梁 棟，張華江，王 旭，王勝男，李 亮，魏春麗，孟靈楠

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030）

可食性膜是以天然可食性物質(zhì)（蛋白質(zhì)、多糖、纖維素及衍生物等）為原料，通過不同分子間相互作用形成的具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜。可食性膜的實用性能與合成塑料包裝膜基本一樣，更有合成塑料無法比擬的優(yōu)越性，它的阻水性、透氣性和可降解性等性能受到了越來越多人的青睞［1］。大豆分離蛋白作為一種優(yōu)良的可再生資源而被廣泛用做制取可食性膜的材料，殼聚糖是蝦、蟹、昆蟲等甲殼的提取物，也被用來制取果蔬類保鮮膜的原料［2］，用大豆分離蛋白和殼聚糖為原料制成的膜利用了各組分的長處［3］，使膜的綜合性能得到了很大的改善。目前對可食性膜的研究主要集中在以下幾個方面:膜成分的研究;復(fù)合膜的研究;膜增塑的研究;物理、化學(xué)改性的研究等［4－5］。超聲波能對介質(zhì)產(chǎn)生空穴作用、機械作用和超混合效應(yīng)等，能促使介質(zhì)化學(xué)鍵的斷裂、形成和暴露更多的反應(yīng)中心，從而加速反應(yīng)進行。經(jīng)過超聲處理后，制成的膜內(nèi)部形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為緊致，增加膜的機械強度，改善其阻隔性能等［6－7］。

本實驗著重對殼聚糖－大豆分離蛋白復(fù)合膜的超聲改性進行研究，得到了在膜的綜合性能最佳的情況下超聲處理的最佳工藝參數(shù)。為今后的研究提供了可行性研究及參考，對大豆蛋白膜的綜合利用以及新產(chǎn)品的開發(fā)提供了基礎(chǔ)研究資料。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖;大豆分離蛋白 哈爾濱高新技術(shù);甘油、95%乙醇 均為國產(chǎn)分析純。

DHG－9240A鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒;TA－XT質(zhì)構(gòu)儀 天津市普博科技;JJ－1電子精密增力攪拌器金壇市佳美儀器有限公司;HH－2型數(shù)顯恒溫水浴鍋天津泰斯特有限公司;電子天平 上海醫(yī)用激光儀器廠;JY92－Ⅱ超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司;PARAM CHY－C2測厚儀 濟南蘭光機電技術(shù)有限公司;酸度計 上海藍化科技有限公司;自制亞克力成膜板槽;循環(huán)水真空泵SHZ－DIII 鞏義市予華儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 加入3g大豆分離蛋白→加入100mL水?dāng)嚢枞芙狻尤?.5g殼聚糖→加入5mL乙醇→調(diào)節(jié)pH至8→90℃水浴加熱10min→加入2g甘油→水浴攪拌30min→超聲處理→靜置到室溫→真空抽濾→倒板→60℃鼓風(fēng)干燥箱干燥8h→放置24h→回軟揭膜→性能測試

1.2.2 厚度測定 參照GB－T 6672－2001用厚度測厚儀測定膜的厚度。

1.2.3 拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（E）的測定 將膜剪切成長20cm，寬2cm的膜做樣品，然后放在質(zhì)構(gòu)儀上測定其力學(xué)性能（拉伸強度和斷裂伸長率）。拉伸速度為50mm/min，每個材料樣品做三個平行實驗。分別按下面公式計算拉伸強度和斷裂伸長率，求其平均值。

式中:L1－試樣斷裂時膜長;L0－膜原長（mm）;F－試樣斷裂時承受的最大拉力（N）;S－式樣的截面積（m2）。

1.2.4 吸水性測定 參照GB－1034－70進行測試。

1.2.5 物理性能模糊綜合評價方法 在本實驗中需要綜合考慮多個物理性能指標來對大豆分離蛋白和殼聚糖復(fù)合膜的質(zhì)量進行評價，所以在此采用了模糊綜合評價法，即通過引入隸屬度函數(shù)［8］

式中X（u）－待分析點的隸屬度函數(shù)值;Xi－待分析點的數(shù)據(jù)值;Xmax－待分析點所在數(shù)據(jù)列的最大值;Xmin－待分析點所在數(shù)據(jù)列的最小值;

將膜的多個性能指標經(jīng)過模糊變換成綜合評價的累加加權(quán)得到的隸屬度值∑X（u）·Y做為膜的綜合評分k值，即k=∑X（u）·Y，它能表示含有多個物理指標的膜的整體、綜合性能。本實驗中需要考慮膜的機械性能有抗拉伸強度、斷裂伸長率和吸水性?？紤]抗拉伸強度（TS）、斷裂伸長率（E）和吸水性的重要程度，確定綜合評價的權(quán)重子集Y分別為{0.6，0.3，0.1}。即待分析點的綜合評價累加加權(quán)隸屬度值∑X（u）×Y=K=X（u）（拉伸強度）×0.6+X（u）（斷裂伸長率）×0.3+X（u）（吸水率）×0.1。

1.2.6 超聲處理條件研究 針對影響超聲改性的超聲時間、超聲功率、超聲溫度三個因素，保持兩個因素不變，改變另一個因素水平進行單因素實驗。單因素實驗的因素水平如下:超聲時間分別采用:10、15、20、25、30min;超聲功率分別采用:10、20、30、40、50W;超聲溫度分別采用:30、40、50、60、70℃。即當(dāng)超聲時間為20min、超聲功率為30W時，超聲溫度取值為30、40、50、60、70℃;當(dāng)超聲功率為 30W、超聲溫度為50℃時，超聲時間取值為 10、15、20、25、30min;當(dāng)超聲時間為20min、超聲溫度為50℃時，超聲功率的取值為10、20、30、40、50W。以未超聲改性處理的膜做空白對照組。

在單因素的基礎(chǔ)上，采用3因素3水平進行響應(yīng)面設(shè)計。以超聲時間（X1）、超聲功率（X2）、超聲溫度（X3）為自變量，膜的綜合性能評分K值為響應(yīng)值進行實驗。因素水平編碼如表1。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factor level encoding table

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用Origin8.5以及Design－expert7.05軟件進行處理

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理單因素實驗

圖1所示，經(jīng)過超聲波處理后的膜，抗拉強度有很大的提高，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。超聲處理能夠增強膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高了抗拉強度。其原因可能是超聲波處理的空化作用和超混合效應(yīng)使分子中的一些化學(xué)鍵斷裂，粒子大小降低，使很多反應(yīng)基團暴露出來，利于分子間的相互作用，同時空穴效應(yīng)產(chǎn)生巨大的爆發(fā)力和沖擊力，對分子產(chǎn)生高溫高壓作用，使分子間的相互作用更加迅速有序，這必然使膜更加堅韌，使膜的抗拉強度增大。隨著功率增大到一定值時，抗拉強度反而下降，可能是隨著大量的化學(xué)鍵的斷裂，很難再形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時空穴效應(yīng)的高溫高壓作用，生成高度反應(yīng)性自由基，引發(fā)一系列的其他化學(xué)反應(yīng)，雜亂的相互作用使淀粉分子之間難以形成有序的結(jié)構(gòu)，從而使拉伸強度降低［9］。

圖1 超聲功率對膜的機械性能的影響Fig.1 Ultrasonic power on the mechanical properties of the membrane

另外，經(jīng)過超聲處理，膜的斷裂伸長率有所降低，隨著功率的逐漸增加，斷裂伸長率先減小后增大。隨著時間的延長，伸長率呈下降趨勢，這是由于超聲波加速了水分子、蛋白質(zhì)分子、殼聚糖分子之間的摩擦，引起一些化學(xué)鍵的裂解。另一方面，空化效應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓使分子鏈斷裂，最終引起大分子鏈降解。超聲處理增加了分子間有序相互作用，形成致密的膜基質(zhì)，所以柔韌性下降，伸長率減?。?0］。

如圖2所示，隨著超聲處理時間的延長，膜的拉伸強度呈增加的趨勢，但是延長到25min后，增加程度不太明顯。斷裂伸長率隨著時間的延長呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢［11］。

圖2 超聲時間對膜的機械性能的影響Fig.2 Ultrasonic time on the mechanical properties of the film

圖3所示，溫度對膜的影響與功率相似，隨著溫度的升高，各種分子之間的相互碰撞、摩擦幾率增加，促進分子間的相互作用，使分子之間的反應(yīng)更加迅速和徹底。分子之間的相互作用增強使抗拉伸強度增強［12］。但是，當(dāng)溫度逐漸升高時，蛋白質(zhì)容易變性。

圖3 超聲溫度對膜的機械性能的影響Fig.3 Ultrasonic temperature on the mechanical properties of the film

超聲處理對膜的吸水性的影響趨勢大致和對伸長率的影響一樣。大豆分離蛋白的親水性主要依賴位于球蛋白結(jié)構(gòu)表面的－NH2和COO－，隨著超聲功率的增大，隱藏在分子內(nèi)部的疏水基團－CH3、CH5、－H等逐漸暴露，吸水性有所下降［13］。

2.2 超聲處理工藝優(yōu)化實驗

采用響應(yīng)面分析法［14］進行工藝優(yōu)化，實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理采用軟件Design－Expert來完成。以膜的綜合評分K值為響應(yīng)值，選擇A時間（min）、B功率（W）和C溫度（℃）為影響因素，響應(yīng)面實驗方案及結(jié)果見表2。

表2 實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and results

利用Design－Expert軟件對表2實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，獲得膜的綜合評分 K值對時間A（min）、功率B（W）和溫度C（℃）的二次多項回歸模型方程為:

R=0.90－0.00875A－0.015B－0.00625C－0.005AB+0.018AC+0.00001BC－0.018A2－0.046B2－0.038C2

采用Design－Expert軟件對膜的綜合評分K模型方程進行方差分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯。通過顯著性分析可以得到，該模型回歸顯著（p=0.0005），失擬項不顯著（p=0.1889＞0.05），并且該模型中R2=95.89%=90.61%，說明方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯，該模型與實驗擬合良好，自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著，可以用于該反應(yīng)的理論推測。由F檢驗可以得到因子貢獻率為:B＞A＞C，即超聲功率＞超聲時間＞超聲溫度。各因素交互作用對膜的綜合評分K值影響的響應(yīng)面圖見圖4。

應(yīng)用響應(yīng)面分析優(yōu)化方法對回歸模型進行分析，得到了影響超聲處理優(yōu)化工藝的最佳工藝條件為超聲溫度58.82℃，超聲功率28.52W，超聲時間23.54min，在此條件下，復(fù)合膜的綜合評分K的最大值為0.91。

為了驗證模型預(yù)測的準確性，在超聲溫度59℃，超聲功率為29W，超聲時間24min條件下，進行3次驗證實驗，取平均值得到復(fù)合膜的綜合評分為0.90，與模型預(yù)測值0.91較接近，說明響應(yīng)值的實驗值與回歸方程預(yù)測值吻合良好，此時，對應(yīng)的復(fù)合膜的抗拉伸強度（TS）為3652N/m2，斷裂伸長率為28.7%。未經(jīng)超聲改性的膜的抗拉伸強度為2856N/m2，斷裂伸長率為20.3%。經(jīng)超聲處理后，抗拉伸強度和斷裂伸長率都得到了很大的提高。最終確定超聲改性的最佳優(yōu)化條件為:超聲溫度59℃，功率29W，時間24min。

表3 回歸方程的方差分析結(jié)果Table 3 ANOVA results of regression equation

圖4 各因素交互作用對膜綜合評分K值影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Influence of various interactions on the membrane composite score k values

3 結(jié)論

本研究通過研究超聲改性的方法對大豆分離蛋白－殼聚糖復(fù)合膜的影響，利用響應(yīng)面分析的方法得到了超聲處理的最佳工藝參數(shù):超聲溫度59℃，功率29W，時間24min，此時，膜的綜合評分的最大值為0.90。對應(yīng)的復(fù)合膜的抗拉伸強度（TS）為3652N/m2，斷裂伸長率為28.7%。改性后，可食性殼聚糖－大豆分離蛋白復(fù)合膜的綜合性能得到了極大的改善，為以后的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

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