李悅，李曉嬌，張?jiān)凭?，周俊，孫發(fā)科，宋志姣

（保山學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，云南 保山 678000）

隨著生活節(jié)奏的加快和生活習(xí)慣的改變，保鮮膜逐漸成為生產(chǎn)生活中的必需品。 其中塑料包裝膜因價(jià)格低廉、質(zhì)量輕、容量大、便于收納等優(yōu)點(diǎn)深受消費(fèi)者青睞[1]，現(xiàn)今暫沒有其他包裝材料可媲美、但塑料保鮮膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、難以降解，包裝過(guò)程中易釋放塑化劑污染食品、危害人體健康。 而可食用膜是一種以天然生物大分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖類等）為原料制得的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)薄膜[2-3]，相較于塑料薄膜具有可食、可包裝、易降解、無(wú)污染、原材料豐富、對(duì)人體無(wú)害且可兼具保健功能等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。 其作為一種新型包裝材料，逐漸受大眾認(rèn)可，但依然存在易返潮、應(yīng)用受限及缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)等問題[7]。

葛根是中國(guó)衛(wèi)生部公布的藥食同源食物，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明其具有良好保健功能， 其淀粉顆粒較小，粒徑平均值為12.20 μm～24.08 μm， 糊化溫度范圍為57.5 ℃～64.7 ℃，相較于被廣泛應(yīng)用于食品包裝領(lǐng)域的玉米淀粉，葛根淀粉具有更弱的凝沉性，更好的冷糊黏度[8-9]。同時(shí)葛根淀粉直鏈淀粉含量達(dá)19.8%，具有較好的成膜能力。

本研究旨在利用葛根淀粉為主要材料開發(fā)一種新型可食包裝膜，通過(guò)優(yōu)化制備工藝，改善成品物理性能，探究實(shí)際保鮮應(yīng)用效果，以期為豐富可食膜種類、促進(jìn)新型可食膜的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葛根淀粉（Pueraria lobata starch，PS）（食品級(jí)）：國(guó)森源葛粉實(shí)業(yè)有限公司；羧甲基纖維素鈉（carboxymethyl cellulose，CMC）（食品級(jí)）： 河南萬(wàn)邦實(shí)業(yè)有限公司；甘油（食品級(jí)）：上海長(zhǎng)光企業(yè)發(fā)展有限公司；去離子水、玫瑰乳餅：保山學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院食品工藝實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 儀器與設(shè)備

數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-4）： 常州國(guó)華電器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱（DHG 9030A）：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；高壓滅菌鍋（YXQ-LS-50SII）：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；分析天平（CP-214）：上海奧豪斯儀器有限公司；數(shù)顯千分尺（216-181）：桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司；真空包裝機(jī)（DZ 400/2S）：青島艾訊包裝設(shè)備有限公司；磁力攪拌器（MSH-R-03）：杭州秋籟科技有限公司；數(shù)顯拉力計(jì)（SF-500）：樂清艾力儀器有限公司；顯微鏡（BA210）：麥克奧迪實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司；超聲清洗機(jī)（SK250HP）：上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司；恒溫恒濕箱（LRHS-250-III）：上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 可食膜的制備

1.3.1.1 工藝流程

葛根淀粉-甘油混合液A+CMC 溶液B→磁力攪拌混合→加熱糊化→脫氣→流延成膜→干燥→成膜→揭膜

1.3.1.2 工藝條件

稱量5.0 g 葛根淀粉于50 mL 去離子水中，磁力攪拌20 min 至淀粉充分溶解，加入一定體積甘油，繼續(xù)攪拌10 min，制得淀粉-甘油混合液A。 稱量一定質(zhì)量的CMC 于50 mL 去離子水中，磁力攪拌30 min，制得CMC 溶液B。 將溶液A 和溶液B 混合后置于70 ℃水浴鍋中磁力攪拌、加熱糊化40 min，取出后立即放入超聲水浴鍋中脫氣30 min。 將脫氣后的混合溶液倒在自制亞克力板上均勻流延， 放入烘箱，70 ℃干燥4 h，干燥后的膜在恒溫恒濕箱（溫度為40 ℃， 相對(duì)濕度為55%）中平衡48 h，成品置于密封袋冷藏待測(cè)[10-11]。

1.3.2 可食膜物理性能指標(biāo)測(cè)定

1.3.2.1 厚度測(cè)定

將成品膜中間部位剪出1.0 cm×1.0 cm 的正方形小塊。用千分尺測(cè)定4 個(gè)頂點(diǎn)及1 個(gè)中心點(diǎn)的厚度[12]，計(jì)算平均值，計(jì)為該膜的厚度。

1.3.2.2 抗拉強(qiáng)度測(cè)定

將成品膜裁成8.0 cm×2.0 cm 的長(zhǎng)條， 一端固定，另一端連接數(shù)顯拉力計(jì)， 讀取膜斷裂瞬間的拉力大小，抗拉強(qiáng)度的計(jì)算按公式（1）。

式中：TS 為抗拉強(qiáng)度，N/cm2；F 為膜斷裂時(shí)的瞬間拉力，N；S 為膜的橫斷面積，cm2。

1.3.2.3 斷裂延伸率測(cè)定

將成品膜裁成8.0 cm×2.0 cm 的長(zhǎng)條后，用蝴蝶夾固定長(zhǎng)條兩端，置于一張白紙上，其中一端蝴蝶夾用筆牽引，沿直尺劃線直至膜斷裂，測(cè)量劃線的長(zhǎng)度，斷裂延伸率的計(jì)算按公式（2）。

式中：EAB 為膜的斷裂延伸率，%；L0為膜測(cè)試前的長(zhǎng)度，cm；L 為膜拉伸斷裂時(shí)的長(zhǎng)度，cm。

1.3.2.4 滲水時(shí)間測(cè)定

將成品膜裁剪為直徑30 mm 的圓形，置于錐形瓶口，移取1 mL 蒸餾水置于膜表面，記錄第一滴水滲透滴入錐形瓶的時(shí)間WPT（min）[13]。

1.3.2.5 物理性能指標(biāo)綜合評(píng)分的計(jì)算

評(píng)價(jià)膜的綜合物理性能采用隸屬度評(píng)分法[14]，該法可將多指標(biāo)簡(jiǎn)化成單指標(biāo)， 又根據(jù)不同指標(biāo)的重要程度，采用主成分分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重[15-16]。因抗拉強(qiáng)度、 斷裂延伸率及滲水時(shí)間3 個(gè)指標(biāo)越大指征的性能越好，因此隸屬度根據(jù)公式（3）計(jì)算。 因在不同制備條件下膜厚度差異不顯著，故不參與綜合評(píng)分計(jì)算。

式中：P 為指標(biāo)隸屬度；Ai為指標(biāo)值；Amin為相同指標(biāo)最小值；Amax為相同指標(biāo)最大值。

可食膜物理性能綜合分（Y）按公式（4）計(jì)算[17]。

式中：Y 為可食膜物理性能綜合分；a1、a2、a3分別為TS、EAB 和WPT 的權(quán)重；P1、P2和P3分別為TS、WAB 和EPT 的隸屬度。

1.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

葛根淀粉（5.0 g）為主要原料，設(shè)置CMC 添加量、甘油添加量、干燥溫度和干燥時(shí)間為試驗(yàn)因素，均設(shè)5個(gè)水平，測(cè)其物理性能（TS、EAB、WPT、厚度），因素水平設(shè)計(jì)見表1。當(dāng)?shù)谝灰蛩剡M(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其他因素均選取水平3 的相應(yīng)參數(shù)，此后每完成一個(gè)因素，后續(xù)將采用該因素最優(yōu)水平作為試驗(yàn)參數(shù)。

表1 單因素試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)Table 1 Single factor experiment design

1.3.4 可食膜制備工藝優(yōu)化

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定CMC 添加量、甘油添加量、 干燥溫度和干燥時(shí)間變量范圍， 以TS、EAB和WPT 的物理性能綜合分Y 為考察指標(biāo)，設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)。

1.3.5 感官品質(zhì)評(píng)定

由21 位評(píng)定員對(duì)葛根淀粉可食膜的色澤、 風(fēng)味、柔韌性進(jìn)行百分制評(píng)定，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 葛根淀粉可食性膜感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation table of edible Pueraria lobata starch film

1.3.6 顯微結(jié)構(gòu)觀察

將葛根淀粉可食膜成品置于光學(xué)顯微鏡下，放大200 倍進(jìn)行觀察。

1.3.7 保鮮應(yīng)用效果探究

采用葛根淀粉膜作為包裝材料，熱封真空包裝自制玫瑰乳餅，以無(wú)膜包裝乳餅作為對(duì)照，室溫25 ℃下保藏7 d，比較二者水分含量、感官品質(zhì)的變化，初步探究可食膜保鮮應(yīng)用效果。

1.4 數(shù)據(jù)處理

若無(wú)特殊說(shuō)明，試驗(yàn)中每個(gè)樣品設(shè)置3 組平行，每個(gè)指標(biāo)平行測(cè)定3 次，利用SPSS 23.0 和Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 CMC 添加量對(duì)膜性能的影響

CMC 添加量對(duì)膜性能的影響見表3。

表3 CMC 添加量對(duì)膜性能的影響Table 3 Effect of CMC addition on film properties

由表3 可知，隨著CMC 添加量增加，膜的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)CMC 添加量達(dá)0.10 g/g 淀粉時(shí)，雖淀粉膜抗拉強(qiáng)度最大，滲水時(shí)間最長(zhǎng)，但其黏度太高不易涂膜、 質(zhì)地較硬且透明度降低。 當(dāng)CMC 添加量為0.06 g/g 淀粉時(shí)，膜的綜合質(zhì)量最佳，這可能是因?yàn)殡S著增強(qiáng)劑CMC 用量的增加，CMC 與淀粉分子間發(fā)生了一定的化學(xué)作用， 膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密牢固，從而能承受更大的機(jī)械力，膜的抗拉強(qiáng)度和滲水時(shí)間也隨之增大[13，18]。 但當(dāng)CMC 添加量超過(guò)0.06 g/g 淀粉后，可能由于分子間作用力增強(qiáng)， 膜內(nèi)較多的水分被擠出，其次CMC 的增加降低了支鏈淀粉在復(fù)合膜中的占比，提高了膜的結(jié)晶性，從而導(dǎo)致延伸率下降[19]。 淀粉膜厚度未呈規(guī)律變化， 同時(shí)由于復(fù)合膜黏度較大，易引起淀粉晶體聚集， 形成難以去除的顆粒和細(xì)小氣泡[20]，這與顯微結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果一致。根據(jù)顯著性差異分析，CMC 選取0.06 g/g 淀粉添加量為宜。

2.1.2 甘油添加量對(duì)膜性能的影響

甘油添加量對(duì)膜性能的影響見表4。

表4 甘油添加量對(duì)膜性能的影響Table 4 Effect of glycerin addition on film properties

當(dāng)甘油添加量為0.2 mL/g 淀粉時(shí)， 烘干后淀粉膜自動(dòng)脫離亞克力板，破碎為塊狀，無(wú)法測(cè)量。 由表4 可知，隨著甘油用量增加，斷裂延伸率與之呈正相關(guān)，這可能是由于甘油是小分子多元醇，在高溫和剪切力的作用下，填充到淀粉分子鏈間，破壞分子間氫鍵作用，淀粉分子由螺旋構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)殚g斷式螺旋構(gòu)象或無(wú)規(guī)線團(tuán)構(gòu)象，分子間作用力削弱，同時(shí)由于CMC 的存在，甘油的羥基和CMC 的羧基之間存在化學(xué)作用，增加了兩體系的相容性，因此膜的塑性增高，斷裂延伸率增加[21]。但若甘油含量過(guò)高，則反過(guò)來(lái)破壞淀粉分子間羥基作用力，同時(shí)淀粉相對(duì)含量下降，不足以形成致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此抗拉強(qiáng)度略有下降[22]，但抗拉強(qiáng)度組間差異不顯著。 同時(shí)添加甘油會(huì)促使膜結(jié)構(gòu)疏松，增加膜的親水性[23]，故滲水時(shí)間呈現(xiàn)略增大后顯著減小趨勢(shì)。根據(jù)顯著性差異分析，甘油選取0.6 mL/g 淀粉添加量為宜。

2.1.3 干燥溫度對(duì)膜性能的影響

干燥溫度對(duì)膜性能的影響見表5。

由表5 可知，隨著干燥溫度升高，抗拉強(qiáng)度、斷裂延伸率及滲水時(shí)間均呈現(xiàn)先增大后減少趨勢(shì)。 當(dāng)干燥溫度較低時(shí)（50 ℃），甘油親水基團(tuán)可結(jié)合更多水分，膜中淀粉相對(duì)含量減少，導(dǎo)致膜致密性下降、結(jié)構(gòu)疏松，且低溫下難以完全干燥，膜中心及局部成黏稠狀，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低、滲水時(shí)間較短[13-15]。 當(dāng)溫度高于80 ℃時(shí)，水分流失速度加快，甘油與水的氫鍵結(jié)合受到影響、大量水蒸氣涌出易形成氣泡，且高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱下，CMC 膠體黏度明顯下降， 成品膜邊緣出現(xiàn)輕微焦化，包被性降低，品質(zhì)下降。根據(jù)顯著性差異分析，干燥溫度選取70 ℃為宜。

表5 干燥溫度對(duì)膜性能的影響Table 5 Effect of drying temperature on film properties

2.1.4 干燥時(shí)間對(duì)膜性能的影響

干燥時(shí)間對(duì)膜性能的影響見表6。

表6 干燥時(shí)間對(duì)膜性能的影響Table 6 Effect of drying time on film properties

由表6 可知，干燥2 h 后，淀粉膜中心區(qū)域未完全干燥，未達(dá)成膜標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法測(cè)量。 干燥時(shí)間達(dá)3 h 以上即可完全成膜。 由表6 可知，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，膜的抗拉強(qiáng)度、斷裂延伸率及滲水時(shí)間基本呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。 這是由于一定溫度下，相對(duì)較長(zhǎng)干燥時(shí)間有助于增強(qiáng)淀粉分子間相互作用，使其在成膜過(guò)程中充分伸展，形成定向有序、致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而機(jī)械性能得以改善，抗拉強(qiáng)度、延伸率及滲水時(shí)間得到提高[12]。但隨著干燥時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，淀粉分子間的作用力進(jìn)一步加強(qiáng)，分子鏈段不易于滑動(dòng)，流動(dòng)性大大降低，因而延伸率逐漸減小[24-25]，同時(shí)膜含水量降低使其質(zhì)地硬脆，包被性降低。 根據(jù)顯著性差異分析，干燥時(shí)間選擇4 h 為宜。

2.2 可食膜物理性能指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 主成分分析

將18 組單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后， 對(duì)TS、EAB 和WPT 3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，第1 主成分和第2 主成分的特征值分別為1.670 和1.138（以特征值大于1 作為提取條件），方差貢獻(xiàn)率分別為55.683%和37.933%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為93.616%（＞85%），已包含樣品中絕大部分信息， 說(shuō)明前2 個(gè)主成分可反映可食膜性能指標(biāo)的整體信息，代替原來(lái)的3 個(gè)指標(biāo)，結(jié)果見表7。

表7 相關(guān)成分的特征值及貢獻(xiàn)率Table 7 Eigenvalues and cumulative variance contribution rates of the related components

表8 兩個(gè)主成分的因子載荷和因子系數(shù)Table 8 Factor loading matrix and factor coefficient of first two principal components

2.2.2 葛根淀粉可食膜的物理性能綜合評(píng)分

結(jié)合公式（3）和（4），將主成分特征值、方差貢獻(xiàn)率及因子系數(shù)進(jìn)行換算及歸一化處理后，得到評(píng)價(jià)可食膜物理性能3 個(gè)指標(biāo)（TS、EAB、WPT）的權(quán)重分別為0.466、0.229、0.305， 最終建立評(píng)價(jià)膜性能綜合分的數(shù)學(xué)模型為Y=0.466P1+0.229P2+0.305P3。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)，結(jié)果見表9。

表9 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 9 The result of orthogonal experiment

影響可食膜物理性能的4 個(gè)因素中， 按對(duì)物理性質(zhì)綜合評(píng)分的影響從大到小依次為甘油添加量＞干燥時(shí)間＞CMC 添加量＞干燥溫度，通過(guò)K 值比較可知組合A2B2C3D3最優(yōu)， 而正交試驗(yàn)表直觀得出組合A2B2C1D3最優(yōu)，需進(jìn)一步驗(yàn)證。

經(jīng)驗(yàn)證，組合A2B2C3D3的物理性能綜合得分與感官評(píng)分均小于組合A2B2C1D3，結(jié)果見表10。

表10 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 10 The result of validation experiment

其中組合A2B2C3D3因高溫長(zhǎng)時(shí)間干燥導(dǎo)致膜硬度過(guò)高，包被性大大下降，實(shí)用性和感官品質(zhì)較差。 因此制膜最優(yōu)工藝為CMC 添加量0.06 g/g 淀粉，甘油添加量0.6 mL/g 淀粉，干燥溫度60 ℃，干燥時(shí)間5 h，此時(shí)可食膜無(wú)色透明、膜質(zhì)柔韌、表面均勻光滑，邊緣不卷曲，無(wú)異味。

2.4 顯微結(jié)構(gòu)觀察

由圖1 可清楚觀察到淀粉膜表面比較光滑， 這是由于淀粉分子間相互作用，充分伸展，形成定向有序、結(jié)構(gòu)致密，大部分區(qū)域成膜均勻，但存在少量顆粒和孔洞。

圖1 葛根淀粉可食膜顯微結(jié)構(gòu)圖（×200）Fig.1 microstructural characteristics of the film（×200）

2.5 保鮮應(yīng)用效果

實(shí)際保鮮效果是衡量葛根淀粉可食膜應(yīng)用性的重要指標(biāo)，其中測(cè)定水分含量變化是判斷保鮮效果的直觀指標(biāo)，利用葛根淀粉膜對(duì)自制玫瑰乳餅進(jìn)行熱封真空包裝，以無(wú)膜包裝乳餅作為對(duì)照，25 ℃下保藏7 d，保鮮效果如圖2～圖4 所示。 保鮮效果對(duì)比見表11。

圖2 新鮮乳餅Fig.2 Fresh dairy cake

圖3 有膜包裝Fig.3 Packaging dairy cake

圖4 無(wú)膜包裝Fig.4 Unpacked dairy cake

表11 保鮮效果對(duì)比Table 11 Preservation effect comparison

結(jié)合表11 保鮮效果對(duì)比可知， 熱封真空包裝能有效減緩乳餅水分蒸發(fā)， 保持乳餅良好質(zhì)地，減緩玫瑰花色素?fù)p失，風(fēng)味和口感無(wú)較大變化，在一定程度上達(dá)到延長(zhǎng)貨架期的目的。

3 結(jié)論

研究表明CMC 添加量、甘油添加量、干燥溫度及干燥時(shí)間對(duì)葛根淀粉可食膜物理性能（TS、EAB、WPT）具有不同程度的影響。 主成分分析結(jié)果表明僅前2 個(gè)主成分，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率（93.616%），已超過(guò)85%，能夠反映可食膜的絕大部分物理性能指標(biāo)。 經(jīng)數(shù)據(jù)分析、換算和歸一化處理，確定3 個(gè)物理性能指標(biāo)（TS、EAB、WPT）的權(quán)重分別為0.466、0.229、0.305。 結(jié)合隸屬度評(píng)分法，將多指標(biāo)簡(jiǎn)化成單指標(biāo)，最終建立可食膜物理性能評(píng)價(jià)綜合評(píng)分的數(shù)學(xué)模型為Y=0.466P1＋0.229P2＋0.305P3。 通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化獲得最佳制備工藝為CMC 添加量0.06 g/g 淀粉、 甘油添加量0.6 mL/g淀粉、干燥溫度60 ℃、干燥時(shí)間5 h，此時(shí)可食膜無(wú)色透明、膜質(zhì)柔韌、均勻光滑，邊緣不卷曲，無(wú)異味，物理性綜合評(píng)分為0.915，感官評(píng)分為96.78。保鮮應(yīng)用效果研究表明，熱封真空包裝能有效減緩玫瑰乳餅水分蒸發(fā)，保持乳餅良好質(zhì)地和風(fēng)味，減緩玫瑰花色素?fù)p失，在一定程度上達(dá)到延長(zhǎng)貨架期的目的。