胡 燕， 鄒 建， 袁曉晴

(河南牧業(yè)經(jīng)濟學院，河南 鄭州 450046)

魔芋葡甘聚糖(KGM)是從魔芋塊莖中提取得到的一種天然多糖[1]。在食品工業(yè)中，KGM是經(jīng)食品藥品監(jiān)督管理局批準的一種食品添加劑，安全性極好，得到廣泛的應用[2-3]。其分子結構為分子比1.6∶1.0的甘露糖和葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵聚合而成的鏈狀多糖，且有部分乙?；S機連接到糖單元上[4]。眾多的研究結果表明，通過堿脫乙?；瘜GM進行改性可使之凝膠化[2,5-6]。脫乙酰作用會使得KGM的無乙酰區(qū)交聯(lián)，形成三維網(wǎng)絡結構[7]?？ɡz是從紅藻類海草中提取出來的一類親水性膠體，它的化學結構是由半乳糖及脫水半乳糖所組成的多糖類硫酸酯的鈣、鉀、鈉、銨鹽[8-9]。由于其優(yōu)良的功能特性，如膠凝性、增稠性、乳化性、穩(wěn)定性等，被廣泛用于各類食品的生產(chǎn)[10-12]。據(jù)報道，KGM與卡拉膠復配后協(xié)同增效作用明顯，可形成強度大、黏彈性適中且表面均勻光滑的凝膠[13-14]。脫除部分乙酰基后，KGM與卡拉膠混合體系的加工性能更加優(yōu)良，如黏度變小因而利于混合，凝膠硬度根據(jù)需求可進一步增大，凝膠脫水收縮現(xiàn)象進一步減小等[15]。

近年來，可食性膜由于具有制作工藝簡單、成本低、可食、使用方便、易降解以及對環(huán)境不產(chǎn)生污染等優(yōu)良特點成為研究熱點。利用KGM或者KGM與卡拉膠混合研制可食性膜的研究已有一些[16-17]，但是以脫乙酰魔芋葡甘聚糖(Da-KGM)與卡拉膠混合制備可食性膜的研究目前尚未見報道。本研究以Da-KGM與κ-卡拉膠為主要材料制備可食性膜，并對其制備過程中的主要參數(shù)進行了優(yōu)化，以期研發(fā)一種性能優(yōu)良的Da-KGM/κ-卡拉膠可食性膜。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋葡甘聚糖(食用級)，由湖北強森魔芋科技有限公司生產(chǎn)，κ-卡拉膠、甘油、無水碳酸鈉、氯化鈉、鹽酸和氯化鉀均為分析純，由國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)。

1.2 儀器與設備

BS210S分析天平購自德國Sartorius公司，BL310電子天平購自德國Sartorius公司，HH4數(shù)顯恒溫水浴鍋購自國華電器有限公司，SHZ-82A機械攬拌機購自國華電器有限公司，DJH-136L-L 鼓風干燥箱購自上海簡戶儀器設備有限公司，AGS-J電子萬能試驗機購自島津企業(yè)管理(中國)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 脫乙酰魔芋葡甘聚糖的制備 不同的脫乙酰度的KGM用Chen等[18]的方法制備，稍加改動。準確稱量30.00 g KGM 粉末于具塞錐形瓶中，加入200 ml 50%(體積比) 的酒精溶液，然后放置于恒溫振蕩器中于150 r/min的轉速40 ℃ 充分溶脹30 min。再分別加入一定量的Na2CO3溶液，使得Na2CO3與KGM的質量比分別為0、0.75%、1.50%、2.25%、3.00%，40 ℃反應24 h。反應完成后，分別用50%、75%和 95%的酒精溶液清洗3遍以除去過量的堿，再用無水酒精脫水處理，過量的酒精在通風櫥中蒸發(fā)，最后置于真空干燥機于40 ℃真空干燥6 h。通過改變Na2CO3的用量，一系列不同脫乙酰度的Da-KGM 粉末制備成功，分別標記為Da0、Da1、Da2、Da3和Da4。

1.3.2 脫乙酰度的測定 脫乙酰度(DD)定義為脫去的乙?；颗cKGM分子中乙?；偤康谋戎怠８鶕?jù)Zhang等報道的滴定法進行測定[19]。測定方法如下：準確稱量0.5 g KGM 粉末于具塞錐形瓶中，加入10 ml 75%(體積比) 的酒精溶液，然后放置于恒溫振蕩器中于150 r/min的轉速40 ℃ 充分溶脹30 min。當樣品溶液冷卻到室溫后，加入0.5 ml 0.5 mol/L NaOH溶液，置于恒溫振蕩器中于150 r/min的轉速40 ℃皂化24 h。過量的堿用0.1 mol/L的鹽酸溶液滴定。以不加KGM粉末的作為空白對照，每個樣品平行測定3次，結果取平均值。乙?；暮?W0)用公式(1)計算：

(1)

式中V2代表滴定空白樣品所消耗的HCl體積，V1代表滴定KGM樣品所消耗的HCl體積，NHCl代表HCl的當量濃度，Macetyl=43 g/mol ，ms代表樣品質量。

脫乙酰度用公式(2)進行計算：

DD=(W0-W)/W0×100%

(2)

式中W0代表天然KGM中乙?；偤?，W代表在試驗條件下脫除部分乙酰基后剩下的乙?；暮?。根據(jù)該方法進行測定，本試驗中制備的Da-KGM的脫乙酰度分別為Da0(天然KGM，脫乙酰度為0)，Da1(脫乙酰度為13.43%),Da2(脫乙酰度為26.13%)，Da3(脫乙酰度為45.01%)，Da4(脫乙酰度為63.23%)。

1.3.3 復合可食性膜的制備方法 復合可食性膜的制備方法參考張莉瓊等[16]的方法，稍作改動。將一定脫乙酰度的魔芋葡甘聚糖與κ-卡拉膠按照一定的比例混合，邊攪拌邊溶于適量蒸餾水中，加入一定量的甘油作為增塑劑，再加入固體KCl使其濃度為0.1 mol/L，機械攪拌6 h使其充分溶解并混勻。然后將混合液體放入真空干燥箱中于-0.8 MPa下脫氣30 min。脫氣后在一定溫度的水浴鍋中加熱溶脹一段時間，趁熱將膜液流延于平整光滑的塑料托盤中，再于50 ℃鼓風干燥箱中干燥12 h成膜。工藝流程如圖1所示。

圖1 Da-KGM/κ-卡拉膠可食性膜制備工藝流程Fig.1 Process flow of deacetylated konjac glucomannan(Da-KGM)/κ-carrageenan edible films

1.3.4 單因素試驗 按照圖1的生產(chǎn)工藝制備脫乙酰魔芋葡甘聚糖(Da-KGM)/κ-卡拉膠可食性膜，各因素固定值分別為：Da-KGM的脫乙酰度為26.13%，Da-KGM與κ-卡拉膠的比例為1∶1(質量比)，Da-KGM的添加量為1%，甘油添加量為0.4%，加熱溫度為70 ℃，加熱時間為30 min，保持其他5個因素不變，每次改變1個因素，設計Da-KGM的脫乙酰度分別為0、13.43%、26.13%、45.01%、63.23%；Da-KGM與κ-卡拉膠的比例分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3；Da-KGM的添加量分別為0.50%、0.75%、1 .00%、1.25%、1.50%；甘油添加量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%；加熱溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃；加熱時間分別為10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min。多糖類薄膜材料常見缺點為彈性和隔水性不足，因此主要選取斷裂伸長率(E)和水蒸氣透過系數(shù)(WVP)這2個指標進行測定。

1.3.5 響應面優(yōu)化試驗 在單因素試驗的基礎上，采用BBD設計方案，以Da-KGM的添加量、甘油添加量、加熱溫度和加熱時間為自變量，可食性膜的斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)為響應值，設計4因素3水平響應面分析試驗，確定最佳制備工藝。每一變量的低水平、中水平、高水平分別以-1、0、1編碼，試驗因素與水平見表1。

1.3.6 膜的斷裂伸長率測定 根據(jù)黃艷等[17]的方法，參照GB/T 1040.3-2006，選取厚度相對均勻的膜，將其裁剪成15 mm×100 mm的長條形，用電子萬能試驗機進行測量。設定上下夾具間距為60 mm，測量速率為50 mm/min。

斷裂伸長率(%)按公式(3)進行計算：

(3)

式中，L0為試驗樣品原始標線距離；L為試驗樣品斷裂時標線間距離。

1.3.7 膜的水蒸氣透過系數(shù)測定 參照GB/T 1037-1988 ，采用擬杯子法測定膜的水蒸氣透過系數(shù)。參考黃艷等[17]的方法，準確稱取2.0 g無水氯化鈣，置于稱量瓶中，然后用膜將瓶口密封，制成透濕杯，并稱質量。在干燥器底部放置飽和的NaNO2溶液，再將準確稱過質量的透濕杯放于干燥器上部，每隔一段時間稱質量1次，最后計算出水蒸氣透過率。水蒸氣透過率計算公式如下：

(4)

式中，△W為透濕杯增加的質量，d為膜厚度，A為試驗樣品的透過面積，△t為時間變化，P2-P1為水蒸氣透過膜兩側的蒸汽壓差。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理 單因素試驗測定3 次，取平均值，使用origin8.5進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，響應面采用Design Expert 8進行多元回歸分析。

2 結果與分析

2.1 Da-KGM脫乙酰度對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

由圖2得知，Da-KGM的脫乙酰度對可食性膜斷裂伸長率的影響和其對水蒸氣透過系數(shù)的影響都很顯著(P<0.05)。隨著Da-KGM的脫乙酰度的增大，可食性膜的斷裂伸長率先增大后減小。當脫乙酰度為26.13%時，可食性膜的斷裂伸長率達最大值。而可食性膜的水蒸氣透過系數(shù)則隨著脫乙酰度的增大而逐漸減小，但當脫乙酰度增大到26.13%后，水蒸氣透過系數(shù)減小的趨勢較緩慢。Huang等的研究結果也表明，脫除部分乙?；蟮腒GM制備膜材料時，可以得到更好的諸如拉伸強度、斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)等加工性能[20]。隨著脫乙酰度的增大，Da-KGM與κ-卡拉膠之間形成的凝膠結構更加致密，硬度增大[15]。綜合斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)2個指標來看，26.13%脫乙酰度的KGM較適合制備可食性膜材料。

圖2 Da-KGM脫乙酰度對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.2 Effects of deacetylation degree of Da-KGM on elongation and water vapor permeability

2.2 Da-KGM與卡拉膠比例對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

由圖3得知，隨著Da-KGM與κ-卡拉膠混合比例發(fā)生變化，可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)都相應發(fā)生較大變化。二者比例為1∶1時，斷裂伸長率數(shù)值最大。膜的水蒸氣透過系數(shù)隨著二者比例的增大逐漸減小，當二者比例達1∶1后，曲線趨于平緩，減小速率較慢。綜合考慮膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)2個指標，當Da-KGM與κ-卡拉膠混合比例為1∶1時，制備出來的可食性膜加工性能較好。

圖3 Da-KGM與卡拉膠比例對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.3 Effects of ratio of Da-KGM to κ-carrageenan on elongation and water vapor permeability

2.3 Da-KGM添加量對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

由圖4可知，隨著Da-KGM添加量的增大，可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)都逐漸增大。這是因為雖然凝膠劑含量的增加，有助于凝膠的形成及凝膠強度的增大，但是KGM強的水合性質又使得過多的Da-KGM不利于可食性膜的阻水隔水性能。并且大量的Da-KGM也提高了可食性膜的制造成本。從圖4可以看出，當Da-KGM的添加量超過1.00%時，水蒸氣透過系數(shù)增大較迅速。所以綜合考慮，Da-KGM的添加量為1%左右較適宜。

圖4 Da-KGM添加量對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.4 Effects of Da-KGM content on elongation and water vapor permeability

2.4 甘油添加量對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

甘油是膜材料制備中常用的增塑劑[21]。從圖5可以看出，在試驗范圍內(nèi)，可食性膜的斷裂伸長率隨著甘油添加量的增加而增大。但是可食性膜的水蒸氣透過系數(shù)也隨著甘油添加量的增加而增大，而且當甘油添加量超過0.4%后，水蒸氣透過系數(shù)增大速度加快。這是因為甘油作為增塑劑，可以破壞分子內(nèi)部氫鍵，增大膜的通透性[22]。綜合考慮2個指標，甘油添加量為0.4%左右較為適宜。

圖5 甘油添加量對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.5 Effects of glycerol content on elongation and water vapor permeability

2.5 加熱溫度對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

由圖6可以看出，隨著加熱溫度的提高，可食性膜的斷裂伸長率先逐漸增大，約60 ℃時達最大值，其后基本維持不變，但當加熱溫度大于70 ℃后，可食性膜的斷裂伸長率開始逐漸減小。而水蒸氣透過系數(shù)在試驗所測范圍內(nèi)隨著加熱溫度的提高而逐漸減小。綜合考慮2個指標，70 ℃左右的加熱溫度較為適宜。

圖6 加熱溫度對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.6 Effects of heating temperature on elongation and water vapor permeability

2.6 加熱時間對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響

由圖7可以看出，隨著加熱時間的延長，可食性膜斷裂伸長率先逐漸增大，加熱時間達到30 min后，開始逐漸減小。而水蒸氣透過系數(shù)的變化趨勢則相反，開始時隨著加熱時間的延長而逐漸減小，約40 min后開始逐漸增大。綜合考慮2個指標，加熱時間選擇30 min或者40 min較為適宜。

圖7 加熱時間對可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.7 Effects of heating time on elongation and water vapor permeability

2.7 響應面試驗結果及分析

采用Design Expert8.0.6 軟件，對表1數(shù)據(jù)進行回歸擬合，分別以斷裂伸長率(Y1)，水蒸氣透過系數(shù)(Y2)為響應值，共29個處理，響應面試驗結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果

表3 回歸模型方差分析

2.7.2 影響可食性膜性質的主要因素 由表4可知，影響可食性膜斷裂伸長率的主要因素是Da-KGM添加量、甘油添加量和加熱溫度；影響復合膜水蒸氣透過系數(shù)的主要因素是Da-KGM添加量、加熱溫度和加熱時間。

2.7.3 工藝參數(shù)優(yōu)化及驗證結果 采用Box-Behnken中的聯(lián)合求解，對斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)2個指標值進行自動權重分配，得到聯(lián)合滿意度。以聯(lián)合滿意度為響應值，得到優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)為：Da-KGM添加量為1.01%，甘油添加量為0.43%，加熱溫度為68.72 ℃，加熱時間為28.78 min。此條件下可食性膜斷裂伸長率為25.80%，水蒸氣透過系數(shù)為4.08 g·mm/(m2·h·kPa)。

對響應面優(yōu)化所得參數(shù)進行驗證試驗，重復5次，結果見表5，測得可食性膜斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)分別為25.48%、4.19 g·mm/(m2·h·kPa)，與預測值25.80%、4.08 g·mm/(m2·h·kPa)較為接近，說明響應面優(yōu)化所得數(shù)學模型對實際情況有較好的預測效果。

表4 各性能指標的回歸方程及顯著性檢驗結果

表5 對響應面優(yōu)化所得參數(shù)驗證的試驗結果

3 討 論

可食性包裝膜是以天然可食性生物大分子材料為原料，通過添加一定的輔助劑而形成的具有一定網(wǎng)絡結構的可食用薄膜[22]。大分子多糖經(jīng)常被用來作為制備可食性膜的原料。KGM和卡拉膠均是食品工業(yè)中常用的親水性多糖材料，不僅安全性好，而且具有多種生理保健功能。如長期進食KGM可以減肥、潤腸通便、抗腫瘤[23]，而卡拉膠也具有抗病毒、抗腫瘤和免疫調(diào)節(jié)活性[24]。因此，KGM和卡拉膠都是制備可食性膜良好的備選材料。

由于KGM的水溶液黏度太大，不利于與其他原輔料進行混合，使用不方便。而且KGM的強親水性也不利于膜材料的阻水隔水性能。而當KGM脫除部分乙?；螅渌芤吼ざ葧蠓陆?，親水性也大幅降低[25]。因此，本研究以Da-KGM與κ-卡拉膠為主要原料，甘油為主要輔料，制備復合可食性膜。并通過響應面法對其主要制備工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。本研究得到的主要工藝條件為：KGM的脫乙酰度為26.13%，Da-KGM的添加量為1.01%，Da-KGM與κ-卡拉膠的比例為1∶1(質量比)，甘油添加量為0.43%，加熱溫度為68.72 ℃，加熱時間為28.78 min。在此條件下制備的復合可食性膜具有較適宜的斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)。 這得益于Da-KGM與κ-卡拉膠分子間的協(xié)同作用[15]。該研究結果在生產(chǎn)上具有較高的實用價值，可以為擴大KGM和卡拉膠的應用范圍及后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)提供參考。