改性殼聚糖復(fù)合膜的制備及優(yōu)化

李金星，沈春紅，黎先發(fā)

（西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621000）

殼聚糖是一種天然高分子聚合物，具有良好的成膜性和抗菌性，以及許多獨(dú)特的物理化學(xué)特性和生物功能，由于殼聚糖分子間和分子內(nèi)的氫鍵導(dǎo)致溶解性差以及抑菌性不足等影響，使得它的應(yīng)用在一定程度上受到了限制[1]。利用殼聚糖分子中游離的氨基和羥基能進(jìn)行許多化學(xué)反應(yīng)，可以對(duì)殼聚糖進(jìn)行化學(xué)改性，這些衍生物都具有良好的成膜性、吸濕性[2]、粘附性[3]和生物可降解性[4]等。

巰基化殼聚糖，不僅具有殼聚糖本身的優(yōu)異性質(zhì)，還具有良好的水溶性，改善了殼聚糖不溶于水的局限，應(yīng)用范圍更廣，此外其具備強(qiáng)大的粘附性[5-6]且無(wú)生物毒性。殼聚糖上巰基的接入方式有很多，合成方法大都是在殼聚糖的氨基上接含巰基的基團(tuán)。Kast 等[7]將巰基乙酸（TGA）在碳二亞胺的作用下，以共價(jià)方式連接到殼聚糖上，由此制備的巰基化殼聚糖表現(xiàn)出高達(dá)10 倍的粘附性改善，這是通過(guò)在聚合物的伯氨基和TGA 的羧酸基之間形成酰胺鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的；Kafedjiiski 等[8]用S-乙酰硫代亞胺酸異丙酯對(duì)殼聚糖進(jìn)行化學(xué)修飾，通過(guò)硫醇基團(tuán)的固定化，粘液糖蛋白與粘液糖蛋白形成二硫鍵，大大改善了粘液粘附性；王凱麗[9]以生物體內(nèi)唯一含有巰基基團(tuán)的半胱氨酸的乙酰產(chǎn)物N-乙酰-L-半胱氨酸為親水基團(tuán)，對(duì)殼聚糖進(jìn)行改性，合成具有更好粘附性、生物相容性和無(wú)毒副作用的巰基殼聚糖衍生物。盡管進(jìn)行了化學(xué)修飾，但它們?nèi)匀皇强缮锝到獾?，并表現(xiàn)出良好的溶脹行為。巰基化殼聚糖不僅在生物醫(yī)藥方面作為醫(yī)用敷料及藥物載體具有廣闊的前景[10]，在水果保鮮方面，作為新型水果保鮮劑，可制備為固體保鮮劑，也可制備為保鮮液涂膜于水果表面[11]，表現(xiàn)出明顯的保鮮作用。

單一的可食膜存在機(jī)械性能不足以及抑菌效果差等問(wèn)題，在一定程度上限制了應(yīng)用范圍，為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前最常用的方法就是將單一膜進(jìn)行復(fù)合改性，利用物質(zhì)之間的相互作用，提高膜的機(jī)械性能以及抑菌性能。為了提高膜的機(jī)械性能，通常將兩種或兩種以上的多糖、蛋白質(zhì)共混，將不同的成膜材料采用物理或化學(xué)的方法根據(jù)不同的比例復(fù)配，結(jié)合不同成膜材料的優(yōu)點(diǎn)，改善單一成膜材料的性能，從而得到具有優(yōu)良性能的復(fù)合膜材料[12]。結(jié)冷膠是一種帶負(fù)電荷的線性胞外多糖，具有獨(dú)特的凝膠特性和溶液流變學(xué)性質(zhì)[13]，以及良好的生物相容性和降解性。天然結(jié)冷膠主鏈上接有?；?，所形成凝膠柔軟、富有彈性、且黏著力強(qiáng)。此外，結(jié)冷膠膜機(jī)械性能和透明度較好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[14]。結(jié)冷膠作為帶負(fù)電荷的多糖，它可以與殼聚糖等帶相反電荷的聚合物產(chǎn)生聚電解質(zhì)。殼聚糖聚合物本身在低pH 條件下的不穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用，其后果是生物活性化合物比預(yù)期更早釋放。殼聚糖的穩(wěn)定性可通過(guò)與陰離子多糖如結(jié)冷膠的絡(luò)合來(lái)提高，這種陰離子多糖在低pH 下能抑制藥物釋放[15]。Shukla 等[16]以聚乙二醇（PEG）為交聯(lián)劑合成的結(jié)冷膠接枝殼聚糖水凝膠，在藥物包封率、溶脹度、緩釋性能和傷口愈合應(yīng)用方面顯示出巨大的效果。Liu 等[17]制備了殼聚糖纖維接枝結(jié)冷膠水凝膠，含有豐富的極性和親水性氨基，具有較高的活化能，力學(xué)性能和持水性能優(yōu)良，可用于制備支架材料。甘油作為增塑劑對(duì)膜的柔韌性和阻隔性能有重要的影響，增加膜結(jié)構(gòu)的完整性[18]。氯化鈣作為交聯(lián)劑能夠增強(qiáng)膜的機(jī)械性能，提高膜的穩(wěn)定性[19]。鈣離子在植物生長(zhǎng)發(fā)育、成熟衰老等生理生化方面具有重要的作用，用于李[20]、葡萄[21]、梨[22]、棗[23]等水果保鮮中，可保持果實(shí)的硬度，延緩后熟衰老，降低腐爛率、維持果實(shí)品質(zhì)。納他霉素作為抑菌劑，無(wú)臭無(wú)味，對(duì)幾乎所有霉菌和酵母菌具有抑制作用[24]。雖然殼聚糖與結(jié)冷膠的復(fù)配多有研究，常應(yīng)用于生物醫(yī)藥方面[25-26]，而巰基化殼聚糖與結(jié)冷膠復(fù)配制備高性能復(fù)合膜尚未見(jiàn)報(bào)道，因此本研究為巰基化殼聚糖與結(jié)冷膠的復(fù)配在水果保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

本研究以殼聚糖為原料，利用殼聚糖上的氨基與N-乙酰L-半胱氨酸的羧基反應(yīng)脫去一分子水，使兩者鍵合到一起，從而使殼聚糖上連接上巰基，得到巰基化殼聚糖。以巰基化殼聚糖為成膜基質(zhì)，添加結(jié)冷膠、甘油、氯化鈣以及納他霉素，制備機(jī)械性能良好的巰基化殼聚糖復(fù)合膜，為進(jìn)一步研究該復(fù)合膜在水果保鮮中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 食品級(jí)，河南信和生物科技有限公司；結(jié)冷膠、N-乙酰-L-半胱氨酸（NAC）上海麥克林生化科技有限公司；甘油、氯化鈣 分析純，成都市科龍化工試劑廠；納他霉素 食品級(jí)，河南圣斯德實(shí)業(yè)有限公司；6-氯-1-羥基苯并三氮唑（HOBt）、1-（3-二甲基氨丙基）-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽（EDAC）上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

DF-101 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；FreeZone2.5真空冷凍干燥機(jī) 美國(guó)Thermo Electron 公司；C45.504溫控式電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) 美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司；UV-8000S 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海元析儀器有限公司；艾瑞澤數(shù)顯千分尺 青島易購(gòu)五金工具有限公司；DHG-9145A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；KQ5200B 超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 巰基化殼聚糖的制備 參考王凱麗[9]巰基化殼聚糖的制備方法。

1.2.2 巰基化殼聚糖中巰基含量的測(cè)定 參考王凱麗[9]巰基化殼聚糖中巰基含量的測(cè)定方法。

1.2.3 單一膜及巰基化殼聚糖復(fù)合膜的制備 通過(guò)溶液流延法制成。單一殼聚糖膜的制備，將0.2 g 殼聚糖置于100 mL 去離子水中，攪拌至溶解，得到殼聚糖膜液，然后超聲脫氣30 min，取20 mL 殼聚糖膜液傾倒在90 mm 的培養(yǎng)皿中流延成膜，在30～50 ℃烘箱中烘干6 h，揭膜，得到單一殼聚糖膜。單一巰基化殼聚糖膜的制備與單一殼聚糖膜制備方法相同。巰基化殼聚糖復(fù)合膜的制備，將結(jié)冷膠置于100 mL 去離子水中加熱溶解，再加入巰基化殼聚糖，攪拌，完全溶解后，再加入甘油、氯化鈣和納他霉素，攪拌均勻，得到混合溶液，超聲脫氣，復(fù)合膜液流延成膜，在30～50 ℃烘干6 h，揭膜，得到復(fù)合膜。

1.2.4 膜性能的測(cè)定 膜厚度的測(cè)定參考GB/T 6672-2001《塑料薄膜與薄片厚度的測(cè)定機(jī)械測(cè)量法》；膜透光率的測(cè)定參考文獻(xiàn)[27]；膜水蒸汽透過(guò)率的測(cè)定參考文獻(xiàn)[28]；膜機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率）的測(cè)定參考GB/T 1040.1-2018 塑料 拉伸性能的測(cè)定的方法，用溫控式電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定。

1.2.5 單因素實(shí)驗(yàn) 以結(jié)冷膠、甘油、氯化鈣和納他霉素的添加量為單因素。固定基礎(chǔ)膜液為添加0.2 g巰基化殼聚糖膜液，研究不同添加量的結(jié)冷膠（0、0.05、0.10、0.15、0.20 g）、甘油（0、0.25、0.50、0.75、1.00 g）、氯化鈣（0、0.3、0.6、0.9、1.2 g）、納他霉素（0、0.01、0.05、0.10、0.15 g）對(duì)巰基化殼聚糖復(fù)合膜綜合性能的影響。添加每種因素時(shí)，其他因素固定值如結(jié)冷膠為0.10 g，甘油為0.50 g，氯化鈣為0.60 g，納他霉素為0.05 g；單因素實(shí)驗(yàn)得出最佳添加量后，以最佳添加量進(jìn)行添加。

1.2.6 響應(yīng)面試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

1.2.6.1 PB 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以拉伸強(qiáng)度為響應(yīng)值，確定結(jié)冷膠、甘油、氯化鈣和納他霉素這四個(gè)因素對(duì)巰基化殼聚糖薄膜綜合性能影響的重要性，進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 Plackett-Burman 實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Factors level and coding of Plackett-Burman test

1.2.6.2 最陡爬坡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)PB 試驗(yàn)及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)顯著因素效應(yīng)值進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)，根據(jù)顯著因素一次項(xiàng)的系數(shù)，正系數(shù)逐漸遞增確定變化范圍；負(fù)系數(shù)逐漸遞減確定變化范圍；能夠快速經(jīng)濟(jì)的逼近最佳添加量區(qū)域，根據(jù)最陡爬坡實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的中心點(diǎn)[29]。

1.2.6.3 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果，以拉伸強(qiáng)度（Y）為響應(yīng)值，利用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面旋轉(zhuǎn)中性組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)因素選取三個(gè)水平，根據(jù)Design Expert 實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合，分析選取因素的主效應(yīng)和交互作用，然后分析確定結(jié)冷膠、甘油、氯化鈣和納他霉素的最佳添加量，實(shí)驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)如表2 所示。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)Table 2 Response surface factors and levels

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS Statistic17.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析；采用Design-Expert 8.0.6 軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 巰基化殼聚糖的巰基含量

通過(guò)Ellman’s 試劑法得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為A=2.5501C+0.0539（A 為吸光度，C 為巰基濃度μmol/mL）；決定系數(shù)R2=0.9984。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到，巰基化殼聚糖中巰基含量為156.11 μmol/g，表明殼聚糖經(jīng)過(guò)巰基化改性成功接入了巰基基團(tuán)。巰基化殼聚糖可直接溶于水，與結(jié)冷膠混合，可進(jìn)行下一步研究。

2.2 單一膜力學(xué)性能的測(cè)定

單一殼聚糖膜拉伸強(qiáng)度為0.928 MPa，但斷裂伸長(zhǎng)率僅為5.91%；單一巰基化殼聚糖膜拉伸強(qiáng)度為0.350 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為14.47%。由結(jié)果可知，單一的殼聚糖膜及巰基化殼聚糖膜的力學(xué)性能相對(duì)較差，需要進(jìn)一步改性以提高其力學(xué)性能。

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 結(jié)冷膠添加量對(duì)復(fù)合膜性能的影響 由表3可知，隨著結(jié)冷膠含量的增大，拉伸強(qiáng)度不斷增加，然而當(dāng)結(jié)冷膠添加量為0.20 g 時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降，推測(cè)可能因結(jié)冷膠添加過(guò)多，膜液過(guò)于粘稠，不易流延成膜，導(dǎo)致膜的厚度不均勻，拉伸強(qiáng)度不佳，這與李夢(mèng)琦等[30]研究結(jié)果類似；其斷裂伸長(zhǎng)率稍有降低，差異不明顯；水蒸汽透過(guò)率逐漸降低，這可能是由于結(jié)冷膠與其他復(fù)合物之間形成了致密的結(jié)構(gòu)，膜的自由體積減少，水分?jǐn)U散困難，從而使膜阻水性增強(qiáng)。由表3可看出結(jié)冷膠添加量為0.15 g 時(shí)，復(fù)合膜的機(jī)械性能整體較好。因此，結(jié)冷膠的添加量以0.15 g 為最佳。

表3 結(jié)冷膠添加量對(duì)膜性能的影響Table 3 Effect of gellan addition amount on film performance

2.3.2 甘油添加量對(duì)復(fù)合膜性能的影響 由表4 可知，隨著甘油添加量的增加，膜的力學(xué)性能增強(qiáng)，因?yàn)楦视妥鳛橐环N含有多羥基親水基團(tuán)的小分子，具有較強(qiáng)的親水性，其分子內(nèi)部的羥基與殼聚糖分子中的羥基結(jié)合形成鏈間氫鍵，從而減少殼聚糖分子內(nèi)部間的作用力，改善柔化了巰基化殼聚糖的剛性結(jié)構(gòu)，使膜更加柔軟，增加其柔韌性，所以斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，而復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度先增大后逐漸減小[31]。隨著甘油濃度的增加，膜的溶脹度降低，水蒸汽透過(guò)率逐漸增加，這可能是因?yàn)楦视头肿拥募尤?，膜的結(jié)構(gòu)變得松散且由于甘油分子在基質(zhì)中不易揮發(fā)，增加了膜的極性從而增大膜的透水能力[32]。

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

此外，隨著甘油濃度的增加，膜的透光率先增加后減小。因此，當(dāng)甘油添加量高于0.5 g 時(shí)，膜開(kāi)始變得十分軟黏，相應(yīng)拉伸強(qiáng)度明顯減小，再綜合考慮膜的溶脹度和水蒸汽透過(guò)率，故選取甘油添加量為0.5 g 為宜。

2.3.3 氯化鈣添加量對(duì)復(fù)合膜性能的影響 由表5可知，隨著氯化鈣濃度的增加，膜的拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率均先增加后減小；當(dāng)氯化鈣添加量增加到0.3 g時(shí)有最大值，這可能是因?yàn)槁然}作為交聯(lián)劑，使復(fù)合膜中的大分子連接更為緊密，分子鏈間的交聯(lián)密度增大從而使其機(jī)械強(qiáng)度提高[33]。但氯化鈣超過(guò)一定濃度，使得交聯(lián)濃度過(guò)大，反而減小膜的延展性，變得硬脆，同時(shí)鈣離子游離于膜中，拉伸強(qiáng)度降低。

表5 氯化鈣添加量對(duì)膜性能的影響Table 5 Effect of calcium chloride addition amount on film performance

隨著氯化鈣濃度的增加，復(fù)合膜的水蒸汽透過(guò)率逐漸降低；膜的透光率隨著氯化鈣濃度增加而減小，因?yàn)殡S著氯化鈣濃度的增加，厚度逐漸增大，使得透光率逐漸減??；氯化鈣交聯(lián)使得膜的親水性降低，并形成不溶于水的凝膠，氯化鈣作為交聯(lián)劑會(huì)提高透水性，從而降低阻濕性，不利于食品的貯藏保鮮。

綜上分析，氯化鈣作為交聯(lián)劑，可以明顯地改善膜的機(jī)械性能，但氯化鈣濃度過(guò)高，反而會(huì)降低膜的力學(xué)性能，綜合各性能分析，選取氯化鈣添加量為0.3 g 為宜。

2.3.4 納他霉素添加量對(duì)復(fù)合膜性能的影響 結(jié)果如表6 所示。

表6 納他霉素添加量對(duì)膜性能的影響Table 6 Effect of natamycin addition amount on film performance

由表6 可知，納他霉素的添加對(duì)于膜的機(jī)械性能無(wú)顯著影響，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨著納他霉素濃度的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，但整體變化不顯著；膜的水蒸汽透過(guò)率與透光率有明顯的降低，這可能是因?yàn)榧{他霉素添加量的增加使得薄膜的結(jié)構(gòu)更加致密所致。當(dāng)納他霉素添加量達(dá)到0.01 g時(shí)，膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率及透光率最佳。因此，選取納他霉素的添加量為0.01 g 為宜。

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 Plackett-Burman 試驗(yàn)結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)PB 試驗(yàn)，PB 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表7，方差分析見(jiàn)表8。從方差分析表中可看出，此回歸模型的主效應(yīng)P值為0.0331 小于0.05，表明模型顯著，擬合性良好，表明PB 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素在所選取的水平范圍內(nèi)對(duì)拉伸強(qiáng)度的作用顯著，同時(shí)決定系數(shù)為0.9965，調(diào)整決定系數(shù)為0.9810，說(shuō)明回歸模型設(shè)計(jì)可靠。另外，由表8 可知，對(duì)拉伸強(qiáng)度有顯著作用的因素有結(jié)冷膠、甘油以及氯化鈣，結(jié)冷膠和甘油對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)正效應(yīng)，而氯化鈣和納他霉素則為負(fù)效應(yīng)，而納他霉素對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響不顯著。

表7 Plackett-Burman 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 7 Plackett-Burman design of experiment results

表8 PB 實(shí)驗(yàn)方差分析Table 8 Efficiency evaluation of Plackett-Burman experiment

2.4.2 最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)Plackett-Burman 試驗(yàn)結(jié)果，最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表9 所示。隨著結(jié)冷膠、甘油和氯化鈣添加量的變化，膜的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)增大后減小的趨勢(shì)。結(jié)冷膠添加量為0.175 g、甘油添加量為1.000 g、氯化鈣添加量為0.200 g 時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，說(shuō)明此時(shí)比較接近最佳響應(yīng)區(qū)。因此以結(jié)冷膠添加量為0.175 g、甘油添加量為1.000 g、氯化鈣添加量為0.200 g 作為試驗(yàn)的中心點(diǎn)，設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)。

表9 最陡爬坡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 9 Design and results of the steepest ascent experiment

2.4.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見(jiàn)表10、表11。利用Design-Expert 8.0.6 軟件對(duì)表11 試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到回歸模型：拉伸強(qiáng)度=-54.43775+434.84A+41.18125B+12.5725C+54.5AB+71AC-5.75BC+1418.4A2-25.475B2-58.4C2。

表10 Box-Behnken 設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 10 Design and results of Box-Behnken experiments

表11 回歸方程方差分析Table 11 Variance analysis of regression equation

從表11 可看出，本試驗(yàn)的模型極顯著（P＜0.0001），失擬項(xiàng)不顯著（P=0.3275＞0.05），說(shuō)明該回歸模型能夠很好的擬合試驗(yàn)結(jié)果。該模型的校正決定系數(shù)R2Adj=0.9597，R2=0.9824，說(shuō)明該模型能夠解釋95.97%的響應(yīng)值變化，因而該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，該模型可以用于篩選出復(fù)合膜的最佳配比。由回歸模型可看出，A、B、C、AB、AC、A2對(duì)拉伸強(qiáng)度為正效應(yīng)，BC、B2、C2對(duì)拉伸強(qiáng)度為負(fù)效應(yīng)，其中B、C、A2、B2、C2對(duì)復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度的影響是極顯著的（P＜0.01），A、AB、對(duì)復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度的影響是顯著的（P＜0.05），AC、BC 對(duì)復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度的影響是不顯著的（P＞0.05）；從交互系數(shù)可以看出結(jié)冷膠和氯化鈣添加量的交互作用＞結(jié)冷膠和甘油添加量的交互作用＞甘油和氯化鈣添加量的交互作用。

2.4.4 各因素之間的交互作用 從響應(yīng)面可以直觀的看出，圖1 曲面陡峭，同時(shí)等高線為橢圓形，說(shuō)明結(jié)冷膠和甘油添加量的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響顯著（P＜0.05）；圖2 等高線稀疏近圓形，說(shuō)明結(jié)冷膠和氯化鈣添加量的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響并不顯著（P=0.0909＞0.05）；由圖3 可知，甘油和氯化鈣的添加量對(duì)響應(yīng)值影響的響應(yīng)面圖等高線近圓形，說(shuō)明甘油和氯化鈣添加量的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響不顯著（P=0.4302＞0.05）。

圖1 結(jié)冷膠與甘油交互作用對(duì)復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度影響的響應(yīng)面和等高線Fig.1 Response surface plot and contour line of interaction between gellan gum and glycerin on tensile strength of composite film

圖2 結(jié)冷膠和氯化鈣交互作用對(duì)復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度影響的響應(yīng)面和等高線Fig.2 Response surface plot and contour line of interaction between gellan gum and calcium chloride on tensile strength of composite film

圖3 甘油和氯化鈣交互作用對(duì)復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度影響的響應(yīng)面和等高線Fig.3 Response surface plot and contour line of interaction between glycerin and calcium chloride on tensile strength of composite film

隨著結(jié)冷膠、甘油以及氯化鈣添加量的增加，復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度都是先增加后減小。結(jié)冷膠和巰基化殼聚糖都屬于多糖類化合物，混合后相容性較好，分子間氫鍵更加緊密的結(jié)合，使得膜的綜合性能發(fā)生變化。隨著結(jié)冷膠含量的增加，溶質(zhì)不容易充分溶解，從而影響結(jié)冷膠和巰基化殼聚糖分子間氫鍵的形成，作用力有所下降，影響復(fù)合膜的致密性，使得復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度下降。甘油是一種增塑劑，能夠進(jìn)入高聚物分子鏈間，破壞高聚物分子間的相互作用，增加分子鏈的流動(dòng)性，提高膜的延展性[34]，但是過(guò)量的甘油會(huì)減小巰基化殼聚糖與結(jié)冷膠分子間的作用力，導(dǎo)致復(fù)合膜的力學(xué)性能下降，所以甘油的添加了應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，以確保成膜具有較好的機(jī)械性能。氯化鈣作為交聯(lián)劑，能夠使分子間形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使復(fù)合膜中的大分子連接更為緊密，分子鏈間的交聯(lián)密度增大從而使得復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度提高，但當(dāng)氯化鈣超過(guò)一定量，交聯(lián)濃度過(guò)大，反而減小膜的延展性，復(fù)合膜變的硬脆，同時(shí)鈣離子游離于膜中，使得拉伸強(qiáng)度降低。因此，結(jié)冷膠、甘油以及氯化鈣的添加量都應(yīng)控制在一定范圍，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度才能達(dá)到最大值。

通過(guò)響應(yīng)面模型得到復(fù)合膜的最佳配比為結(jié)冷膠添加量為0.18 g，甘油添加量為0.98 g，氯化鈣添加量為0.17 g，預(yù)測(cè)復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度為5.066 MPa。

進(jìn)一步驗(yàn)證響應(yīng)面分析方法的可靠性，同時(shí)為了方便實(shí)際操作將最優(yōu)配比調(diào)整為結(jié)冷膠添加量為0.18 g，甘油添加量為1.00 g，氯化鈣添加量為0.17 g，在此最佳配比條件下，進(jìn)行3 次驗(yàn)證性試驗(yàn)，測(cè)得復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度的平均值為4.986±0.087 MPa，與預(yù)測(cè)值5.066 MPa 基本一致。因此，通過(guò)Box-Behnken試驗(yàn)得到的最佳配方配比較可靠，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

以巰基化殼聚糖為成膜基質(zhì)，再?gòu)?fù)配結(jié)冷膠改善其性能，以甘油為增塑劑，氯化鈣為交聯(lián)劑，納他霉素為抑菌劑，制備出綜合性能良好的改性殼聚糖復(fù)合膜。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)與Plackett-Burman 試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合膜性能的影響大小為：氯化鈣＞結(jié)冷膠＞甘油＞納他霉素；通過(guò)最陡爬坡試驗(yàn)與Box-Behnken 響應(yīng)面試驗(yàn)，建立復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度相對(duì)與結(jié)冷膠添加量、甘油添加量以及氯化鈣添加量的二次多元回歸方程，確定最優(yōu)配比：結(jié)冷膠添加量為0.18 g，甘油添加量為1.00 g，氯化鈣添加量為0.17 g，納他霉素0.01 g。在此條件下，復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值為5.066 MPa，進(jìn)行3 次驗(yàn)證性試驗(yàn)，測(cè)得復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度的平均值為4.986±0.087 MPa，表明該數(shù)據(jù)模型對(duì)復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度有較好的預(yù)測(cè)能力。該試驗(yàn)結(jié)果表明巰基化殼聚糖復(fù)配結(jié)冷膠、甘油、氯化鈣以及納他霉素，能夠增強(qiáng)復(fù)合膜的機(jī)械性能，預(yù)期能廣泛應(yīng)用于食品保鮮領(lǐng)域。