可食膠粘劑制備工藝的優化

姚瑞玲

（四川工商職業技術學院，成都 都江堰 611830）

市場上常見的食用膠有明膠、卡拉膠、黃原膠、瓜爾豆膠、海藻酸鈉、糯米膠、魚鰾膠等，這些食用膠在某些食品生產和包裝中起到膠粘劑的作用，但由于黏度低、耐水性差、固化速度慢、拉伸強度不達標等原因，它們更多時候是作為增稠劑使用的[1-6]。上述食用膠中，只有魚鰾膠具有較大的黏度，能夠很好地起到膠粘劑的作用，但是魚鰾膠是一種昂貴的中藥[7]，僅作為膠粘劑使用不僅性價比差，還浪費藥物資源。在兒童食品、兒童用品包裝、兒童玩具粘合等產業中，可食膠粘劑具有廣闊的市場前景，然而市場中仍未出現可食用的膠粘劑商品，因此開發高性能可食膠粘劑成為一個急需解決的問題。糯米粉中的淀粉以支鏈淀粉為主，具有不易聚沉、抗剪切力強的特征[8]；魔芋粉經糊化交聯后，可提升其粘合力與穩定性[9]；在膠粘劑中加入適量的干酪素可以提高膠粘劑的流動性和耐水性[10]。鑒于以上材料特征，本試驗以糯米粉、魔芋粉、干酪素為試材，制備高性能的可食膠粘劑，以期為相關研究和產業提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

糯米粉、魔芋粉為自制。糯米粉制備方法：將淘洗過的糯米用蒸餾水浸泡2 h，瀝干水分，放入真空冷凍干燥機干燥后進行超微粉粹；魔芋粉制備方法：將魔芋切成2mm厚的薄片，淘洗過后用蒸餾水浸泡30min，瀝干水分，放入真空冷凍干燥機干燥后進行超微粉粹；糯米粉和魔芋粉粉碎后過200目網篩，所得細粉即為糯米粉和魔芋粉。

干酪素（化學純），天津光復精細化工研究所產品。

1.1.2 儀器與設備

LGJ-FD型真空冷凍干燥機，河南兄弟儀器設備有限公司產品；ST-528型超微粉碎機，江蘇賽特電器有限公司產品；HH-4型恒溫水浴鍋，邦西儀器科技有限公司產品；NDJ-5S/8S型單圓筒旋轉黏度計，廣州鐫恒儀器設備有限公司產品；BSM-220型電子天平，上海卓精電子科技有限公司產品；MS-H-ProT型磁力攪拌器，大龍興創實驗儀器有限公司產品；2425C型拉伸強度試驗機，廈門群隆儀器有限公司產品。

1.2 方法

1.2.1 膠粘劑的制備

準確稱取定量的糯米粉、魔芋粉加入500 mL沸騰蒸餾水中，于95℃水浴中糊化20 min。干酪素按照設定比例加入到糊化后的淀粉乳中，在80℃條件下恒溫攪拌，邊攪拌邊蒸騰多余水分，直至混合物可以拉絲。此混合物為所得膠黏劑。

1.2.2 單因素試驗設計

根據膠黏劑的制備方法，分別調整糯米粉質量分數為2%、6%、10%、14%、18%、22%（魔芋粉和干酪素質量分數固定為10%和5%），魔芋粉質量分數為2%、6%、10%、14%、18%、22%（糯米粉和干酪素質量分數固定為10%和5%）和干酪素質量分數為1%、2%、3%、4%、5%、6%（糯米粉和魔芋粉質量分數均固定為10%）進行單因素試驗，確定單因素對膠黏劑性能指標的影響。

1.2.3 正交試驗設計

將糯米粉質量分數、魔芋粉質量分數、干酪素質量分數三個自變量分別標記為A、B、C，自變量的因素水平用-1、0、1進行編碼，根據單因素試驗結果，設計正交試驗的因素和水平（表1）。

表1 正交試驗因素水平及編碼Table 1 Factor levels and coding of the orthogonal test

1.2.4 測定項目與方法

1.2.4.1 黏度

參照GB/T 2794—2013《膠黏劑黏度的測定》[11]進行測定。

1.2.4.2 拉伸強度

參照GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的測定》[12]以10 cm/min的拉伸速率檢測膠膜的拉伸強度。

1.2.4.3 固化速度檢測

參照GB/T 14074—2006《木材膠粘劑及其樹脂檢驗方法》[13]進行測定。

1.2.4.4 耐水性

參照文獻[14]略作修改。稱取干燥至恒重的等量膠粘劑，質量記為m1，浸泡于自制蒸餾水中6 h，取出瀝干表面水分，稱重并記質量為m2，通過式（1）計算吸水率。

1.2.5 性能指標綜合分計算及數據處理方法

試驗中可食膠粘劑主要性能指標（黏度、拉伸強度、固化速度、吸水率）的總分由主成分分析法結合模糊綜合評價來確定。主成分分析法在降維的過程中，保留原始數據信息的同時將數據從高維度降到低維度，最后根據方差貢獻率確定各項性能指標的權重[15]。在實際應用中，利用主成分分析法可以化繁為簡，將相互影響的性能指標參數用降維后的綜合指標代替。本文通過SPSS22軟件對試驗數據進行主成分分析，以確定可食膠粘劑各綜合指標權重。

應用模糊綜合評價法[16]將可食膠粘劑的4個指標進行模糊交換，從而獲得各項指標的隸屬度。模糊函數隸屬度按公式（2）、（3）計算。在制備過程中，黏度、拉伸強度為正效應，其值越大越好，因此按（2）式進行計算。固化速度影響施膠效率，一般情況下固化時間越短效率越高，膠粘劑的耐水性取決于吸水率大小，較小的吸水率具有更好的耐水性，因此固化時間和吸水率也為負效應，其隸屬度均按照公式（3）計算。

式中：P為隸屬度，Ai、Amin、Amax分別為指標值、指標最小值和指標最大值。

獲得可食膠粘劑各項指標權重及隸屬度后，將相應數據代入公式（4）計算綜合分：

式中：S為膠黏劑性能指標總分；P1為黏度隸屬度；P2為拉伸強度隸屬度；P3為固化速度隸屬度；P4為吸水率隸屬度。a為黏度權重；b為拉伸強度權重；c為固化速度權重；d為吸水率權重。

應用Excel 2013進行單因素試驗數據分析。應用Design-Expert V8.0.6.1軟件進行多元回歸擬合和響應面分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 糯米粉質量分數對可食膠粘劑性能指標的影響

由圖1可知，隨著糯米粉質量分數的增加，可食膠粘劑黏度先升高后降低，但糯米粉質量分數為10%、14%、18%時，黏度變化的差異并不顯著。10%、14%的糯米粉質量分數均可使可食膠粘劑獲得較好的黏度和拉伸強度。固化速度先迅速降低后保持平穩，固化速度是影響施膠效率的主要因素，品質優秀的膠粘劑一般具有較快的固化速度[17]。當糯米粉質量分數為10%時，固化速度最快。無論糯米粉質量分數為多少，可食膠粘劑的吸水率都處于高水平狀態，說明可食膠粘劑的防水性能并不好，這是因為僅把淀粉糊化后作為膠水使用時，它的粘接力度和耐水性都比較差，需要對其進行進一步改性以優化品質。根據試驗結果，選擇10%的糯米粉質量分數為最優條件進行后續試驗。

2.1.2 魔芋粉質量分數對可食膠粘劑性能指標的影響

由圖2可知，魔芋粉質量分數對可食膠粘劑4項性能指標的影響與糯米粉相似，這是由于糯米粉和魔芋粉中大部分的淀粉是相同的，具有同樣的理化性質，兩者對可食膠粘劑性能影響的差異主要是由小部分不同類型的淀粉決定的[18-19]。根據圖2顯示的結果，選擇10%的魔芋粉質量分數為最優條件進行后續試驗。

2.1.3 干酪素質量分數對可食膠粘劑性能指標的影響

由圖3可知，在試驗范圍內，隨著干酪素質量分數的增加，可食膠粘劑的黏度、拉伸強度呈現上升的趨勢，而固化所需時間和吸水率呈先下降后穩定的趨勢。5%、6%的干酪素質量分數對黏度、拉伸強度、吸水率三項指標的影響差異并不顯著，干酪素質量分數5%時，固化速度更快。結合成本因素，5%的干酪素質量分數是最優條件，后續試驗以此比例為基礎。

2.2 正交試驗結果

2.2.1 指標隸屬度及權重確定

將實際測定值應用公式（2）、（3）進行模糊轉換，即可得到可食膠粘劑4項性能指標綜合評判的隸屬度模糊矩陣，結果如表2所示。

將表2中的18組模糊矩陣數值應用SPSS 22進行主成分分析，所得方差貢獻率為各個主成分的權重（表3）。相關系數為四項性能指標模糊矩陣X1、X2、X3、X4轉換后對各主成分的貢獻率。所得數據帶入式（4）計算可食膠粘劑總分。

表2 單因素試驗實測值和模糊矩陣Table 2 Test data and fuzzy matrix of the single factor experiment

表3 主成分分析結果Table 3 Results of the principal component analysis

2.2.2 回歸方差的建立及方差分析

以性能指標總分為響應值，在單因素試驗基礎上，選擇糯米粉質量分數(A)、魔芋粉質量分數(B)和干酪素質量分數(C)進行3因素3水平的Box-Behnken試驗，共計17組試驗，試驗設計和結果如表4所示。

應用Design-Expert V8.0.6.1軟件對表4中的試驗結果進行分析，并進行多元回歸擬合，得到可食膠粘劑總分對糯米粉質量分數、魔芋粉質量分數和干酪素質量分數的二次多項回歸模型方程：

表4 Box-Behnken試驗設計與結果Table 4 Box-Behnken test design and results

表5 回歸模型方差分析Table 5 Variance analysis of the regression mode

式中：Y為可食膠粘劑的總分，A、B、C分別為糯米粉質量分數、魔芋粉質量分數和干酪素質量分數。對所建立的模型進行方差分析并檢驗其顯著性，結果如表5 所示。由表 5 可知，A、AC、A2、C2對可食膠粘劑總分的影響達到極顯著（P＜0.01），BC的影響為顯著水平（P＜0.05）。由二次多項回歸模型可知，A為正顯著，AC、BC、A2、C2呈負顯著。綜合分對3個考察因素的敏感程度依次為：A糯米粉質量分數＞B魔芋粉質量分數＞C干酪素質量分數。模型中二次項系數以負值為主，表明該模型拋物面開口向下，有極大值點。試驗模型回歸方程P＜0.000 1，說明回歸方程極顯著，失擬項P=0.241 9，模型失擬度不顯著。模型預測值與實際值相關系數R2=0.983 5，說明模型具有較好的預測性，響應值與自變量具有顯著的線性關系[20]。模型校正決定系數R2adj=0.962 4，說明96.24%響應值的變化均可用該模型解釋[21]。變異系數僅為3.76%，處于較低水平，說明試驗具有較好的重復性，模型具有較高的可信度[22]。

2.2.3 響應面分析

利用Design-Expert V8.0.6.1軟件可獲得回歸模型及相應的響應面圖。回歸模型可以預測可食膠粘劑的最佳工藝條件，響應面圖（圖4）能夠直觀地反映各因素交互作用對可食膠粘劑綜合分的影響。

由圖4A可知，沿著魔芋粉質量分數的響應面比較平坦，幾乎沒有坡度，說明糯米粉質量分數相同時，改變魔芋粉質量分數對可食膠粘劑總分的影響較小[23]；魔芋粉質量分數相同時，隨著糯米粉質量分數的增加，可食膠粘劑總分先緩慢增大后緩慢下降。因此，在試驗范圍內，可以獲得評分最高的可食膠粘劑，沿著糯米粉質量分數的變化，等高線更加密集，說明糯米粉質量分數的不同對可食膠粘劑總分有較大的影響[24]。由圖4B可知，由糯米粉質量分數和干酪素質量分數形成的等高線呈橢圓形，說明兩者具有顯著的交互作用[25]。響應面圖顯示，當糯米粉質量分數較低時，提高干酪素質量分數能夠迅速改善可食膠粘劑的性能，提高其總分；當糯米粉質量分數較高時，高壓線密集程度降低，說明干酪素質量分數的不同對可食膠粘劑總分的影響減弱。由圖4C可知，無論濃度高低，當干酪素質量分數固定時，魔芋粉質量分數的改變引起的響應面波動都很小，說明魔芋粉質量分數對可食膠粘劑總分影響較小，可食膠粘劑總分在干酪素質量分數5%附近可以獲得極大值。

2.3 驗證試驗

經線性回歸得到各因素對響應值的二次回歸方程，由方程分析獲得可食膠粘劑的最佳工藝配比為：糯米粉質量分數9%，魔芋粉質量分數10%，干酪素質量分數6%，此時可食膠粘劑總分預測值為1.00。在此條件下，進行5次平行試驗，實測可食膠粘劑總分平均為0.984 5，與預測值非常接近，預測值與真實值的對比充分說明本方法可以用少量試驗預測各因素之間的交互作用以及交互作用對產品性能的影響，所建模型可用于優化該可食膠粘劑的制備工藝。

3 結論

為獲得材料易得、工藝簡單、制備方便、質量優良的可食膠粘劑，本文在單因素基礎上采用響應面法優化可食膠粘劑制備工藝，得到最佳制備條件為：糯米粉質量分數9%，魔芋粉質量分數10%，干酪素質量分數6%。此條件下，可制得性能總分為0.984 5的可食膠粘劑，所得膠粘劑綜合評分與預測值僅相差1.55%，說明優化工藝是可行的。