基于響應面法優化殼聚糖–卡拉膠可食性復合膜制備工藝

張抒愛，郭 芳，周銘懿，李丹丹，張 振，郭雪松

（錦州醫科大學，遼寧 錦州 121000）

隨著人們健康意識逐漸增強，對食品包裝安全性的需求及標準也越來越高。與傳統的塑料薄膜不同，可食性復合膜的安全性更高，并且具有可生物降解以及可再生性，更加符合綠色環保的發展需求，同時起到阻隔外界物質進入的作用，因此在食品包裝領域受到廣泛關注[1-2]。可食性膜是以自然界中可食性材料為主要成膜物質（如殼聚糖、淀粉、卡拉膠等），通過添加含烴基或氨基的化合物（甘油、山梨醇等）為增塑劑制備的薄膜[3]。研究表明，單一的可食膜存在著一些性能（阻隔性能、機械性能等）不足的問題，影響了膜的應用范圍，使其應用受到局限。為了增強膜的綜合性能，很多學者將兩種及以上的成膜材料共混改性，按照不同的添加量及比例復配，結合不同成膜材料的特性，改善單一成膜材料性能缺陷，從而得到一款具有優良性能的復合膜[4]。Sánchez-González 等[5]為了提高膜的綜合性能制備了復合膜，羅寧寧[6]研究了殼聚糖–肉桂精油可食性膜，Wu等[7]制備了銀鯉皮明膠–牛至精油復合膜，結果表明復合膜的性能均優于單一膜。

卡拉膠（KC）是從海洋紅藻中提取的天然多糖，不僅具有優良凝膠性、且無毒無害可食用，同時還具有較好成膜性[8]。殼聚糖（CS）來源廣泛，是天然的堿性氨基多糖，具有一定抑菌功能及良好的生物兼容性，近幾年來更因其優良的成膜性，即可以在食品表面形成一層保護膜，被廣泛應用于食品的涂膜保鮮[9]。茶多酚（TP）是從茶葉中提取的多酚物質，具有優良的抗氧化、廣譜抑菌性，此外更因其獨特的清除異味功能可作為一種天然功能添加劑注入到復合膜液中[10]。Qin等[11]、成淑君等[12]將 TP和肉桂精油加入到殼聚糖膜中，所制得的膜具有抑菌性能。鐘樂等[13]利用響應面法優化明膠–殼聚糖可食性復合膜的制備所制膜的透明度、光澤度、及物理性能等表征均為良好。單一殼聚糖膜存在機械性能不足和抗氧化性相對較差的缺點，而茶多酚具有抗氧化性。目前將殼聚糖、卡拉膠與茶多酚復合，研究其性能及制備工藝還未見報道。

本實驗將殼聚糖、卡拉膠和茶多酚共混，并加以響應面分析優化，以期制備出適用性更廣的可食性復合膜，彌補單一殼聚糖或卡拉膠膜的性能缺陷，提高膜的綜合性能，茶多酚的添加還可增強膜的抑菌性及抗氧化性，為擴大其在食品保鮮等領域的應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 實驗材料

殼聚糖、丙三醇、無水氯化鈣：國藥集團化學試劑有限公司；茶多酚、卡拉膠：食品級，沃佳生物科技有限公司；冰醋酸：分析純，上海麥克林生化科技有限公司。

1.1.2 主要儀器與設備

質構儀，TMS-PRO型：北京盈盛恒泰科技有限公司；電子數顯測厚規，SYNTEK-59防油型：浙江德清公司；紫外可見分光光度計，752N型：上海儀電分析儀器有限公司；超聲波清洗器，CJ-040型：深圳市超潔科技實業有限公司；電熱鼓風干燥箱，DHG-9030A型：上海一恒儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 殼聚糖–卡拉膠復合膜制備制備工藝流程

稱取一定量的殼聚糖溶解于 1%冰醋酸溶液中+一定量的卡拉膠和茶多酚→攪拌加入甘油→40 ℃磁力攪拌1 h直至溶液完全溶解→超聲脫氣1 h直至氣泡消除→靜置冷卻至室溫→取一定量的膜液倒入一次性培養皿中流延成膜（25 mL）→50 ℃干燥 6 h→接膜→恒溫恒濕培養箱平衡12 h→貯存待測。

1.2.2 單因素實驗設計

1.2.2.1 殼聚糖不同添加量對殼聚糖–卡拉膠復合膜性能的影響 固定卡拉膠添加量0.6 g、茶多酚0.6 g、甘油0.6 g，改變殼聚糖添加量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%），按1.2.1制膜工藝制備復合膜，并測定其性能。

1.2.2.2 卡拉膠不同添加量對殼聚糖–卡拉膠復合膜性能的影響 固定殼聚糖添加量1.5 g、茶多酚0.6 g、甘油0.6 g，改變卡拉膠添加量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%），按1.2.1制膜工藝制備復合膜，并測定其性能。

1.2.2.3 甘油不同添加量對殼聚糖–卡拉膠復合膜性能的影響 固定殼聚糖添加量1.5 g、卡拉膠0.6 g、茶多酚添加量 0.6 g，改變甘油添加量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%），按1.2.1制膜工藝制備復合膜，并測定其性能。

1.2.3 響應面法優化

根據單因素實驗結果，利用Design-Expert軟件，按照Box-Behnken實驗設計，以殼聚糖、卡拉膠、甘油添加量為考察因子，水蒸氣透過率為考察指標，制定3因素3水平的響應面實驗，每個實驗做三個平行，測定各個指標并進行工藝優化。因素水平表為表1。

表1 Box-Behnken試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Benlmke %

1.2.4 復合膜的性能測試

1.2.4.1 膜厚度測試 參考 GB/T 6672—2001《塑料薄膜與薄片厚度的測定機械測量法》[14]。用電子數顯測厚規在表面光滑的膜上選取七個（中心一個點周圍六個點）測試點取平均值，記為D。（測量精度為0.001 mm）

1.2.4.2 膜不透明度測試 參照 SHOJAEEALIABADI 等[15]方法并略加修改，將薄膜剪切成1 cm × 4.5 cm的長條形，放入烘干箱干燥后取出，將其固定在比色皿內壁。用空氣比色皿作為空白對照組，在660 nm波長下用分光光度計測定吸光值。每個樣品測3個平行，取平均值。按公式（1）計算不透明度。

式中：A660—波長660 nm下吸光值；D—薄膜厚度，mm。

1.2.4.3 膜水蒸氣透過率（WVP）測試 參照Kurt A等[16]的擬杯式法并加以適當修改。將無水氯化鈣研磨，放入烘干箱干燥至恒重，取出冷卻至室溫備用（相對濕度0%）。在玻璃干燥器底部加入蒸餾水（維持相對濕度為100%），將待測膜密封覆蓋在裝滿氯化鈣的小三角瓶（25 mL）瓶口，稱重后將其置于事先準備好的干燥器中，然后移入25 ℃的氣候培養箱中，每隔6 h將三角瓶取出稱重，連續測4次（精準到0.000 1）。按公式（2）計算水蒸氣透過率（WVP）。

式中：m—三角瓶增加重量，g；t—時間，s；A—薄膜透水有效面積，m2；D—薄膜厚度，m；ΔP—薄膜兩側水蒸氣壓力差，（25 ℃，3 169 Pa）。

1.2.4.4 膜機械性能測試 參考 ASTM D882標準并稍作修改。將膜裁成5 cm×1.5 cm的長條形，在TMS-Pro質構儀上選擇薄膜拉伸試驗程序進行測定，設定參數：起始夾距為20 mm，拉伸速率為60 mm/min，每組樣品測量6條，最終結果取其平均值。按公式（3）、（4）計算拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（EB）

式中：Fmax—樣品斷裂時的力，N；A—膜的橫截面積（膜厚度乘以膜寬度），mm2。

式中：L—樣品斷裂時的長度，m；L0—樣品的初始長度，m。

1.3 數據處理

作圖和數據分析分別采用Excel和SPSS 19.0，顯著性（P＜0.05），響應面實驗設計及數據分析采用軟件Design-Expert 8.0.6。

2 結果與分析

預實驗結果顯示，隨著茶多酚添加量（0.2%～1.0%）的增加，水蒸氣透過率先降低再增大，制備的復合膜顏色逐漸加深，由淺黃色變為深黃色，b*值由 10.25增加到 21.44（b*代表黃藍程度），ΔE由5.69增加到14.37。同時，當茶多酚添加量達到0.6%時，膜的拉升強度降低，綜合考慮復合膜的感官品質及其性能，本實驗確定茶多酚的添加量為0.6%。

2.1 殼聚糖添加量對復合膜性能的影響

由表2可知，隨著殼聚糖含量的增加，膜的厚度逐漸升高，殼聚糖添加量為0.5%時，膜的厚度只有0.033 mm左右，此時膜軟且不易接膜。復合膜的不透明度逐漸降低，不透明度的值越小表示膜的透光性越好。膜的斷裂伸長率也逐漸降低，這可能是因單一殼聚糖膜質脆，殼聚糖添加量越多越偏向殼聚糖膜的性質。水蒸氣透過率和拉升強度都逐漸升高，可能是因為殼聚糖本身是親水物質還會與其他分子形成氫鍵，互相產生作用力[17]。當殼聚糖添加量為2.0%時拉升強度達到最大，但是水蒸氣透過率達到 2.71。故綜合考慮，殼聚糖添加量選擇1.5%。

表2 殼聚糖添加量對復合膜性能影響Table 2 Effect of chitosan addition on properties of composite membrane

2.2 卡拉膠添加量對復合膜性能的影響

由表3可知，卡拉膠的添加量會影響膜的性能變化。隨著卡拉膠含量的添加，會使膜的透光性越來越好，膜的厚度、拉升強度和水蒸氣透過率都是呈遞增趨勢，且當卡拉膠添加量為 0.8%時，三個指標都達到最大值。這是因為卡拉膠是天然高分子，含有很多烴基，它的加入會提高氫鍵之間的相互作用力，增強分子間相互作用。當添加量為1%時，拉升強度略微降低，可能是分子間的氫鍵作用受到一定影響，從而致使膜拉升強度減小。且卡拉膠添加量過多的成膜液會比較粘稠，使其流動性減小，不利于自然流動成膜。因此，綜合考慮，選擇卡拉膠添加量0.4%。

表3 卡拉膠添加量對復合膜性能影響Table 3 Effect of carrageenan addition on properties of composite membrane

2.3 甘油添加量對復合膜性能的影響

由表4可知，當甘油添加量為1.0%時，膜的厚度達到所有組合的最大值0.120 mm。隨著甘油添加量的增加，膜的不透明度逐漸降低，說明甘油的加入會增加分子間的空隙使膜厚度增大，透光率增大。膜的斷裂伸長率和水蒸汽透過率也隨之逐漸增大，這是由于甘油本身為親水物質，且相對分子質量較小，很容易進入分子內部與多糖形成新的網絡，從而使分子之間的相互作用力減弱，進一步使分子鏈的流動性及其自由體積得以增大，水分擴散的能力和柔韌性得到增強[18]。水蒸氣透過率是衡量膜阻水性能的參考指標，其值越小表示阻水性能越好，綜合考慮，選擇甘油添加量0.6%。

表4 甘油添加量對復合膜性能影響Table 4 Effect of glycerol addition on properties of composite membrane

2.4 響應面實驗結果與分析

2.4.1 響應面回歸方程建立與分析

采用軟件對表5實驗結果分析得到WVP=1.38–0.051A–0.049B–0.057C+0.080AB+0.13AC+0.19BC+0.27A2+0.23B2+0.30C2的二次多元回歸方程，和表6方差分析結果。由表6可知，該模型P＜0.000 1，達到極顯著水平，失擬P=0.700 3＞0.05，不顯著，說明模擬效果良好。且相關系數R2為 0.987 8，為0.972 0，說明此模型可以解釋97.20%的響應值變化，方程擬合度較好。可以用來對殼聚糖–卡拉膠復合膜進行優化分析和預測。且影響因素C（甘油添加量）＞A（殼聚糖添加量）＞B（卡拉膠添加量）。

表5 Box-Behnken實驗設計與結果Table 5 Box-Behnken experiment design and corresponding results

表6 回歸模型方差分析Table 6 ANOVA for response surface quadratic model

2.4.2 響應曲面與等高線分析

在甘油添加量為0.6%時，殼聚糖添加量與卡拉膠添加量對水蒸氣透過率的交互作用如圖 1，隨著殼聚糖和卡拉膠添加量增加，水蒸氣透過率先降低后上升。在卡拉膠添加量為0.4%時，殼聚糖添加量和甘油添加量對水蒸氣透過率的交互作用如圖 2。隨著殼聚糖和甘油添加量的增加，響應面趨勢先降低后上升。在殼聚糖添加量為1.5%時，卡拉膠和甘油添加量對水蒸氣的交互作用如圖 3，增加卡拉膠和甘油添加量，水蒸氣透過率達到最低后又上升。圖 1(b)、圖 2(b)、圖 3(b)的等高線輪廓都比較接近圖橢圓，表明它們之間對水蒸氣的透過率有交互影響。且甘油和卡拉膠添加量的相互作用對水蒸氣透過率的影響更顯著。

圖1 殼聚糖添加量、卡拉膠添加量對水蒸氣透過率的影響Fig.1 Effects of chitosan and carrageenan on water vapor transmission

圖2 殼聚糖添加量、甘油添加量對水蒸氣透過率的影響Fig.2 Effects of and glycerol on water vapor transmission

圖3 卡拉膠添加量、甘油添加量對水蒸氣透過率的影響Fig.3 Effects of carrageenan and glycerol on water vapor transmission

2.4.3 最優工藝參數確定及驗證

通過Design-Expert 8.0.6.1軟件進行分析與優化，確定最佳配比為殼聚糖1.5%、卡拉膠0.4%、甘油 0.6%（為方便制備已取整數）。在此工藝下三次重復實驗，測定復合膜的水蒸氣透過率，測定的平均值為 1.38（10–11g/m·s·Pa）。接近預測值1.37（10–11g/m·s·Pa），表明該模型可靠。同時，此時的復合膜的厚度為 0.050 mm，拉伸強度為31.21 MPa，斷裂伸長率為 41.34%，對比單一殼聚糖膜的厚度略有提升，機械和阻水等綜合性能得到提高，說明該模型能優化成膜工藝。

3 結論

本實驗將殼聚糖與卡拉膠、茶多酚混合，采用流延法制備殼聚糖–卡拉膠復合膜。通過響應面實驗優化了最佳成膜工藝，最佳工藝為殼聚糖1.5%、卡拉膠0.4%、甘油0.6%、茶多酚0.6%，此時的可食性復合膜的綜合性能得到改善，機械性能和阻水性能都優于單一殼聚糖膜，彌補了單一殼聚糖膜質脆和阻水性能差的缺點，且滿足綠色環保的需求，為其在食品保鮮及其他領域應用提供理論依據。后續可從該復合膜的抗氧化性及抑菌性入手，研究其在食品涂膜保鮮對食品品質變化的影響。

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