魔芋葡甘聚糖復合膜的制備工藝研究

◎ 王 卓，趙忠昂，南翔彬，姜 輝

（吉林農業科技學院，吉林 吉林 132101）

近年來，采用生物基材料，如多糖、蛋白質、脂質、微生物聚酯及其他功能材料制備生物可降解復合包裝膜成為研究的熱點之一[1-2]。高直鏈玉米淀粉因其直鏈淀粉含量較高（≥50%）而具有優良的質構評分，在生物降解膜的開發方面潛力巨大。魔芋葡甘聚糖是一種天然的高分子可溶性膳食纖維，具有黏度高、吸水多、膨脹快等理化性質[3-6]。將高直鏈淀粉與魔芋葡甘聚糖混合后，可改善淀粉膜原有的力學性能差、易老化的缺陷。然而，這兩種多糖間生物相容性較低，會影響復合膜的致密性。而環糊精是一種環狀低聚糖，其可以增強凝膠體系如κ-卡拉膠的分子間相互作用，促使凝膠形成致密的網絡結構。此外，環糊精還可以與小分子活性成分形成包合物，從而構建功能性材料。本文對魔芋葡甘聚糖復合膜的制備條件進行研究，為進一步增強多糖分子締合、制備理想的復合膜提供參考，進而拓寬環糊精在活性包裝材料中的應用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋葡甘聚糖、高直鏈淀粉、β-環糊精均由化學分析實驗室提供。試驗儀器與設備見表1。

表1 試驗儀器與設備表

1.2 試驗方法

1.2.1 魔芋葡甘聚糖復合膜的制備工藝流程

魔芋葡甘聚糖復合膜的制備工藝流程見圖1。

1.2.2 單因素試驗

本文在魔芋葡甘聚糖1.0%、高直鏈玉米淀粉3.0%、β-環糊精0.4%、超聲溫度75 ℃、超聲時間12 min、水浴溫度75 ℃、水浴時間15 min、干燥溫度55 ℃、干燥時間16 h 等基礎條件下進行魔芋葡甘聚糖復合膜制備工藝條件的優化。在固定其他條件的前提下分別考察不同魔芋葡甘聚糖添加量（0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%和1.6%）、高直鏈玉米淀粉添加量（1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%）、β-環糊精添加量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5% 和0.6%）、超聲時間（5 min、10 min、15 min、20 min、25 min 和30 min）、干燥溫度（30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃）對魔芋葡甘聚糖復合膜質構評分的影響，確定最佳的工藝條件。

1.2.3 正交試驗

在單因素試驗基礎上，以魔芋葡甘聚糖添加量、β-環糊精添加量、超聲時間和干燥溫度為考察因素，以質構評分為考察指標，進行L9(34)正交試驗，確定魔芋葡甘聚糖復合膜的最優制備工藝條件。正交試驗因素水平設計見表2。

1.2.4 魔芋葡甘聚糖復合膜的質構測定

用質構分析儀測定相關指標，包括彈性、可恢復形變和抗拉伸強度，用質構評分來具體表現。探頭類型：P0.5S；觸發類型：自動；時間：5 s；觸發力：0.001 N；數據搜取速率：200.00 Hz。

1.2.5 魔芋葡甘聚糖復合膜的質構評分標準

魔芋葡甘聚糖復合膜的質構評分標準見表3。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 魔芋葡甘聚糖添加量對魔芋葡甘聚糖復合膜質構評分的影響

由圖2 可知，魔芋葡甘聚糖添加量在0.6%～1.4%時，復合膜的質構評分呈上升趨勢，這是因為隨著魔芋葡甘聚糖添加量的增多，魔芋葡甘聚糖復合膜的彈性、可恢復形變和抗拉伸強度也越來越好；當魔芋葡甘聚糖添加量為1.4%時，復合膜的質構評分最高，繼續增加魔芋葡甘聚糖添加量時，復合膜的質構評分開始下降，原因可能是魔芋葡甘聚糖添加量過多導致復合膜彈性變差，膜完整性變差。因此，本文選擇魔芋葡甘聚糖添加量1.2%、1.4%、1.6%這3 個水平進行正交試驗。

2.1.2 高直鏈玉米淀粉添加量對魔芋葡甘聚糖復合膜質構評分的影響

由圖3 可知，高直鏈玉米淀粉添加量在1.5%～4.0%時，質構評分整體變化不明顯，故不需要進行正交試驗。后續直接選擇淀粉添加量 3.0%進行實驗。

圖3 高直鏈玉米淀粉添加量對魔芋葡甘聚糖復合膜質構評分的影響圖

2.1.3 β-環糊精添加量對魔芋葡甘聚糖復合膜質構評分的影響

由圖4 可知，β-環糊精添加量在0.1%～0.4%時，復合膜的質構評分呈上升趨勢，當β-環糊精添加量為0.4%時，質構評分最高，繼續增加β-環糊精添加量，則復合膜的彈性、可恢復形變和抗拉伸強度降低，質構評分下降。因此，本文選擇β-環糊精添加量0.3%、0.4%、0.5%這3 個水平進行正交試驗。

圖4 β-環糊精添加量對魔芋葡甘聚糖復合膜質構評分的影響圖

2.1.4 超聲時間對魔芋葡甘聚糖復合膜質構評分的影響

由圖5 可知，超聲時間在5～20 min 時，復合膜的質構評分呈上升狀態。當超聲時間為20 min 時，復合膜的質構評分最高。繼續延長超聲時間，則復合膜的質構評分基本不變。因此，本文選擇超聲時間15 min、20 min、25 min 這3 個水平進行正交試驗。

圖5 超聲時間對魔芋葡甘聚糖復合膜質構評分的影響圖

2.1.5 干燥溫度對魔芋葡甘聚糖復合膜質構評分的影響

由圖6 可知，隨著干燥溫度的升高，魔芋葡甘聚糖復合膜的質構評分呈現先上升后下降趨勢。當干燥溫度為60 ℃時，質構評分最高。繼續升高干燥溫度，復合膜的質構評分反而下降，這是因為溫度過高導致復合膜彈性變差，膜完整性變差。因此，本文選擇干燥溫度50 ℃、60 ℃、70 ℃這3 個水平進行正交試驗。

圖6 干燥溫度對魔芋葡甘聚糖復合膜質構評分的影響圖

2.2 正交試驗結果

由表4 可知，各因素對復合膜質構評分影響的主次因素為A＞C＞D＞B，即魔芋葡甘聚糖添加量＞超聲時間＞干燥溫度＞β-環糊精添加量。由表3 可知，復合膜的最優工藝參數組合為A2B2C3D2。而質構評分最高組合為A2B2C3D1，故進行驗證實驗。結果表明，A2B2C3D2組合的質構評分為93 分，A2B2C3D1組合的質構評分為90 分，故確定復合膜的最佳制備工藝參數組合為A2B2C3D2，即魔芋葡甘聚糖添加量1.4%、β-環糊精添加量0.4%、超聲時間25 min、干燥溫度60 ℃。

表4 正交試驗結果表

3 結論

本文通過單因素以及正交試驗優化了魔芋葡甘聚糖復合膜的工藝參數。結果表明，復合膜的最佳工藝條件為魔芋葡甘聚糖添加量1.4%、β-環糊精添加量0.4%、超聲時間25 min、干燥溫度60 ℃，淀粉添加量3.0%。此條件下，復合膜的質構評分為93 分。魔芋葡甘聚糖復合膜與化學合成的塑料保鮮膜相比具有獨特優勢，因其主要成分為天然物質，容易降解，有利于環保，是代替塑料保鮮膜的理性材料，具有廣闊的應用前景。