；Ts的变化呈不规则变化，在聚乙二醇质量分数为30%时达到最大值为91.89 MPa，之后呈下降趋势，并在聚乙二醇质量分数为50%时，降至45.43 MPa。主要由于低浓度的聚乙二醇促进水溶性淀粉与明胶之间形成氢键，在一定程度上使可食膜的Ts和E增加。但是随着聚乙二醇浓度增大，会产生一定的空间阻碍作用，抑制了大分子链的移动和聚合物链间的相互作用，使高分子链间的作用力减弱，抑制了导致Ts和E下降[13]。综合比较，聚乙二醇质量分数在20%时，膜的性能最佳。

图3 聚乙二醇用量对水溶性淀粉 可食膜力学性能的影响Fig.3 Effects of polyethylene glycol concentration on mechanical properties of cold-water-soluble starch edible film

图4 甘油用量对水溶性淀粉可食膜力学性能的影响Fig.4 Effects of glycerol concentrations on mechanical properties of cold-water-soluble starch edible film

2.1.4 甘油对膜性能的影响

考察甘油对膜性能的影响，结果见图4。由图4可知：E在甘油质量分数30%之前随着甘油浓度的增加而增大，在甘油质量分数为30%时达到最大值68.77%，之后呈下降趋势；Ts在甘油质量分数15%之前，随着甘油用量的增加而增大，在15%时达到最大值35.76 MPa，之后呈下降趋势。因为随着甘油用量的增加，甘油分子与淀粉分子之间相互作用的面积增加，加大了甘油对淀粉分子间作用力的削弱程度。同时，小分子甘油渗透到淀粉颗粒内部，使甘油的羟基与淀粉分子链上的羟基形成了新的氢键，从而降低了淀粉分子间强的氢键相互作用力，使膜的Ts降低[14]。综上所述，选择15%为最佳甘油用量。

2.2 响应面试验分析结果

在上述单因素(明胶、海藻酸钠、聚乙二醇、甘油)试验基础上进行组合试验(Box-Behnken)，研究不同条件对可溶性淀粉可食膜Ts的影响，对工艺参数进行优化，确定最佳制模条件，试验设计方案和试验结果见表2。29个试验点分为两类：一是析因点，自变量取值在A、B、C、D所构成的三维顶点，共有24个析因点；二是零点，为区域中心点，零点试验重复5 次，用来估计试验误差。

表2 水溶性淀粉(Ts)回归模型方差分析

以可食膜Ts为响应值，经回归拟合后，各试验因子对响应值的影响可以用下列式(3)表示。

Ts=41.33-0.96A+26.54B-0.88C-4.58D-21.43AB-11.09AC-2.16AD-5.94BC+1.07BD-2.39CD-3.97A2+7.8B2-6.27C2-18.44D2

(3)

进一步对回归方程分析，其系数显著性结果见表4。由表4可知，各实验因素对可食膜的Ts影响不是简单的线性关系，回归方程中一次相B、D对可食膜的Ts影响极为显著(P<0.01)，交互项BC、二次项C2对膜的Ts影响显著(P<0.05)，而其余项对膜的影响并不显著。相关系数R2=0.7533，表明75% 的数据可用这个方程解释。影响可食膜Ts的因素主次是甘油>海藻酸钠>聚乙二醇>明胶。此模型的P<0.01，表明响应面回归模型达到极为显著水平。

2.3 优化参数的验证

为了进行实验条件的最优化分析，在该模型预测条件下，按最优工艺明胶0.2 g、海藻酸钠1.2 g、聚乙二醇0.88 g、甘油0.67 g做3次重复实验，测得实际Ts值为93.48 MPa，与模型的预测值94.88 MPa较为接近，进一步说明此回归模型的拟合程度较好，可见该模型能较好地预测四个单因素对可食膜Ts的影响情况。

2.4 糊化特性

图5 水溶性淀粉的糊化特性Fig.5 Gelatinization characteristics of cold-water-soluble starch

图5为最佳配方下的水溶性淀粉的糊化曲线图。由图5可知，黏度随温度的升高迅速增大，当达到峰值黏度为3.01×10-1Pa·s时，黏度随着保温时间的延长缓慢下降，当温度下降时黏度继续增大，最终黏度为4.39×10-1Pa·s，高于峰值黏度。其他主要糊化特征值为：回升值1.63×10-1Pa·s、衰减值2.57×10-2Pa·s、起始糊化温度为67.1 ℃。糊化温度因直链淀粉含量、结晶度和支链淀粉结构等的不同而存在差异。一般来说,直链含量高、结晶度高、支链的外链较长的淀粉晶体结构紧密，晶体熔解所需热量大，导致糊化温度较高[15]。当温度高于糊化温度时，晶体崩解，淀粉颗粒开始溶胀，黏度突然升高，并逐渐达到峰值黏度。通常直链淀粉是以紧密的双螺旋结构存在于淀粉颗粒中，而支链淀粉主要是其外链通过微晶束形成淀粉的骨架，晶体结构较为松弛，易被水解[15]。

2.5 膜的水分透过率

对最佳配方下的水溶性淀粉可食膜进行阻隔水蒸气实验，结果见图6。由图6可知：制得的可食膜在湿度接近为100%的环境湿度条件下的水蒸气透过率和水蒸气透过系数都较小，水分透过速率为45.93 g/(m2·h)，水分透过系数为59.55 g·mm/(m2·d·kPa)，主要原因是水溶性淀粉之间存在较多氢键，分子链中游离羟基数量较少，在水溶性淀粉与辅料结合成膜时，表面分子链中极性基团分布比本体低，表面疏水层形成；另外聚乙二醇有较好的吸湿性。此可食膜具有较强的吸湿性，有效阻止水分通过膜体，说明此可食膜具有较好的阻湿性能，适合高水分物质的保存。

图6 水分透水速率和水分透过系数Fig.6 Water permeability rate and water permeability coefficient

3 结论

通过单因素试验、响应面法试验得出，该组分下的水溶性淀粉可食膜最佳配方：水溶性淀粉4.0 g，明胶0.2 g，海藻酸钠1.2 g，聚乙二醇0.88 g，甘油0.67 g。此配方下的可食膜测得实际Ts为93.48 MPa，与响应面法试验模型的预测值(94.87 MPa)相接近，回归模型的拟合程度较好，模型预测较真实。糊化特性检测发现水溶性淀粉拥有较高的回

升值，属于易反生淀粉品种。在最佳配方条件下的可食膜拥有较好的阻湿性。