响应面法优化壳聚糖/核桃蛋白复合膜的制备工艺

郑 优,贾 亮,段 蓉,马莹莹

(西南大学荣昌校区,重庆 402460)



响应面法优化壳聚糖/核桃蛋白复合膜的制备工艺

郑 优,贾 亮,段 蓉,马莹莹

(西南大学荣昌校区,重庆 402460)

为了研究壳聚糖/核桃蛋白复合膜的制备工艺,采用响应面分析法对其进行优化。以壳聚糖/核桃蛋白质量比、甘油添加量、pH及戊二醛添加量为单因素,对膜的拉伸强度、断裂伸长率和水蒸气透过系数进行测定,得出各指标的二次回归模型。结果表明,壳聚糖/核桃蛋白质量比0.50、甘油添加量2.00 g、pH3.23、戊二醛添加量0.10 g时膜的各项性能最佳。该工艺参数下膜各性能指标分别为:(18.985±1.102) MPa、72.79%±2.172%、(4.41±0.125) g·mm/(m2·d·kPa)。

壳聚糖,核桃蛋白,可食膜

可食性膜是一种以天然可食用物质(如多糖[1]、脂质、蛋白质[2]、纤维素[3]等)为基质制成的可生物降解、可食、无毒的包装材料,可作为某些功能性成分(如抗褐变剂[4]、防腐剂[5-6]、抑菌剂[7]等)载体,已成为食品、药品和包装领域的研究热点[8-9]。

壳聚糖(CTS,chitosan)又称可溶性甲壳素,是甲壳素2位碳上的乙酰基被脱去后的产物,属天然多糖类高分子化合物,广泛存在于虾、蟹、昆虫等低等动物的外壳或真菌、藻类等低等植物的细胞壁中[10]。壳聚糖无毒无味,具有优良的天然抗菌性、成膜性能及生物相容性,以其为基质制备的可食性膜可以满足抗菌包装材料的要求,在食品包装领域具有广泛的应用前景[11-12]。

核桃是公认的优质植物蛋白资源,核桃蛋白的营养价值与动物蛋白相近,氨基酸含量丰富,8种必需氨基酸的含量比例合理,接近联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)规定的标准氨基酸配比,具有很高的食用价值和保健功能,在人体内的消化率高[13]。核桃蛋白具有较好的溶解性、乳化性、热稳定性、气泡性、保水性、成膜性和凝胶性等功能特性,其中成膜性是一个十分重要的功能性质,但对核桃蛋白成膜性能的研究鲜见报道。

以壳聚糖为成膜基质的单一膜的研究较多,但壳聚糖单一膜的机械性能较差、膜脆且易碎[14],限制了其在商业中的应用。目前,国内外已有研究人员尝试利用壳聚糖与蛋白质共混制备复合膜,主要研究壳聚糖与蛋白质之间的相容性[15]及复合膜的机械性能和成膜条件。Abugoch等[16]通过扫描电镜(SEM)和傅里叶红外光谱仪(FT-IR)考察了壳聚糖-藜麦蛋白复合膜的特性,结果表明,壳聚糖和藜麦蛋白具有很好的相容性,制成的复合膜的断裂伸长率、阻湿性能均比单一壳聚糖膜好。本文以壳聚糖和核桃蛋白为原料,探讨制备工艺参数(壳聚糖/核桃蛋白质量比、甘油添加量、pH及戊二醛添加量)对膜性能的影响,以期获得最佳制备工艺,为壳聚糖/核桃蛋白复合膜的制备提供基础参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

核桃 购于重庆荣昌永辉超市,四川薄皮核桃品种;壳聚糖(脱乙酰度90%、分子量300 ku) 购自青岛海汇生物工程有限公司;冰醋酸、甘油、戊二醛、亚硫酸钠等均为市售分析纯试剂。

CH-1-B手持式测厚仪(0.001 mm) 济南兰光机电技术有限公司;90-2型定时恒温磁力搅拌器 金坛市科欣仪器有限公司;XYW(L)-100N智能电子拉力测试机 济南兰光机电发展有限公司;DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;PB-10 sartorius精密pH计 德国赛多利斯公司;KQ5200DE型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;JXL型沉淀离心机 上海医用分析仪器厂;LGJ-18 型冷冻干燥机 北京四环科学有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 核桃蛋白粉的制备工艺 核桃→去壳→核桃仁→去皮→粉碎(过40目筛)→浸泡(加亚硫酸钠)→调pH为8.5→4000 r/min离心20 min→去油层和下层沉淀→加活性炭进行脱色→过滤→调pH为4.6并搅拌→4000 r/min离心20 min→沉淀层水洗至中性→冷冻干燥→核桃蛋白粉[17]

1.2.2 壳聚糖/核桃蛋白复合膜的制备 核桃蛋白水溶液+改性壳聚糖醋酸溶液→搅拌加入增塑剂甘油、交联剂戊二醛→调节pH→定容至100 mL→冷却至室温→超声波脱气→流延成膜(塑料板)→干燥→揭膜→贮存→待测

操作要点:

壳聚糖溶液的制备:准确称取一定量的壳聚糖粉末溶于1%的冰醋酸溶液中,匀速搅拌至完全溶解,抽滤,备用。

核桃蛋白溶液的制备:准确称取一定量的核桃蛋白粉溶于蒸馏水中,磁力搅拌30 min,60 ℃水浴30 min,过滤,备用。

1.2.3 单因素实验设计 选取壳聚糖/核桃蛋白质量比、甘油添加量、pH及戊二醛添加量为实验因素,研究这4个因素对膜性能的影响,结果以平均值±标准差表示。

固定甘油添加量为2 g,pH为2.0,戊二醛添加量为0.06 g,研究不同壳聚糖/核桃蛋白质量比(0∶8,2∶6,3∶5,4∶4,5∶3,6∶2,8∶0)对膜性能的影响;

固定壳聚糖/核桃蛋白质量比,pH为2.0,戊二醛添加量为0.06 g,研究不同甘油添加量(1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 g)对膜性能的影响;

固定壳聚糖/核桃蛋白质量比和甘油添加量,戊二醛添加量为0.06 g,研究不同pH(1、2、3、4、5)对膜性能的影响;

固定聚糖/核桃蛋白质量比、甘油添加量和pH,研究不同戊二醛添加量(0、0.03、0.06、0.09、0.12、0.15 g)对膜性能的影响。

1.2.4 响应面实验设计 在单因素实验的基础上,利用响应面分析Design-Expert软件,制定4因素3水平的Box-Behnken实验设计,并对各个指标进行工艺优化。因素水平表为表1。

表1 响应面实验因素水平表Table 1 Factors and levels in response surface design

1.2.5 指标测定

1.2.5.1 膜厚的测定 用测厚仪在膜上随机取3点测定,结果以平均值±标准差表示,单位为mm。

1.2.5.2 机械性能的测定 参照GB/T13022-91的规定,用电子拉力机测定,采用II型试样模具裁切膜样,设定膜的初始夹距为80 mm,实验拉伸速度为50 mm/min。通过以下公式得出膜的拉伸强度和断裂伸长率[18]:

式(1)

式(2)

式(1)中,TS为拉伸强度(MPa);F为膜所受的最大拉力(N);S为膜的横截面积(m2);式(2)中,E为断裂伸长率(%);L0为膜的原始长度(mm);ΔL为膜断裂时增加的长度(mm)。

1.2.5.3 水蒸气透过系数的测定 参照GB1037-88的方法,用拟杯子法测定[19],通过下式计算水蒸气透过系数。

式(3)

式(3)中,WVP为水蒸气透过系数(g·mm/(m2·d·kPa));Δm为时间t内水蒸气透过量(g);d为膜厚(mm);A为试样面积(m2);t为测试时间(d),本实验为2 d;ΔP为试样两侧水蒸气压差(kPa)。

1.2.6 数据统计与分析 利用Design-Expert7.0软件对响应面实验结果进行方差分析(p<0.05)。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 壳聚糖/核桃蛋白质量比对壳聚糖/核桃蛋白复合膜性能的影响 由图1和图2可以看出,随着壳聚糖/核桃蛋白质量比的增大,膜的拉伸强度呈不断上升趋势,而膜断裂伸长率先上升后下降,膜水蒸气透过系数呈先下降后上升趋势。这可能是因为当壳聚糖/核桃蛋白质量比增大时,壳聚糖的添加量增加,较强的多糖间的结合力取代了较弱的多糖和蛋白质间的结合力,因此复合膜的拉伸强度不断上升[20]。但壳聚糖和核桃蛋白的结合位点是有限的,当壳聚糖添加量增加到一定程度,二者的分子间结合趋向饱和,当壳聚糖含量继续增加时,二者的作用位点不再增加。当壳聚糖/核桃蛋白质量比为0∶8～4∶4时,膜断裂伸长率不断上升并在4∶4处达最大值,膜水蒸气透过系数不断下降并在4∶4处达最小值,此时膜亦具有较高的拉伸强度。综合考虑各个因素,较适的壳聚糖/核桃蛋白质量比为4∶4。

图1 壳聚糖/核桃蛋白质量比对膜机械性能的影响Fig.1 Effect of ratio of chitosan and walnut protein on mechanical properties of film注:图中a,b,c等表示用邓肯氏新复极差法检验 膜同一性能在0.05水平上的差异性,字母相同表示 差异不显著,字母不同表示差异显著,图2～图8同。

2.1.2 甘油添加量对壳聚糖/核桃蛋白复合膜性能的影响 由图3和图4可看出,当甘油添加量从1.5 g变化至3.5 g时,膜的拉伸强度呈不断下降趋势,膜的断裂伸长率呈不断上升趋势,但二者的变化趋势均在甘油添加量为2.5 g处放缓;膜的水蒸气透过系数呈先下降后上升趋势,在甘油添加量为2.5 g处达最小值4.531 g·mm/(m2·d·kPa)。这可能是因为甘油的加入削弱了大分子间的相互作用,增强了膜的柔韧性;低添加量的甘油能促进复合膜形成阻湿性能更好的膜,但高添加量的甘油更趋向于增加膜的亲水性,因此WVP会先下降后上升。综合考虑膜的各项性能,选择2.5 g为最适甘油添加量。

图3 甘油添加量对膜机械性能的影响Fig.3 Effect of glycerol addition on mechanical properties of film

图4 甘油添加量对膜水蒸气透过系数的影响Fig.4 Effect of glycerol addition on WVP of film

2.1.3 pH对壳聚糖/核桃蛋白复合膜性能的影响 由图5和图6可以看出,随着pH的增大,膜拉伸强度呈先上升后下降的趋势,并在pH为3时达最大值18.95 MPa;膜的断裂伸长率呈上升趋势,膜的水蒸气透过系数呈下降趋势。这可能是因为pH为1～3时,壳聚糖和核桃蛋白在酸性环境下越来越容易成膜,拉伸强度不断上升,膜的柔韧性和阻湿性能也进一步提升;但当pH大于3时,逐渐靠近核桃蛋白的等电点(pH为4～5),部分核桃蛋白从溶液中析出和凝聚,膜的结构不再完整,拉伸强度显著下降;但析出的核桃蛋白分子是富有弹性的物质且能渗入膜的孔隙使膜的结构趋向致密,因此此时膜的断裂伸长率出现进一步的增大的趋势,膜的WVP值进一步下降。综合考虑膜的各项性能,选定3为最适pH。

图5 pH对膜机械性能的影响Fig.5 Effect of pH on mechanical properties of film

图6 pH对膜水蒸气透过系数的影响Fig.6 Effect of pH on WVP of film

2.1.4 戊二醛添加量对壳聚糖/核桃蛋白复合膜性能的影响 由图7和图8可以看出,随着戊二醛添加量的增大,膜的拉伸强度呈上升趋势,膜的断裂伸长率和水蒸气透过系数均呈下降趋势。这可能是因为交联剂小分子与蛋白质、多糖分子产生了键合作用,使膜结构变得更加致密,因而提高了膜的拉伸强度和阻湿性能。由图中亦可以看出,膜性能的变化趋势在戊二醛添加量为0.09 g处变缓,这可能与蛋白质中的氨基酸结构和含量有关,它们决定了成膜过程中交联反应进行的程度和键合作用的强度。综合考虑,选择0.09 g为最适添加量。

图7 戊二醛添加量对膜机械性能的影响Fig.7 Effect of glutanaldehyde addition on mechanical properties of film

图8 戊二醛添加量对膜水蒸气透过系数的影响Fig.8 Effect of glutanaldehyde addition on WVP of film

2.2 响应面实验结果及分析

2.2.1 响应面实验设计及结果 因素水平表为表1,实验结果为表2。

2.2.2 拟合方程方差分析 由表3可以看出,三个响应值的模型回归均极显著(p<0.001),且三个模型的失拟检验p>0.05,这表明三个模型失拟不显著,能较好地描述实验结果。三个回归模型的决定系数R2分别为0.9868、0.9981、0.9719,这表明该模型的拟合度较好,分别能够解释98.68%、99.81%、97.19%响应值的变化,因此可用这些回归模型代替真实实验点对实验结果进行分析。同时,这三个模型均具有较低的离散系数(CV=2.62%、1.45%、2.16%),说明整个实验具有较好的精确度和可靠性。

2.2.3 响应面分析 由表3可看出,甘油添加量和pH是影响膜拉伸强度的主要因素,实验因素X2和X3、X3和X4的交互作用显著,它们的响应面图分别为图9和图10。以图9为例,当pH保持不变时,膜拉伸强度随甘油添加量的增大不断减小,表现为响应面曲线较陡;当固定甘油添加量时,膜拉伸强度随pH的增大呈先增大后减小的趋势。从图9可看出响应面存在极大值。

图9 甘油添加量、pH对膜拉伸强度的影响Fig.9 Effect of glycerol addition and pH on TS

图10 pH、戊二醛添加量对膜拉伸强度的影响Fig.10 Effect of pH and glutanaldehyde addition on TS

图11 壳聚糖/核桃蛋白质量比、 甘油添加量对膜断裂伸长率的影响Fig.11 Effect of ratio of chitosan and walnut protein and glycerol addition on E

从表3可以看出,壳聚糖/核桃蛋白质量比和甘油添加量是影响膜断裂伸长率的主要因素,实验因素X1和X2、X1和X3的交互作用显著,它们的响应面图分别为图11和图12。以图11为例,当甘油添加量保持不变时,膜断裂伸长率随壳聚糖/核桃蛋白质量比的上升不断下降;当固定壳聚糖/核桃蛋白质量比时,膜断裂伸长率随甘油添加量的增大不断增大。响应面在壳聚糖/核桃蛋白质量比在0.44～0.56,甘油添加量为2.2～2.6 g时存在极值,二者有明显的交互作用。

表2 Box-Behnken实验设计及结果Table 2 Box-Behnken design and experimental results

表3 各因素对壳聚糖/核桃蛋白复合膜性能影响的最佳拟合方程表Table 3 Best-fit equations for properties of chitosan/walnut protein composite films as function of various factors

图12 壳聚糖/核桃蛋白质量比、 pH对膜断裂伸长率的影响Fig.12 Effect of ratio of chitosan and walnut protein and pH on E

注:表中**表示差异极显著,p<0.01;*表示差异显著,p<0.05。从表3可看出,壳聚糖/核桃蛋白质量比和戊二醛添加量均是影响膜水蒸气透过系数的主要因素,实验因素X1和X3、X1和X4的交互作用显著,它们的响应面图分别为图13和图14。以图14为例,当壳聚糖/核桃蛋白质量比一定时,膜水蒸气透过系数随戊二醛添加量的上升不断下降;当固定戊二醛添加量时,膜水蒸气透过系数随壳聚糖/核桃蛋白质量比的增大呈先减小后增大的趋势。响应面在壳聚糖/核桃蛋白质量比在0.44～0.56,戊二醛添加量0.07～0.11 g时的坡面极陡,且响应面存在极小值,两者的交互作用显著。

图13 壳聚糖/核桃蛋白质量比、 pH对水蒸气透过系数的影响Fig.13 Effect of ratio of chitosan and walnut protein and pH on WVP

图14 壳聚糖/核桃蛋白质量比、 戊二醛添加量对水蒸气透过系数的影响Fig.14 Effect of ratio of chitosan and walnut protein and glutanaldehyde addition on WVP

2.2.4 制膜工艺的优化与验证 采用Design-Expert软件,对3个二次回归方程进行联合求解,得最佳的制膜工艺为:壳聚糖/核桃蛋白质量比0.50、甘油添加量2.00 g、pH3.23、戊二醛添加量0.10 g,此时壳聚糖/核桃蛋白复合膜各性能指标的理论预测值分别为19.34 MPa、73.35%、4.24 g·mm/(m2·d·kPa)。在最佳制膜工艺下进行验证实验,得出各性能指标的验证值分别为:(18.985±1.102) MPa、72.79%±2.172%、(4.41±0.125) g·mm/(m2·d·kPa),与预测值基本接近,表明上述回归模型具有良好的拟合性和可靠性。

3 结论

通过响应面分析法建立了壳聚糖/核桃蛋白复合膜3个性能指标(拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过系数)的二次回归模型,各回归模型均显著,拟合度良好。其中,甘油添加量和pH是影响膜拉伸强度的主要因素;壳聚糖/核桃蛋白质量比和甘油添加量是影响膜断裂伸长率的主要因素;壳聚糖/核桃蛋白质量比和戊二醛添加量均是影响膜水蒸气透过系数的主要因素。

壳聚糖/核桃蛋白复合膜的最佳的制膜工艺为壳聚糖/核桃蛋白质量比0.50、甘油添加量2.00 g、pH3.23、戊二醛添加量0.10 g。在此条件下各性能的理论值为19.34 MPa、73.35%、4.24 g·mm/(m2·d·kPa),验证值为:(18.985±1.102) MPa、72.79%±2.172%、(4.41±0.125) g·mm/(m2·d·kPa),与理论值接近,具有良好的预测性,优化结果可靠。

[1]Ma Qiumin,Zhang Yue,Critzer F,et al. Physical,mechanical,and antimicrobial properties of chitosan films with microemulsions of cinnamon bark oil and soybean oil[J]. Food Hydrocolloids,2016(52):533-542.

[2]Rubilar J F,Zúiga R N,Osorio F,et al. Physical properties of emulsion-based hydroxypropyl methylcellulose/whey protein isolate(HPMC/WPI)edible films[J]. Carbohydrate Polymes,2015(123):27-38.

[3]Ramírez C,Gallegos I,Ihl M,et al. Study of contact angle,wettability and water vapor permeability in carboxymethylcellulose(CMC)based film with murta leaves(Ugni molinae Turcz)extract[J]. Journal of Food Engineering,2012(109):424-429.

[4]Robles-s ánchez R M,Rojas-graü M A,Odriozola-serrano I,et al. Influence of alginate-based edible coating as carrier of antibrowning agents on bioactive compounds and antioxidant activity in fresh-cut Kent mangoes[J]. LWT-Food Science and Technology,2013(50):240-246.

[5]Jouki M,Mortazavi S A,Yazdi F T,et al. Use of quince seed mucilage edible films containing natural preservatives to enhance physico-chemical quality of rainbow trout fillets during cold storage[J]. Food Science and Human Wellness,2014(3):65-72.

[6]Ollé R C P,Jagus R J,Gerschenson L N,et al. Effect of natamycin,nisin and glycerol on the physicochemical properties,roughness and hydrophobicity of tapioca starch edible films[J]. Materials Science and Engineering C,2014(40):281-287.

[7]Ramos ó L,Silva S I,Soares J C,et al. Features and performance of edible films,obtained from whey protein isolate formulated with antimicrobial compounds[J]. Food Research International,2012(45):351-361.

[8]Sorrentino A,Gorrasi G,Vittoria V,et al. Potential perspectives of bio-nanocomposites for food packaging applications[J]. Trends in Food Science and Technology,2007,18(2):84-95.

[9]Hernandez M,Krochta M. Thermoplastic processing of proteins for film formation-a review[J]. Journal of Food Science,2008,73(2):30-39.

[10]Ourbon A I,Pinheiro A C,Cerqueira M A,et al. Physico-chemical characterization of chitosan-based edible films incorporating bioactive compounds of different molecular weight[J]. Journal of Food Engineering,2011,106(2):111-118.[11]Xu Y X,Kim K M,Hanna M A,et al. Chitosan-starch composite film:preparation and characterization[J]. Industrial Corps and Products,2005(21):185-192.

[12]Ferreira C O,Nunes C A,Delgadillo I,et al. Characterization of chitosan-whey protein films at acid pH[J]. Food Research International,2009,42(7):807-813.

[13]刘玲,韩本勇,陈朝银,等. 核桃蛋白研究进展[J]. 食品与发酵工业,2009,35(9):116-118.

[14]陈悦,陈季旺,周琦,等. 壳聚糖-乳清分离蛋白复合膜的制备、形态结构及理化性质[J]. 食品科学,2014,35(9):106-111.

[15]Silva S S,Goodfellow B J,Benesch J,et al. Morphology and miscibility of chitosan/soy protein blended membranes[J]. Carbohydrate Polymers,2007,70(1):25-31.

[16]Abugoch L E,Tapia C,Villam N M C,et al. Characterization of quinoa protein-chitosan blended edible films[J]. Food Hydrocolloids,2011,25(5):879-886.

[17]敬思群. 响应面法超声波辅助提取核桃蛋白工艺优化[J]. 食品科技,2012,37(2):251-255.

[18]轻工业部塑料加工应用科学研究所. GB/T13022-1991 塑料-薄膜拉伸性能实验方法[S]. 北京:中国标准出版社,1991.

[19]汪学荣,周玲,阚建全,等. 超声波处理海藻酸钠膜液对膜性能的影响[J]. 食品工业科技,2010,31(5):308-310.

[20]孙秀秀,马中苏. 大豆分离蛋白/壳聚糖可食膜的制备及其性能的研究[J]. 中国农业科技导报,2009,11(6):80-85.

Optimization of preparation of chitosan/walnut protein complex film by response surface methodology

ZHENG You,JIA Liang,DUAN Rong,MA Ying-ying

(Rongchang Campus,Southwest University,Chongqing 402460,China)

Tostudythepreparationconditionsofchitosan/walnutproteincomplexfilm,thepreparationconditionswereoptimizedthroughresponsesurfacemethodology.Withratioofchitosanandwalnutprotein,glyceroladdition,pH,glutanaldehydeadditionbeingresponsefactors,thetensilestrength,elongationandwatervaporpermeabilityofediblefilmweremeasuredandthequadraticregressionmodelsofindicatorswereachieved.Theresultsshowedthattheoptimalpreparationconditionswereratioofchitosanandwalnutprotein0.50,glyceroladdition2.00g,pHvalue3.23,glutanaldehydeaddition0.10g.Underthiscondition,theactualpropertiesofediblefilmswere(18.985±1.102)Mpa,72.79%±2.172%,(4.41±0.125)g·mm/(m2·d·kPa).

chitosan;walnutprotein;ediblefilm

2016-05-10

郑优(1989-)，女，硕士，实验师，研究方向：畜产品加工及贮藏，E-mail：zhengyou1989@163.com。

西南大学荣昌校区青年基金项目(20700438)；中央高校基本业务费专项资金资助(XDJK2016C054)；西南大学荣昌校区科研启动基金(20700209)。

TS206.4

B

1002-0306(2016)21-0224-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.044