KGM膜透湿性工艺优化研究

韦巧艳 柳富杰 成清岚 覃逸明

摘要以魔芋葡甘露聚糖（KGM）为原料制备KGM膜。以其透湿性为考察指标，通过单因素和响应面试验，分别研究KGM浓度、加热时间和加热温度对KGM膜水蒸气透过系数（WVP）的影响，从而得出制备KGM膜的最佳工艺条件。研究结果表明，KGM浓度和加热时间对膜水蒸气透过系数的影响显著，KGM膜的最佳制备工艺条件为KGM浓度0.55%、加热温度58.14 ℃、加热时间39.51 min。在此条件下制得的KGM膜的水蒸气透过系数为0.047 9 g·mm/（m2·h·kPa）。

关键词魔芋葡甘露聚糖（KGM）;膜;透湿性

中图分类号TS 206.4文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）18-0194-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.053

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Optimization of Moisture Permeability of KGM Membrane

WEI Qiao-yan，LIU Fu-jie，CHENG Qing-lan et al（College of Food and Biochemical Engineering，Guangxi Normal University of Science and Technology，Laibin，Guangxi 546199）

AbstractMembrane is prepared from konjac glucomannan （KGM），its moisture permeability was used as the index.By single factor and response surface test，to study the effects of KGM concentration，heating time and temperature on the water vapor permeability（WVP）of KGM membrane，thus it is concluded that the most suitable for the preparation of KGM water gel process conditions.The results showed that the KGM concentration and heating time impact on the water vapor permeability of KGM membrane was significant，the preparation of KGM membrane optimum technological conditions for：KGM concentration was 0.55%，the heating temperature of 58.14 ℃，and three heating time was  39.51 min.Under those conditions，the water vapor permeability of the composite membrane was 0.047 9 g·mm/（m2·h·kPa）.

Key wordsKonjac glucomannan（KGM）;Membrane;Moisture permeability

近年來塑料包装材料得到高速发展和大量使用，在给人们生活提供了便利的同时也带来了环境压力和食品问题[1]。天然生物聚合物可食用包装材料具有可降解性和稳定性，近年来成为研究热点[2]。自然界中存在着各种天然高分子聚合物，如蛋白质[1]（大豆蛋白、玉米蛋白和酪蛋白等），多糖[3]（纤维素、壳聚糖和淀粉等）和脂类[4]等。天然高分子聚合物——魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）是从魔芋块茎中分离得到的一种膳食纤维水凝多糖[5]，具有无毒、可成膜性和生物降解性好等优点。KGM溶于水后能够吸收水分膨胀形成水溶胶，晾干或干燥后可制成KGM膜[6]。研究[7-8]发现KGM膜是一种既具备塑料优质性能，又具有能被微生物完全降解的可食性包装材料，在食品、化妆品、医药等领域被广泛应用[9-11]。但KGM膜透湿性差，机械性能和抗菌性能不强等缺点制约着其发展[12]。

目前，国内外学者对葡甘露聚糖在水果方面的涂膜保鲜做了不少的研究[13-15]，但基于KGM膜制备工艺条件的研究鲜有报道。以魔芋葡甘露聚糖（KGM）为原料，研究制备KGM膜过程中KGM浓度、加热时间和加热温度等工艺条件对膜水蒸气透过系数的影响，并以响应面法对水蒸气透过系数进行优化分析，探讨最佳工艺条件，为新型抗菌保鲜膜的开发应用提供必要的理论及试验数据，具有一定的经济意义和社会意义。

1材料与方法

1.1材料魔芋精粉：KGM>90%，湖北一致魔芋生物科技有限公司;无水氯化钙：分析纯，西陇科学股份有限公司。

1.2主要仪器

JA12002 电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）;KQ-300DB 型超声波清洗仪（昆山市超声仪器有限公司）;GZX-GF101-3 BS 型电热恒温鼓风干燥箱（上海跃进医疗器械有限公司）;HJ-3 恒温磁力搅拌器（江苏金坛市环宇科学仪器）;电子数显外径千分尺（桂林广陆数字测控有限公司）。

1.3方法

1.3.1KGM膜的制备[16]。以不同浓度KGM为原料，通过电动搅拌器搅拌均匀。在加热条件下超声振荡一段时间后形成乳白色复合溶胶，铺膜干燥，即得KGM膜。

1.3.2KGM膜透湿性的测定[17]。

按照国标 GB/T 12704.1—2009 要求自制透湿杯，采用正杯法测定KGM膜的透湿性。在常温下称取2.0 g无水氯化钙，放置进自制透湿杯中，用制成的KGM膜封住透湿杯杯口。透湿杯经电子分析天平称重后，放置于底部有一定量蒸馏水的干燥器中，保持25 ℃和相对湿度100%的条件，保证膜内外水蒸气压不变，测定一定时间内透湿杯中的增重量。由透湿杯增重计算水蒸气透过系数（WVP），作为衡量膜阻湿性能的指标。

WVP=△m×dA×△t×p（1）

式（1）中，WVP为水蒸气透过系数[g·mm/（m2·h·kPa）];△m为透湿杯增重，同一试验组合体2次称重之差（g）;d为复合膜厚度（mm）;A为有效透过面积（该部分中的装置为 0.002 5 m2）;△t为试验时间（h）;p表示膜两侧水蒸气压 差（kPa）。

透湿率WVP值越大，说明膜的阻湿率性能越差。

1.3.3单因素试验设计。

1.3.3.1KGM浓度对KGM膜透湿性的影响。固定加热时间为60 min，加热温度为40 ℃，分别制备KGM浓度为0.4%、 0.6%、0.8%、1.0%、1.2%。比较不同KGM浓度对KGM膜水蒸气透过系数（WVP）的影响。

1.3.3.2加热时间对KGM膜透湿性的影响。取“1.3.3.1”中最佳KGM浓度，固定加热温度为40 ℃，设定加热时间为30、40、50、60、70 min。比较不同加热时间对KGM膜水蒸气透过系数（WVP）的影响。

1.3.3.3加热温度对KGM膜透湿性的影响。取“1.3.3.1”中最佳KGM浓度，“1.3.3.2”中最佳加热时间，设定加热温度为30、40、50、60、70、80 ℃。比较不同加热温度对KGM膜水蒸气透过系数（WVP）的影响。

1.3.4响应面优化试验设计。

在单因素试验基础上，选取KGM浓度、加热时间和加热温度为自变量，分别表示为X1、X2和X3，以KGM膜的水蒸气透过系数为响应值Y，根据响应面软件Design Expert V8.0.6的Box-Behnken试验设计原理设计三因素三水平响应面试验，确定制膜最优工艺条件并进行验证试验。响应面试验因素水平见表1。

1.3.5数据分析。每组试验至少进行3组平行试验，采用Origin7.5和响应面软件进行数据分析。

2结果与分析

2.1单因素试验结果分析

2.1.1KGM浓度对KGM膜透湿性的影响。

制备KGM膜水溶胶，于玻璃薄板流延成膜，干燥后取膜测定水蒸气透过系数（WVP）。

由图1可知，随着KGM浓度增大，KGM膜水蒸氣透过系数呈现先升高再降低的趋势。当KGM浓度为0.4%时，WVP最低，为0.051 6 g·mm/（m2·h·kPa）;KGM浓度为 1.0%时，WVP达到最大，为0.117 0 g·mm/（m2·h·kPa）。在试验过程中发现， KGM浓度越高，所得溶液黏度就越大[18]，水溶液越容易成膜，且成膜厚度与KGM浓度成正比。在前期试验中发现KGM浓度为0.2%时，所成的膜太薄，不易揭下;KGM浓度超过0.8%时形成的多糖膜偏厚不易流延，导致所成薄膜厚度不均，且成膜厚度过大也会给膜的自然干燥带来不利的影响。KGM浓度为0.4%和0.6%时膜的WVP较低，阻湿性能最好，但KGM浓度为0.4%时成膜厚度偏薄，不易取膜，因此选择KGM浓度条件为0.6%。

2.1.2加热时间对KGM膜透湿性的影响。

由图2可知，随着加热时间的延长，制得KGM膜的水蒸气透过系数呈先降低再升高的趋势。从30～40 min，制备的膜水蒸气透过系

数呈下降的趋势，这可能是因为随着加热时间的延长，KGM的溶胀在增加，改善了膜的透湿性[19];在40～70 min时制备的KGM膜水蒸气透过系数呈上升的趋势，这可能是因为过长的加热时间破坏了KGM的结构。在加热时间为 40 min时制备的水蒸气透过系数最低，为0.053 2 g·mm/（m2·h·kPa），选择加热时间为40 min。

2.1.3加热温度对KGM膜透湿性的影响。

由图3可知，随着加热温度的升高，制得的KGM膜水蒸气透过系数呈现先降低再升高的趋势。从30～60 ℃，KGM膜水蒸气透过系数呈现下降的趋势，这可能是在温度低于60 ℃的时候，过低的温度影响KGM的溶解，使得水分子和KGM分子不能充分接触和相互作用，造成KGM膜水蒸气透过系数较高，随着温度上升，水蒸气透过系数也随之下降[20]。在60～80 ℃时制备的KGM膜水蒸气透过系数呈现上升的趋势，这可能是因为温度过高会对KGM结构造成影响[20]，使得KGM膜水蒸气透过系数上升。KGM在加热温度为60 ℃时制备的膜水蒸气透过系数最低，为0.048 7 g·mm/（m2·h·kPa），选择加热温度为60 ℃。

2.2响应面试验结果分析

根据表1的因素水平选择KGM浓度、加热温度和加热时间为X1、X2和X3，并取KGM膜的透湿性作为响应值Y，设计响应面试验，试验方案及结果见表2。用Design-Expert8.0.6软件处理所得数据，得到回归方 程为：

Y=1.005 2-0.242 7X1-8.46×10-3X2-3.26×10-2X3-5.51×10-3X1X2+8.4×10-4X1X3+2×10-5X2X3+0.479 8X12+ 9.215 0 X22+3.92×10-4X32

通过方差分析可以看出，模型P<0.000 1，所得模型显著。决定系数R2=0.984 8，矫正决定系数R adj2=0.965 3，响应值中的变化98.48%来源于所选变量，所得模型拟合度良好。设定差异性显著条件为P<0.05时，回归方程显著，失拟项不显著。建立的模型符合试验结果，回归方程有效。

由方差分析可以得出，KGM浓度、加热温度和加热时间对KGM膜透湿性影响显著;KGM浓度与加热温度交互作用显著，其余因素交互作用均不显著;KGM浓度和加热时间二次项对成膜透湿性影响极其显著，加热温度二次项对成膜透湿性影响显著。各因子F值越大代表着该因子对KGM膜透湿性影响越大，各因素对KGM膜透湿性影响大小顺序为KGM浓度、加热时间、加热温度。

2.3最佳制膜条件的确定

图4～6是由方程得出的KGM浓度、加热温度和加热时间对KGM膜透湿性交互影响的响应面图。同一因素水平变化时候图形的陡峭变化反映出该因素对响应值影响的显著性，图4的响应面图反映KGM浓度对KGM膜透湿性的影响显著，加热温度对KGM膜透湿性的影响不显著，两两之间的交互作用不显著。图5的响应面图反映制膜加热时间对膜透湿性的影响显著，加热温度对KGM膜透湿性的影响不显著，两两之间的交互作用不显著。图6的响应面图反映水溶胶KGM浓度和加热时间对KGM膜透湿性的影响均显著，但两两之间的交互作用不显著。由图4～6可知，随着KGM浓度的提高，KGM膜的透湿性呈现上升的趋势;随着加热温度和加热时间的升高，KGM膜透湿性均呈现先降低再升高的趋势。KGM膜透湿性的最低区域存在于地面最小的同心圆中，KGM浓度为0.45%～0.55%，加热温度为55～65 ℃，加热时间为37～43 min。

经Design-Expert8.0.6分析得到制膜3个因素的最佳取值为KGM浓度0.55%、加热温度58.14 ℃、加热时间 39.51 min，此时KGM膜水蒸气透过系数为0.047 9 g·mm/（m2·h·kPa）。按此配方进行3次平行试验得到的平均KGM膜水蒸气透过系数为0.048 1 g·mm/（m2·h·kPa），与模型预测值相近，表明软件分析得出的3个因素最佳值准确可靠且具有实际意义。

3结论

（1）KGM膜制备工艺中，KGM浓度和加热时间对KGM膜透湿性的影响都是显著的，加热温度对KGM膜透湿性的影响不显著。透湿性都呈现先降低再增大的趋势，所得响应面分析图可以直观地反映各因素与KGM膜透湿性的关系。

（2）由所得的二次回归模型分析，确定KGM膜最佳工艺条件为KGM浓度0.55%、加热温度58.14 ℃、加热时间 39.51 min。在此条件下制得KGM膜水蒸气透过系数为 0.047 9 g·mm/（m2·h·kPa）。

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