復合淀粉膜配方優化

吳 鵬，吳戰戰，袁 建，薛雯雯，謝 宇

（蚌埠學院 食品與生物工程學院，安徽 蚌埠 233000）

淀粉是目前生產最豐富的天然高分子原料之一，價廉物美，是一種可再生資源，用淀粉作為主要原料制造的可降解可食用包裝材料有著廣闊的應用前景[1]。淀粉膜是以淀粉為基料，甘油等多元醇為增塑劑制成。木薯淀粉膜為純白色，有較好的透光率，糊化后清澈透明、無味道，且具有較好的成膜性能[2]。高直鏈玉米淀粉制作的薄膜較支鏈淀粉膜更易成膜，且阻隔性能優于支鏈淀粉膜[3]。馬鈴薯淀粉膜抗拉強度較好，透明度較高[4]。不同淀粉制成的薄膜有其各自的優缺點。關于高直連玉米淀粉薄膜、馬鈴薯淀粉膜和木薯淀粉膜各自成膜的研究較多，但將3 種淀粉復合制備薄膜的研究幾乎沒有。

為改善單一淀粉膜的性能，有效提高淀粉膜的應用范圍，本項目在前人研究的基礎上，選用高直鏈玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉等為原料，制備淀粉基復合可食性膜，以膜的機械性能為評價指標，優化成膜工藝和成膜配方，為開發可食性淀粉基包裝材料提供一定的理論依據[5]。

1 材料與方法

1.1 材料

高直鏈玉米淀粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉、明膠、甘油（均為食品級）。

分析天平、SmartTest 萬能試驗機和烘箱等。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

稱量→溶解→水浴加熱→流延成膜→烘干→冷卻→揭膜。

稱量一定量的淀粉、明膠和甘油，加水配置成100mL溶液，80°C 水浴加熱30 min，期間攪拌均勻。取20 mL溶液倒入培養皿，使其分布均勻，放入烘箱烘干。烘箱溫度為65 ℃，時間為2 h，烘干后冷卻揭膜。將薄膜進行裁切處理后測定厚度、抗張強度和斷裂伸長率。平行實驗3 次取平均值。

1.2.2 測定指標

拉伸試驗：測試方法參照GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能測定》[6]的方法。選擇均勻的、平整的、無孔洞的膜，裁成長40 m、寬15 mm 左右的長條形，先采用游標卡尺測量膜的厚度，然后將膜固定于SmartTest 萬能試驗機上，測定抗張強度和斷裂伸長率，每組試驗重復3 次。

式中：TS為膜的抗張強度，MPa；F為抗拉力，N；δ 為薄膜的厚度，mm；W為膜的寬度，mm。

式中：L為膜拉伸后的長度，mm；L0為膜的初始長度，mm。

1.2.3 單因素實驗

（1）馬鈴薯淀粉添加量對淀粉膜機械性能的影響。固定木薯淀粉0.5%、玉米淀粉0.25%、甘油2%、明膠1.25%，馬鈴薯淀粉添加量為2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%，通過抗張強度和斷裂伸長率確定馬鈴薯淀粉的最佳添加量。

（2）木薯淀粉添加量對淀粉膜機械性能的影響。固定馬鈴薯淀粉3%、玉米淀粉0.25%、甘油2%、明膠1.25%，木薯淀粉添加量為0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%，通過抗張強度和斷裂伸長率確定木薯淀粉的最佳添加量。

（3）甘油添加量對淀粉膜機械性能的影響。固定馬鈴薯淀粉3%、木薯淀粉0.75%、玉米淀粉0.25%、明膠1.25%、甘油添加量為1%、2%、3%、4%、5%，通過抗張強度和斷裂伸長率確定甘油的最佳添加量。

（4）高直鏈玉米淀粉添加量對淀粉膜機械性能的影響。固定馬鈴薯淀粉3%、木薯淀粉0.75%、明膠1.25%、甘油3%，高直鏈玉米淀粉添加量為0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%，通過抗張強度和斷裂伸長率確定甘油的最佳添加量。

1.2.4 正交實驗

以馬鈴薯淀粉、木薯淀粉、甘油、高直鏈玉米淀粉添加量設計4 因素3 水平的正交實驗。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果分析

2.1.1 馬鈴薯淀粉添加量對復合淀粉膜力學性能的影響

由圖1 可知，當馬鈴薯淀粉添加量從2%逐漸增加到3%時，復合淀粉膜的拉伸強度逐漸升高。當馬鈴薯淀粉添加量為3%時，膜的拉伸強度最高，為3.16 MPa，隨后就呈逐漸下降的趨勢，而膜的斷裂伸長率一直是逐漸增加的趨勢，但在馬鈴薯淀粉添加量為3%～4%后，增加幅度減緩。這可能是因為隨著馬鈴薯淀粉含量的增加，淀粉膜的致密性和連續性也在增加，使得抗拉強度和延伸率增加，成膜性能得以增強。隨著淀粉含量的繼續增加，膜的水分含量緩慢減少黏性增加，結構缺乏均一性，抗拉強度下降。

圖1 馬鈴薯淀粉添加量對復合淀粉膜機械性能的影響

2.1.2 木薯淀粉添加量對復合淀粉膜力學性能的影響

由圖2 可知，當木薯淀粉添加量從0.25%逐漸增加到0.75%時，復合淀粉膜的拉伸強度逐漸升高。當添加量為0.75%時，膜的拉伸強度最高，隨后就呈逐漸下降的趨勢，而膜的斷裂伸長率呈現的是升高的趨勢，但在木薯淀粉添加量到0.75%后，增加不明顯。這可能是因為木薯淀粉的支鏈淀粉比直鏈淀粉的比例比較高，利于成膜，隨著添加量的增加，復合淀粉膜成膜性能得以增強，力學性能也得到了改善，所以復合淀粉膜的拉伸強度呈現上升趨勢，斷裂伸長率也提升很大[7]。

圖2 木薯淀粉添加量對復合淀粉膜力學性能

2.1.3 甘油添加量對復合淀粉膜力學性能的影響

由圖3 可知，當甘油添加量從1%逐漸增加到3%時，復合淀粉膜的拉伸強度逐漸升高。當添加量為3%時，膜的拉伸強度最高，隨后就呈現逐漸下降的趨勢，而膜的斷裂伸長率則呈現的是升高的趨勢。這可能是因為甘油是淀粉基膜的塑化劑，可以增加膜的柔韌性能，所以斷裂伸長率一直是增加的趨勢。而抗拉強度出現先增大后減小的趨勢主要是隨著甘油含量的增加削弱了淀粉大分子之間的相互作用[7]。

圖3 甘油添加量對復合淀粉膜力學性能的影響

2.1.4 高直鏈玉米淀粉添加量對復合淀粉膜力學性能的影響

由圖4 可知，當高直鏈玉米淀粉添加量從0.15%逐漸增加到0.2%時，復合淀粉膜的拉伸強度逐漸升高。當添加量為0.2%時，膜的拉伸強度最高，隨后就呈逐漸下降的趨勢，而膜的斷裂伸長率呈現的是升高的趨勢，但在高直鏈玉米淀粉添加量為0.2%后，增加不明顯。可能是因為玉米淀粉中具有較高的直鏈淀粉含量導致復合淀粉膜的成膜性能好，力學性能也得到了改善[8]。隨著高直鏈玉米淀粉含量的繼續增加，膜的水分含量緩慢減少，黏性增加，結構缺乏均一性，抗拉強度下降。

圖4 玉米淀粉添加量對復合淀粉膜力學性能的影響

2.2 正交試驗結果分析

（1）由表1 的拉伸強度結果分析，A2B2C1D2 為復合淀粉膜的最優配方，即馬鈴薯淀粉添加量為3%、木薯淀粉添加量為0.75%、玉米淀粉添加量為0.15%、甘油添加量為3%，此時復合淀粉膜拉伸強度的影響因素大小是A＞C＞D＞B，即馬鈴薯淀粉添加量最大，依次是玉米淀粉添加量、甘油添加量，木薯淀粉添加量的影響。

（2）由表1 的斷裂伸長率結果分析，A2B1C1D3 為復合淀粉膜的最優配方，即馬鈴薯淀粉添加量為3%、木薯淀粉添加量為0.5%、玉米淀粉添加量為0.15%、甘油添加量為4%，此時復合淀粉膜斷裂伸長率的影響因素大小是A＞D＞B＞C，也就是說馬鈴薯淀粉添加量對復合淀粉膜拉伸強度影響最大，其次分別為玉米淀粉添加量、甘油添加量，木薯淀粉添加量影響最小。

表1 復合淀粉膜的拉伸強度和斷裂伸長率正交試驗結果

通過拉伸強度和斷裂伸長率的極值比較，復合淀粉膜的最優配方為A2B1C1D3，即馬鈴薯淀粉添加量為3%、木薯淀粉添加量為0.5%、玉米淀粉添加量為0.15%、甘油添加量為4%、明膠添加量為1.25%。

2.3 驗證實驗結果

根據最優配方A2B1C1D3 制備淀粉膜，平行實驗3 次。測得拉伸強度平均值為8.27 MPa，與正交實驗中最好的一組的拉伸強度值8.94 MPa 接近，斷裂伸長率平均值為33.08%，高于正交實驗中的值。

3 結論

實驗結果表明，當馬鈴薯淀粉添加量為3%、木薯淀粉添加量為0.5%、玉米淀粉添加量為0.15%、甘油添加量為4%、明膠添加量為1.25%時，復合淀粉膜的拉伸強度為8.27 MPa，斷裂伸長率為33.08%，制得的復合淀粉膜機械性能好。