玉米醇溶蛋白吸管制備工藝的研究

姜福佳，尚熙龍，吳浩，王秀雅，梁春秀

（1.長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130033；3.長(zhǎng)春汽車(chē)工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校，吉林 長(zhǎng)春 130011）

吸管是吸取飲品時(shí)最常用的工具，吸管主要為聚丙烯（PP）吸管、聚乳酸（PLA）吸管、可降解樹(shù)脂吸管、紙質(zhì)吸管等。［1］吸管的主要成分是食品級(jí)的聚丙烯等膠質(zhì)，無(wú)毒且能承受100℃的高溫。但不法商家采用劣質(zhì)低檔的聚乙烯、聚氯乙烯、含雙酚A以及回收來(lái)的塑料等工業(yè)原料作為主要成分制備吸管。在生活中我們最常用的是塑料吸管，制備塑料吸管中的雙酚A普遍存在于礦泉水瓶、醫(yī)療器械以及食品包裝內(nèi)里，直接接觸食物使其存在于食物中。軟質(zhì)塑料常添加的增塑劑在接觸熱水的情況下，會(huì)將有毒的化學(xué)物質(zhì)會(huì)稀釋到水中。另外，塑料的內(nèi)部微觀(guān)構(gòu)造有很多的孔隙，其中隱藏著污物，清洗不凈就會(huì)容易滋生細(xì)菌，存在嚴(yán)重的安全隱患。［2］2020年國(guó)家印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見(jiàn)》，要求全國(guó)范圍餐飲行業(yè)禁止使用不可降解的塑料吸管。“吸管禁塑令”發(fā)布后，國(guó)內(nèi)眾多餐飲企業(yè)用紙質(zhì)吸管代替了塑料吸管。［3］然而，紙質(zhì)吸管存在許多弊端，如硬度低、牢固力差以及價(jià)格昂貴等。因此研發(fā)出高質(zhì)量且健康環(huán)保的吸管迫在眉睫。

玉米醇溶蛋白有良好的耐水性、耐熱性和耐脂性，廣泛應(yīng)用于食品、造紙、醫(yī)藥等工業(yè)。醇溶蛋白中含有所必需的賴(lài)氨酸、精氨酸、組氨酸，能夠及時(shí)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)。［4］本文研究的玉米醇溶蛋白吸管以玉米醇溶蛋白為原料，添加羥丙基纖維素、聚乙烯吡咯烷酮、山梨醇、甘油等食品級(jí)輔料，按一定比例結(jié)合制備成可以食用的吸管，環(huán)保無(wú)污染、性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫且可規(guī)模化生產(chǎn)，是一種理想的吸管產(chǎn)品。本產(chǎn)品成功解決了吸管存在致癌物質(zhì)、不可降解、不耐高溫、儲(chǔ)存期短及成本高昂等問(wèn)題。有利于改善吸管的性能，擴(kuò)大吸管的應(yīng)用范圍、提高其商業(yè)價(jià)值，植物型吸管取代各種材質(zhì)的吸管將是必然趨勢(shì)。

一、材料與方法

（一）材料與儀器

玉米醇溶蛋白購(gòu)于上海煜濤實(shí)業(yè)有限公司，CAS號(hào)：9010-66-6；無(wú)水乙醇，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；丙三醇（甘油），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；羥丙基纖維素，市售，食品級(jí)；山梨醇，山東天力藥業(yè)；聚乙烯吡咯烷酮，南京瑞澤精細(xì)化工有限公司。

AL204型電子天平，梅特勒—托利多（上海）有限公司；HH-6型數(shù)顯溫水浴鍋，金壇市佳美儀器有限公司；ZS-2型超聲波破碎儀，溫州三和量具儀器有限公司；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京市永光明醫(yī)療儀器廠(chǎng)；移液槍?zhuān)虾s泰生化工程有限公司。

（二）原料預(yù)處理

用乙醇浸提法［5］提取玉米黃粉中的醇溶蛋白，玉米黃粉中加入95%乙醇，置于磁力攪拌器上攪拌高效快速溶解，將溶液離心10min，收取上清液調(diào)至pH6.5，靜置12h分離出醇溶蛋白沉淀，進(jìn)行第2次離心，棄去上清液收集蛋白，冷凍干燥后即可得到醇溶蛋白。

（三）實(shí)驗(yàn)方法

1.實(shí)驗(yàn)流程

稱(chēng)取適量玉米醇溶蛋白，按照比例添加95%乙醇，經(jīng)水浴加熱處理后加入甘油、羥丙基纖維素及聚乙烯吡咯烷酮等輔料，混合均勻，經(jīng)擠壓成型、熱風(fēng)烘干、切割等流程制備吸管，最后檢測(cè)其各項(xiàng)指標(biāo)。

圖1 吸管制備流程圖

2.單因素試驗(yàn)方法

1）羥丙基纖維素對(duì)玉米醇溶蛋白吸管品質(zhì)的影響

稱(chēng)取1.0g的醇溶蛋白，加入95%的乙醇溶液700μL，將其混合后放在40°C水浴搖床中完全攪拌，分別加入0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40g羥丙基纖維素，聚乙烯吡咯烷酮0.60g，山梨醇60μL，甘油50μL，使其與溶液充分溶解后，倒入模具，擠壓成型后熱風(fēng)烘干，對(duì)吸管切割成型，檢測(cè)玉米醇溶蛋白吸管的各項(xiàng)指標(biāo)。

2）聚乙烯吡咯烷酮對(duì)醇溶蛋白吸管品質(zhì)的影響

稱(chēng)取1.0g的醇溶蛋白，加入95%的乙醇溶液700μL，將其混合后放在40°C水浴搖床中完全攪拌，分別加入0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80g的聚乙烯吡咯烷酮，羥丙基纖維素0.25g，山梨醇60μL，甘油50μL，均充分混勻后，倒入模具，擠壓成型后熱風(fēng)烘干，對(duì)吸管進(jìn)行切割成型，檢測(cè)玉米醇溶蛋白吸管的各項(xiàng)指標(biāo)。

3）山梨醇對(duì)玉米醇溶蛋白吸管品質(zhì)的影響

稱(chēng)取1.0g的醇溶蛋白，加入95%的乙醇溶液700μL，將其混合后放在40°C水浴搖床中完全攪拌，分別加入30、40、50、60、70、80、90μL山梨醇，聚乙烯吡咯烷酮0.60g，羥丙基纖維素0.25g，甘油50μL，均充分混勻后，倒入模具，擠壓成型后熱風(fēng)烘干，對(duì)吸管進(jìn)行切割成型，檢測(cè)玉米醇溶蛋白吸管的各項(xiàng)指標(biāo)。

4）甘油對(duì)玉米醇溶蛋白吸管品質(zhì)的影響

稱(chēng)取1.0g的醇溶蛋白，加入95%的乙醇溶液700μL，將其混合后放在40°C水浴搖床中完全攪拌，分別加入35、40、45、50、55、60、65μL甘油，聚乙烯吡咯烷酮0.60g，羥丙基纖維素0.25g，山梨醇60μL，均充分混勻后，倒入模具，擠壓成型后熱風(fēng)烘干，對(duì)吸管進(jìn)行切割成型，檢測(cè)玉米醇溶蛋白吸管的各項(xiàng)指標(biāo)。

5）乙醇對(duì)玉米醇溶蛋白吸管品質(zhì)的影響

稱(chēng)取1.0g的醇溶蛋白，分別加入65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%乙醇溶液700μL，將其混合后放在40°C水浴搖床中完全攪拌，再加入聚乙烯吡咯烷酮0.60g，羥丙基纖維素0.25g，甘油50μL，山梨醇60μL，均充分混勻后，倒入模具，擠壓成型后熱風(fēng)烘干，對(duì)吸管進(jìn)行切割成型，檢測(cè)玉米醇溶蛋白吸管的各項(xiàng)指標(biāo)。

3.拉伸強(qiáng)度指標(biāo)檢測(cè)

隨機(jī)抽取100支吸管進(jìn)行拉伸強(qiáng)度的力學(xué)性能指標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)方法參照國(guó)標(biāo)發(fā)《GB/T1040—1》進(jìn)行測(cè)定。［6］

4.常規(guī)性能指標(biāo)檢測(cè)

1）感官檢測(cè)

隨機(jī)抽取100支吸管進(jìn)行感官檢測(cè)，在自然光下，目測(cè)吸管的外觀(guān)和顏色，進(jìn)行評(píng)分。要求吸管管壁及切口平滑規(guī)整，無(wú)特殊性異味，顏色均勻且無(wú)色斑污點(diǎn)，無(wú)氣泡、毛刺、凹陷、穿孔等缺陷，100支吸管中合格數(shù)量應(yīng)≥95支。檢測(cè)方法參照國(guó)標(biāo)法《GB/T24693-2009》進(jìn)行測(cè)定。［7］

2）長(zhǎng)度偏差

用刻度分度為1mm的直尺測(cè)量吸管的長(zhǎng)度，按照公式（1）計(jì)算吸管的長(zhǎng)度偏差，吸管長(zhǎng)度偏差應(yīng)≤±2%。檢測(cè)方法參照國(guó)標(biāo)法《GB/T24693-2009》進(jìn)行測(cè)定。［7］

式中：

ΔL-長(zhǎng)度偏差，%；

L-長(zhǎng)度偏差，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度，單位為毫米（mm）；

L0-長(zhǎng)度偏差，產(chǎn)品標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度，單位為毫米（mm）。

3）外徑偏差

用精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量吸管的外徑尺寸，按照公式（2）計(jì)算吸管的外徑偏差，吸管外徑偏差應(yīng)≤±4%。檢測(cè)方法參照國(guó)標(biāo)法《GB/T24693-2009》進(jìn)行測(cè)定。［7］

式中：

ΔD-外徑偏差，%；

D-實(shí)測(cè)外徑，單位為毫米（mm）；

D0–產(chǎn)品標(biāo)稱(chēng)外徑，單位為毫米（mm）。

4）壁厚均勻度

用精度為0.01mm測(cè)厚儀在吸管的同一截面圓周上測(cè)量最大壁厚和最小壁厚，吸管同一截面上最大壁厚和最小壁厚差應(yīng)≤1.2%。檢測(cè)方法參照國(guó)標(biāo)法《GB/T24693-2009》進(jìn)行測(cè)定。［7］

5）質(zhì)量檢測(cè)

隨機(jī)抽取300支吸管進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，將吸管分成3組，每組100支，用精度不低于0.1g的分析天平稱(chēng)量出三組吸管的質(zhì)量。按照公式（3）計(jì)算吸管的質(zhì)量偏差，結(jié)果取3組試驗(yàn)結(jié)果平均值，100只吸管總質(zhì)量偏差≤±5%。檢測(cè)方法參照國(guó)標(biāo)法《GB/T24693-2009》進(jìn)行測(cè)定。［7］

式中：

ΔG–質(zhì)量偏差，%；

G-實(shí)測(cè)100支吸管的質(zhì)量，單位為克（g）；

G0–產(chǎn)品要求100支吸管質(zhì)量，單位為克（g）。

5.正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以羥丙基纖維素（A）、聚乙烯吡咯烷酮（B）、山梨醇（C）、甘油（D）四個(gè)影響因素作為自變量，進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)，并檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)，正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 玉米醇溶蛋白吸管制備工藝正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)

二、結(jié)果與分析

（一）單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

1.羥丙基纖維素對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度的影響

羥丙基纖維素具有良好的熱塑性、粘結(jié)性及乳膠穩(wěn)定性，在醫(yī)藥上主要用作片劑粘合劑和增粘劑。［8］本文使用羥丙基纖維素作為制備吸管的粘合劑，研究其對(duì)吸管拉伸強(qiáng)度的影響。如圖2所示，玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度隨著羥丙基纖維素含量的增加而增強(qiáng)，當(dāng)羥丙基纖維素為0.25g時(shí)效果最佳，達(dá)到68MPa，當(dāng)羥丙基纖維素含量超過(guò)0.25g時(shí)，拉伸強(qiáng)度逐漸降低。

圖2 羥丙基纖維素對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度的影響

2.聚乙烯吡咯烷酮對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度的影響

聚乙烯吡咯烷酮具有良好的食物安全性，在食品藥品加工方面主要作為成膜劑、潤(rùn)滑劑、澄清劑和穩(wěn)定劑。［9］本文使用聚乙烯吡咯烷酮作為制備吸管的成膜劑，與醇溶蛋白融合后可較快成膜，并檢測(cè)其對(duì)硬膠囊拉伸強(qiáng)度的影響。如圖3所示，玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度隨著聚乙烯吡咯烷酮含量的增加而增強(qiáng)，當(dāng)羥丙基纖維素為0.5g時(shí)效果最佳，達(dá)到71MPa，當(dāng)聚乙烯吡咯烷酮含量超過(guò)0.5g時(shí)，拉伸強(qiáng)度逐漸降低。

圖3 聚乙烯吡咯烷酮對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度的影響

3.山梨酸對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度的影響

山梨醇用于食品調(diào)濕劑、保香劑及抗氧化劑。［10］本文使用山梨醇作為制備吸管的抗氧化劑，檢測(cè)其對(duì)硬膠囊拉伸強(qiáng)度的影響。如圖4所示，玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度隨著山梨醇含量的增加而增強(qiáng)，當(dāng)羥丙基纖維素為60μL時(shí)效果最佳，達(dá)到69MPa，當(dāng)山梨醇含量超過(guò)60μL時(shí)，拉伸強(qiáng)度逐漸降低。

圖4 山梨醇對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度的影響

4甘油對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度的影響

甘油在食品加工業(yè)中通常用作于運(yùn)動(dòng)食品和代乳品中的甜味劑和保濕劑。［11］本文使用甘油作為吸管的保濕劑，使吸管在儲(chǔ)存及使用過(guò)程中不會(huì)輕易碎裂，并檢測(cè)其對(duì)吸管拉伸強(qiáng)度的的影響。如圖5所示，玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度隨著甘油含量的增加而增強(qiáng)，當(dāng)羥丙基纖維素為50μL時(shí)效果最佳，達(dá)到71MPa，當(dāng)甘油含量超過(guò)50μL時(shí)，拉伸強(qiáng)度逐漸降低。

圖5 甘油對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度的影響

5.乙醇濃度對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度的影響

乙醇是最常用的溶劑，由于玉米醇溶蛋白不溶于水而溶于乙醇的性質(zhì)，本文選用不同濃度的乙醇作為溶劑溶解玉米醇溶蛋白，并研究其對(duì)吸管拉伸強(qiáng)度的影響，如圖6所示，玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度隨著乙醇濃度的增加而增強(qiáng)且呈濃度依賴(lài)性，當(dāng)羥丙基纖維素為95%時(shí)效果最佳，達(dá)到70MPa，乙醇濃度變化對(duì)玉米蛋白吸管的拉伸強(qiáng)度影響不大。

圖6 乙醇濃度對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸強(qiáng)度的影響

（二）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可以看出，4個(gè)因素對(duì)玉米醇溶蛋白吸管拉伸輕度的影響大小依次為聚乙烯吡咯烷酮、羥丙基纖維素、山梨醇和甘油，在4個(gè)因素中聚乙烯吡咯烷酮影響最為顯著。在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍中，經(jīng)綜合考慮，優(yōu)化得到最佳條件為羥丙基纖維素0.25g、聚乙烯吡咯烷酮0.60g、山梨醇60μL、甘油50μL。

表2 玉米醇溶蛋白吸管制備工藝正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與原理

（三）玉米醇溶蛋白吸管各項(xiàng)指標(biāo)

按照國(guó)標(biāo)法對(duì)玉米醇溶蛋白吸管進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)，結(jié)果如表3所示，感官分?jǐn)?shù)為98分，長(zhǎng)度偏差為1.0%、外徑偏差為1.4%，壁厚均勻度為3.2%，質(zhì)量偏差為4.8%，以上結(jié)果均符合國(guó)標(biāo)《GB/T1040-1》的檢測(cè)要求。

表3 玉米醇溶蛋白吸管各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)

三、結(jié)論

本研究在不同因素條件下制備玉米醇溶蛋白吸管，通過(guò)單因素試驗(yàn)優(yōu)化制備工藝，得出最佳條件為羥丙基纖維素0.25g、聚乙烯吡咯烷酮0.60g、山梨醇60μL、甘油50μL。通過(guò)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)醇溶蛋白吸管的拉伸強(qiáng)度、感官分?jǐn)?shù)、長(zhǎng)度偏差、外徑偏差及質(zhì)量偏差均符合檢測(cè)指標(biāo)要求。

玉米醇溶蛋白吸管應(yīng)用廣泛，原料綠色健康，環(huán)保無(wú)污染，且各項(xiàng)指示均優(yōu)于傳統(tǒng)吸管，可以作為一種新型綠色健康的吸管應(yīng)用于日常生活。