响应面法优化胡萝卜/白菜复合蔬菜纸的研究

张克宏，朱希

（安徽农业大学轻纺工程与艺术学院，安徽合肥 230036）

近年来，由天然原料制备可食用包装逐渐成为生态友好替代品研究的焦点[1-2]；其中，蔬菜纸在保留蔬菜原有风味和营养的同时，还富含丰富的维生素、矿物质和膳食纤维，受到消费者的欢迎[3]，在食品包装领域有较好的应用.鲜销鲜食型蔬菜是我国蔬菜的主体类型，年腐烂损失高达30%~35%，因此，开展蔬菜新产品研发具有重要的意义[4].以日本酒井理化学研究所制备的豆渣基可食用纸为标志，蔬菜纸的研究开始引起人们的关注[5]. 20世纪90年代末，国内学者开始对蔬菜纸的制备和加工技术开展研究.从应用和发展潜力来看，以蔬菜为原料的绿色产品具有更大的发展潜力；围绕南瓜[6]、西兰花和甜玉米[7]、紫甘蓝[8]、莲花白和魔芋[9]、芹菜[10]、苦菜[11]、胡萝卜和卷心菜[12]等基材，学者们对蔬菜纸的最佳生产工艺条件和助剂对蔬菜纸性能的影响开展了广泛的研究.借鉴国外的技术经验，我国的蔬菜深加工和蔬菜纸生产开始逐步走向产业化，但总体研究水平不高，关键技术工艺与性能改进方面有待提升.

我国白菜栽培面积在蔬菜中居首位，白菜含丰富的维生素、膳食纤维和抗氧化物质，能促进肠道蠕动，帮助消化.胡萝卜素有“小人参”之称，富含糖类、脂肪、挥发油、胡萝卜素、维生素、花青素等营养成分，具有保护表皮组织，保护呼吸道、消化道、泌尿系统等上皮细胞组织的功能与作用[12].以白菜、胡萝卜为主要原料制备复合蔬菜纸，采用单因素试验和响应面实验研究蔬菜纸制备条件、成型配方和成型条件，一方面可以为蔬菜的腐烂浪费提供可行的解决方案，另一方面可以提高蔬菜附加值，丰富蔬菜纸制备的研究理论和制备技术，对提升白菜和胡萝卜的综合利用水平具有重要意义.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

白菜、胡萝卜，市售；羟甲基纤维素、甘油、氢氧化钠、盐酸，分析纯，国药集团.

1.2 仪器与设备

BS-210S型电子天平，德国Sartorius公司；DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱，济南爱来宝仪器设备有限公司；多功能食品搅拌机，德龙集团；KQ-600DE数控超声波清洗器，临沂市盈嘉科学仪器有限公司；HH-S数显恒温水浴锅，常州翔天实验仪器厂；XLW（PC）型智能电子拉力试验机，济南兰光机电技术有限公司.

1.3 蔬菜纸的制备工艺

胡萝卜、白菜原料选择→清洗→切分→打浆→调浆→超声处理→沉淀中和→调配→搅拌→涂膜成型→干燥→揭片→冷却、整形→成品.

1.4 蔬菜纸制备步骤

1.4.1 原材料预处理

选择成熟度适中新鲜、无腐烂、无蛀虫的白菜和胡萝卜作为实验的原材料.采用盐水浸泡的方法去除蔬菜表面的虫卵，同时起到一定的杀菌消毒作用.用清水清洗其表面残留的泥沙、污染物及少量农药残留物体，清洗之后沥干.

1.4.2 调浆

称取一定量的NaOH溶解于蒸馏水中，制得3% NaOH溶液，按质量比1∶1将一定量的蔬菜加入到NaOH溶液中，机械混合搅拌均匀.

1.4.3 超声处理

将搅拌均匀的蔬菜浆料置于超声波消化仪中，采用不同的功率和作用时间进行超声处理.超声处理后的纤维变细变小，裸露的羟基增多，有利于氢键的形成，从而有助于提升蔬菜纸的强度.

1.4.4 沉淀中和

将超声处理后的蔬菜浆沉淀数小时，倒出上部的水份，用30%的盐酸溶液对蔬菜浆料进行中和处理，得到中性的蔬菜浆.

1.4.5 调配

将胡萝卜浆料和白菜浆料分别按照表1所示的质量比进行调配倒入同一烧杯中，制成混合蔬菜浆，静置沉淀后，倒出上部的水.

1.4.6 搅拌

称取一定量的胶黏剂，加入到按比例调配好的混合蔬菜浆中，添加2 g的甘油，然后将混合蔬菜浆料倒入三口烧杯中，于65℃下水浴搅拌直至胶黏剂全部溶化.

1.4.7 涂膜干燥成型

将搅拌均匀后的混合蔬菜浆倒入培养皿中，保持厚度一致，放入电热恒温鼓风干燥箱中干燥4~6 h至蔬菜纸有韧性时揭片，制备得到蔬菜纸.

2 蔬菜纸成型性分析

2.1 胡萝卜与白菜质量配比实验

复合蔬菜纸应当有原有蔬菜纸的色泽和口味，消费者易于接受，感官效果好.胡萝卜与白菜质量配比的试验结果见表1.

表1 不同质量比的胡萝卜与白菜复合蔬菜纸外观变化

2.2 复合蔬菜纸制备工艺的响应面实验设计

为了得到抗拉强度、断裂伸长率和吸水性能最佳的蔬菜纸，给这三个指标分别赋予40分、30分和30分，构成蔬菜纸成型性感观质量综合评分，并以此为响应值（指标值）.使用 Design-Expert对试验数据进行分析，采用多项回归拟合，应用二次方程式“ Quadratic” 的数学模型如下：

断裂伸长率=8.81-0.91A-1.20B-2.32C-3.42AB-0.9AC+5.22A2-1.5B2+0.14C2

复合蔬菜纸成型性响应面结果如表2所示.

表2 蔬菜纸成型性响应面试验结果

2.2.1 复合蔬菜纸吸水性能分析

超声波功率、超声时间和胡萝卜∶白菜的质量比三个要素的交互作用对复合蔬菜纸吸水性的影响如图1所示.图1(a)为超声时间15 min下超声波功率和胡萝卜∶白菜的交互作用对复合蔬菜纸吸水性能影响的拟合结果，发现复合蔬菜纸的吸水性能随超声波功率和胡萝卜∶白菜的增大呈先降后增的变化趋势.超声时间和胡萝卜∶白菜的交互作用对复合蔬菜纸吸水性能影响的拟合结果如图1(b)所示，当超声波功率为100 W时，随着超声时间的减少和胡萝卜∶白菜的降低，蔬菜纸的吸水性也呈先降后增的变化.当固定胡萝卜∶白菜为1∶4，复合蔬菜纸的吸水性能与超声时间和超声波功率有着明显的相关性，随着超声时间和超声波功率的增加，出现最小值，拟合结果如图1(c)所示.

图1 超声波功率、超声时间和胡萝卜∶白菜之间的交互作用对复合蔬菜纸吸水性的影响

2.2.2 复合蔬菜纸抗拉强度分析

蔬菜纸的抗拉强度对于其应用有着重要影响，适当的抗拉强度可以实现包装保护功能，方便使用与处理.在蔬菜纸制备过程中，超声处理工艺与原料配比对所制备的蔬菜纸的影响明显.图2(a)为超声波功率和胡萝卜∶白菜的交互作用对复合蔬菜纸抗拉强度的影响的拟合结果，当超声时间为15 min时，复合蔬菜纸的抗拉强度随着超声波功率和胡萝卜∶白菜的增加而增加.图2(b)表明，当超声波功率100 W固定不变时，随着超声时间和胡萝卜∶白菜不断增加，复合蔬菜纸的抗拉强度随之提高.在图2(c)中，复合蔬菜纸的抗拉强度随超声时间和功率的增加而增加.

图2 超声波功率、超声时间和胡萝卜∶白菜之间的交互作用对复合蔬菜纸抗拉强度的影响

2.2.3 复合蔬菜纸断裂伸长率分析

提高复合蔬菜纸断裂伸长率有助于扩大其在包装中的应用，改善对产品的保护性能.复合蔬菜纸的断裂伸长率受纤维长度、纤维帚化程度与交织程度的影响.如图3(a)所示，在超声波时间为15 min的条件下，随着超声波功率在70~100 W范围内不断增加和（2.5~4）∶1范围内胡萝卜与白菜的比例增加，复合蔬菜纸的断裂伸长率不断增加，并趋于最大值.但是，当超声波功率在40~70 W范围内，胡萝卜∶白菜在（0.25~2.5）∶1之间时，复合蔬菜纸的断裂伸长率随超声波功率和胡萝卜∶白菜的增加而不断降低.图3(b)的结果表明，当超声波功率为100 W，超声时间在5~25 min范围内时，复合蔬菜纸的断裂伸长率变化较小；随着胡萝卜∶白菜的增大，断裂伸长率呈先降后增的变化趋势.当固定胡萝卜与白菜为1∶4时，超声时间和超声波功率对复合蔬菜纸断裂伸长率的影响如图3(c)所示.超声波作用时间对断裂伸长率影响较小，而超声波功率在40~100 W范围内对断裂伸长率呈正向作用关系.

图3 超声波功率、超声时间和胡萝卜∶白菜之间的交互作用对复合蔬菜纸断裂伸长率的影响

2.3 复合蔬菜纸胶黏剂用量分析

通过对复合蔬菜纸吸水性能、抗拉强度和断裂伸长率的分析，发现胡萝卜与白菜比例为1∶4，超声波时间为15 min、功率为100 W时，所制备的复合蔬菜纸的综合性能最佳.为提升复合蔬菜纸的成型效果，进一步研究了胶粘剂羧甲基纤维素用量对复合蔬菜纸性能的影响，结果见表3.

表3 不同胶黏剂添加量下复合蔬菜纸的性能

为了得到更好的胶黏剂用量，制作出各方面性能较好的复合蔬菜纸，本实验分别从吸水性、抗拉强度以及断裂伸长率三个方面进行研究分析，经 Design-Expert拟合得到不同胶黏剂质量对复合蔬菜纸吸水性、抗拉强度以及断裂伸长率的理想作用曲线，如图4所示.当胶黏剂添加量为2%时，胡萝卜与白菜复合蔬菜纸的吸水性、抗拉强度和断裂伸长率接近理想线.

图4 不同胶黏剂添加量对复合蔬菜纸性能的影响(a)吸水性；(b)抗拉强度；(c)断裂伸长率

3 结论

以胡萝卜、白菜为原料制备复合蔬菜纸，通过对复合蔬菜纸吸水性、抗拉强度与断裂伸长率的测定，基于Design Expert软件进行响应面分析，确定了胡萝卜/白菜复合蔬菜纸的最佳配方：胡萝卜与白菜最佳质量比例为1∶4，CMC添加量为0.4%，甘油添加量为4%，超声波功率为100 W，超声时间为15 min，在此条件下制备的胡萝卜/白菜复合蔬菜纸具有最佳的吸水性、抗拉强度以及断裂伸长率，为胡萝卜和白菜的综合利用开辟了新途径.