秸稈粉制作肉用易降解膜的干燥工藝優化

張 ，楊 婷，侯小強，姬懿珊，田 浩

(成都大學 生物工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

我國的秸稈廢棄物年產量約6 億噸，每年約有5 億噸的秸稈被焚燒［1］.焚燒處理不僅造成嚴重的環境污染，影響公路、民航等交通安全，而且還造成資源的巨大浪費［2－3］.秸稈的主要成分是纖維素(含量在31% ～45%)和木質素，這些成分均有利于防水防油，適合制作肉制品包裝材料.我們前期的研究發現，利用秸稈粉與大豆分離蛋白按照一定比例混合，可制得強度較高的膜，但是干燥條件改變會嚴重影響膜強度的穩定性［4］.對秸稈粉和大豆分離蛋白形成膜的干燥條件進行優化，不僅有利于制作強度穩定的易降解膜，而且有利于其工業化應用.因此，在前期工作基礎上，本研究擬對秸稈粉與大豆分離蛋白形成膜的干燥條件進行優化.

1 材 料

實驗所用材料包括:油菜秸稈采收于成都市龍泉驛區成都大學周邊地區，大豆分離蛋白(SPI，蛋白質含量91.2%，水分含量7.2%)購自山東禹城禹王生態有限公司.

2 方 法

2.1 秸稈粉碎

將收割的新鮮秸稈剁成約20 cm 長的小節，置于戶外暴曬60 d 后，再在120 ℃干燥2 h 后，用9FZ-280 型粉碎機粉碎.根據前期研究結論選用過100 目的秸稈粉為原料［4］.

2.2 膜厚度對膜強度的影響

通過控制混合粉與水的比例得到不同厚度的膜.根據文獻［4］中的最適工藝，將秸稈粉、大豆分離蛋白、葡萄糖和甘油的質量及體積總和分別為0.53、1.59、3.18、6.36、8.48、10.6 的混合物，與80 mL 水溶解，均質后倒入9.5 cm×24 cm 的方形模具中，在60 ℃風干成膜.所得膜的厚度分別為0.14 mm、0.26 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm.

2.3 干燥溫度對膜強度的影響

根據膜厚度實驗結果，選擇厚度為0.6 mm 的膜進行干燥溫度實驗.按照混合物水的比例制得0.6 mm 后膜的混合液，均質后倒入9.5 cm ×24 cm模具中，分別置于50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、100 ℃條件下風干.

2.4 干燥時間對膜強度的影響

根據膜厚度實驗及不同溫度干燥實驗結果，選擇厚度為0.6 mm 的膜進行干燥溫度實驗.按照混合物水的比例制得0.6 mm 后膜的混合液，均質后倒入9.5 cm×24 cm 模具中，置于80 ℃分別干燥4 h、4.5 h、5.5 h、6 h、6.5 h、7 h.

2.5 膜強度的測定

用TA.XT2i-plus 型質構儀測定膜強度.將4 cm×9.5 cm 的膜方塊兩端固定，用P 0.25S 探頭以1.0 mm/s 的切割膜，以膜破裂時的最大正向力評價膜強度.每個試樣做6 次平行實驗.

2.6 膜的溶解性實驗

2.6.1 密閉條件下溶解性實驗.

將制得的包裝膜剪裁成4.5 cm×4.5 cm 大小，取4 張膜置于200 mL 燒杯中，加水100 mL，保鮮膜封口保存，每天攪拌5 min，觀察其溶解狀況.

2.6.2 自然條件下溶解性實驗.

將制得的包裝膜剪裁成4.5 cm×4.5 cm 大小，取4 張膜掩埋于成都大學周邊土地，使其完全置于自然條件下，每天定時觀察其溶解狀況.

2.7 干燥條件優化

采用3 因素、6 中心、1 響應、20 次實驗的中心旋轉設計，對膜強度有顯著影響的膜厚度、干燥溫度、干燥時間進行響應面優化.響應各因素編碼見表1.

表1 因素編碼及因素水平

2.8 數據處理與分析

利用Excel 2003 對數據進行統計分析并繪圖.采用SAS 9.0 進行響應面實驗方案設計，并對實驗結果進行擬合優化.

3 結果與討論

3.1 膜厚度對膜強度的影響

干燥時膜厚度對膜強度的影響見圖1.圖中數據顯示，膜強度隨著膜厚度的增加而顯著增加(p ＜0.05)，但是當膜厚度增加至0.6 mm 后，膜厚度對膜強度的影響不顯著(p ＞0.05).因此，應選擇膜厚度在0.5 ～0.7 mm 作為優化干燥條件時膜厚度的取值范圍.

圖1 膜厚度對膜強度的影響

膜在風干過程，秸稈粉、大豆分離蛋白、葡萄糖及甘油和水會通過分子間的相互作用形成具有一定強度的膜.當膜的厚度較薄時，在風干過程中，膜中的水分由于快速蒸發，導致形成的膜強度不足，而厚度較厚的膜，由于風干過程中有表皮層的保護，秸稈粉、大豆分離蛋白、葡萄糖及甘油和水之間有更多的時間形成分子間作用力.這可能是膜強度隨膜的厚度增加而增加的主要原因.

3.2 干燥溫度對膜強度的影響

干燥溫度對膜強度的影響如圖2 所示.圖中數據顯示，在50 ℃～80 ℃范圍內，膜強度隨干燥溫度的升高而增加，但是當溫度升至100 ℃時，膜強度反而顯著(p ＜0.05)低于60 ℃、70 ℃和80 ℃.因此，選擇干燥溫度為70 ℃～100 ℃作為膜干燥時的溫度取值范圍較合適.

圖2 干燥溫度對膜強度的影響

風干溫度影響水分的蒸發速率和大豆分離蛋白的變性程度.當干燥溫度較低時，水分蒸發速率低，秸稈粉、大豆分離蛋白、葡萄糖及甘油和水之間形成分子間的相互作用力的時間較長，但溫度過低，不利于蛋白質變性，分子間形成的作用力較弱.高溫時由于水分過快蒸發，導致膜的脆度增加.這可能是在80℃風干時形成的膜強度較其他溫度時高的主要原因.

3.3 干燥時間對膜強度的影響

圖3 干燥時間對膜強度的影響

干燥時間對膜強度的影響如圖3 所示.圖中數據顯示，干燥4.5 h 時膜的強度與干燥5.5 h、6.5 h間無顯著差異(p ＞0.05).干燥6 h 時膜的強度高于干燥4h 的膜強度(p ＜0.05)，但是與干燥6.5 h 和7h 時膜強度間無顯著差異(p ＞0.05).由此可知，選擇干燥時間為4 h ～6.5 h 作為優化膜干燥條件時干燥時間的取值范圍較合適.

干燥時間對膜強度的影響類似干燥溫度.過長的干燥時間會導致膜中水分的大量蒸發，形成的膜脆度較高.較短的干燥時間雖然使膜中水分蒸發較慢，但是干燥時間短導致大豆分離蛋白與水分子間形成的作用力較弱.這可能是干燥4.5 h 時膜的強度較干燥4 h 和7 h 時高的主要原因.

3.4 干燥工藝優化

3.4.1 響應面實驗方案及實驗結果.

根據單因素實驗結果，對膜厚度(THICK)、干燥溫度(TEM)、干燥時間(TIM)進行綜合優化.優化實驗方案及結果見表2.對表2 中數據進行擬合分析，所得擬合結果的顯著性分析見表3.

表2 響應面實驗方案及實驗結果

表3 中各因素的顯著性分析顯示，一次項中膜厚度(p = 0.022869 ＜0.05)和干燥時間(p =0.014622 ＜0.05)對膜強度的影響顯著，而且干燥時間的影響程度要大于膜厚度.二次項中膜厚度的平方、膜厚度和溫度的交叉、干燥溫度和干燥時間的交叉對膜強度也有顯著影響(p ＜0.05).

因此，在膜干燥過程中，應重點控制膜厚度和干燥時間.

表3 因素及數學模型的顯著性分析

表3 中主模型的p =0.012664 ＜0.05，失擬項的p=0.061953 ＞0.05，結合R2=0.806，可知所得模型(式1)能較好地反映膜厚度、干燥溫度、干燥時間與膜強度間的關系.

式中，THICK 為膜厚度，mm;TEM 為干燥溫度，℃;TIM 為干燥時間，h;Y1 為膜強度，kg.

3.4.2 擬合模型驗證.

為了進一步確認所得模型的可靠性，以便對最優干燥工藝進行優化，并預測最優的膜干燥條件.通過對式1 進行驗證，所得結果見表4.

表4 擬合模型在預測水解度的有效性驗證

表4 中數據顯示，實測膜強度和預測膜強度的結果較相近，表中有5 組實驗的相對誤差小于10%，有3 組驗證結果的相對誤差大于10%，但小于30%.由此可知，所得模型具有較好的可靠性，可用于預測最優的膜制備工藝.

3.4.3 干燥工藝優化.

根據所得的擬合模型，以膜強度最高為優化目標，得出膜干燥的最優工藝為膜厚度0.52 mm、干燥溫度59.8 ℃、干燥時間7.35 h，對應的膜強度為6.4 kg.

各因素對膜強度的影響也可以從響應面(見圖4)看出.在干燥時間為7.35 h 時，圖中膜強度受膜厚度的影響大于干燥溫度;在干燥溫度為59.8 ℃時，膜強度隨膜厚度和干燥時間的變化均有明顯的改變.這與擬合分析中膜厚度和干燥時間對膜強度有顯著影響的結果相符合.

圖4 膜強度的響應面圖

3.5 膜溶解性實驗

將制作的膜置于水中和埋在土中觀察其降解情況.當將膜在密閉條件下置于水中時，浸泡7 d 后可完全分解為小碎片;當埋在土中時，經過7 d 后完全降解.由此可知，用秸稈粉和大豆分離蛋制作的膜具有較好的可降解性.因此，將這種膜用于快餐食品中肉類及其他食品包裝，將會產生很好的社會效益.

4 結 論

在分析膜厚度、干燥溫度和干燥時間對膜強度影響的基礎上，對膜的干燥條件進行了優化.擬合分析結果顯示，所得擬合模型具有較好的顯著性.在此基礎上，對膜的干燥工藝進行優化，得出膜厚度0.52 mm、干燥溫度59.8 ℃、干燥時間7.35 h 時，所得膜的強度最高，對應的膜強度為6.4 kg.膜的可降解性實驗結果顯示，所得膜的降解性較好.

［1］李冰，侯綱，常亞芳，等.淺議秸稈的綜合利用［J］.環境衛生工程，2004，12(4):234－236.

［2］趙學平，陸遷.控制農戶焚燒秸稈的激勵機制探析［J］.華中農業大學學報(社會科學版)，2006，26(5):69－72+82.

［3］趙永清，唐步龍.農戶農作物秸稈處置利用的方式選擇及影響因素研究——基于蘇、皖兩省實證［J］.生態經濟(學術版)，2007，2(2):244－246 +264.

［4］張 ，楊婷，侯小強，等.利用秸稈粉制作肉用易降解包裝膜的研究［J］.成都大學學報(自然科學版)，2014，33(4):320－324.