响应面法优化脱乙酰魔芋葡甘聚糖/κ-卡拉胶可食性膜的制备工艺

胡 燕， 邹 建， 袁晓晴

(河南牧业经济学院，河南 郑州 450046)

魔芋葡甘聚糖(KGM)是从魔芋块茎中提取得到的一种天然多糖[1]。在食品工业中，KGM是经食品药品监督管理局批准的一种食品添加剂，安全性极好，得到广泛的应用[2-3]。其分子结构为分子比1.6∶1.0的甘露糖和葡萄糖通过β-1,4糖苷键聚合而成的链状多糖，且有部分乙酰基随机连接到糖单元上[4]。众多的研究结果表明，通过碱脱乙酰化对KGM进行改性可使之凝胶化[2,5-6]。脱乙酰作用会使得KGM的无乙酰区交联，形成三维网络结构[7]。卡拉胶是从红藻类海草中提取出来的一类亲水性胶体，它的化学结构是由半乳糖及脱水半乳糖所组成的多糖类硫酸酯的钙、钾、钠、铵盐[8-9]。由于其优良的功能特性，如胶凝性、增稠性、乳化性、稳定性等，被广泛用于各类食品的生产[10-12]。据报道，KGM与卡拉胶复配后协同增效作用明显，可形成强度大、黏弹性适中且表面均匀光滑的凝胶[13-14]。脱除部分乙酰基后，KGM与卡拉胶混合体系的加工性能更加优良，如黏度变小因而利于混合，凝胶硬度根据需求可进一步增大，凝胶脱水收缩现象进一步减小等[15]。

近年来，可食性膜由于具有制作工艺简单、成本低、可食、使用方便、易降解以及对环境不产生污染等优良特点成为研究热点。利用KGM或者KGM与卡拉胶混合研制可食性膜的研究已有一些[16-17]，但是以脱乙酰魔芋葡甘聚糖(Da-KGM)与卡拉胶混合制备可食性膜的研究目前尚未见报道。本研究以Da-KGM与κ-卡拉胶为主要材料制备可食性膜，并对其制备过程中的主要参数进行了优化，以期研发一种性能优良的Da-KGM/κ-卡拉胶可食性膜。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

魔芋葡甘聚糖(食用级)，由湖北强森魔芋科技有限公司生产，κ-卡拉胶、甘油、无水碳酸钠、氯化钠、盐酸和氯化钾均为分析纯，由国药集团化学试剂有限公司生产。

1.2 仪器与设备

BS210S分析天平购自德国Sartorius公司，BL310电子天平购自德国Sartorius公司，HH4数显恒温水浴锅购自国华电器有限公司，SHZ-82A机械揽拌机购自国华电器有限公司，DJH-136L-L 鼓风干燥箱购自上海简户仪器设备有限公司，AGS-J电子万能试验机购自岛津企业管理(中国)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 脱乙酰魔芋葡甘聚糖的制备 不同的脱乙酰度的KGM用Chen等[18]的方法制备，稍加改动。准确称量30.00 g KGM 粉末于具塞锥形瓶中，加入200 ml 50%(体积比) 的酒精溶液，然后放置于恒温振荡器中于150 r/min的转速40 ℃ 充分溶胀30 min。再分别加入一定量的Na2CO3溶液，使得Na2CO3与KGM的质量比分别为0、0.75%、1.50%、2.25%、3.00%，40 ℃反应24 h。反应完成后，分别用50%、75%和 95%的酒精溶液清洗3遍以除去过量的碱，再用无水酒精脱水处理，过量的酒精在通风橱中蒸发，最后置于真空干燥机于40 ℃真空干燥6 h。通过改变Na2CO3的用量，一系列不同脱乙酰度的Da-KGM 粉末制备成功，分别标记为Da0、Da1、Da2、Da3和Da4。

1.3.2 脱乙酰度的测定 脱乙酰度(DD)定义为脱去的乙酰基含量与KGM分子中乙酰基总含量的比值。根据Zhang等报道的滴定法进行测定[19]。测定方法如下：准确称量0.5 g KGM 粉末于具塞锥形瓶中，加入10 ml 75%(体积比) 的酒精溶液，然后放置于恒温振荡器中于150 r/min的转速40 ℃ 充分溶胀30 min。当样品溶液冷却到室温后，加入0.5 ml 0.5 mol/L NaOH溶液，置于恒温振荡器中于150 r/min的转速40 ℃皂化24 h。过量的碱用0.1 mol/L的盐酸溶液滴定。以不加KGM粉末的作为空白对照，每个样品平行测定3次，结果取平均值。乙酰基的含量(W0)用公式(1)计算：

(1)

式中V2代表滴定空白样品所消耗的HCl体积，V1代表滴定KGM样品所消耗的HCl体积，NHCl代表HCl的当量浓度，Macetyl=43 g/mol ，ms代表样品质量。

脱乙酰度用公式(2)进行计算：

DD=(W0-W)/W0×100%

(2)

式中W0代表天然KGM中乙酰基总含量，W代表在试验条件下脱除部分乙酰基后剩下的乙酰基的含量。根据该方法进行测定，本试验中制备的Da-KGM的脱乙酰度分别为Da0(天然KGM，脱乙酰度为0)，Da1(脱乙酰度为13.43%),Da2(脱乙酰度为26.13%)，Da3(脱乙酰度为45.01%)，Da4(脱乙酰度为63.23%)。

1.3.3 复合可食性膜的制备方法 复合可食性膜的制备方法参考张莉琼等[16]的方法，稍作改动。将一定脱乙酰度的魔芋葡甘聚糖与κ-卡拉胶按照一定的比例混合，边搅拌边溶于适量蒸馏水中，加入一定量的甘油作为增塑剂，再加入固体KCl使其浓度为0.1 mol/L，机械搅拌6 h使其充分溶解并混匀。然后将混合液体放入真空干燥箱中于-0.8 MPa下脱气30 min。脱气后在一定温度的水浴锅中加热溶胀一段时间，趁热将膜液流延于平整光滑的塑料托盘中，再于50 ℃鼓风干燥箱中干燥12 h成膜。工艺流程如图1所示。

图1 Da-KGM/κ-卡拉胶可食性膜制备工艺流程Fig.1 Process flow of deacetylated konjac glucomannan(Da-KGM)/κ-carrageenan edible films

1.3.4 单因素试验 按照图1的生产工艺制备脱乙酰魔芋葡甘聚糖(Da-KGM)/κ-卡拉胶可食性膜，各因素固定值分别为：Da-KGM的脱乙酰度为26.13%，Da-KGM与κ-卡拉胶的比例为1∶1(质量比)，Da-KGM的添加量为1%，甘油添加量为0.4%，加热温度为70 ℃，加热时间为30 min，保持其他5个因素不变，每次改变1个因素，设计Da-KGM的脱乙酰度分别为0、13.43%、26.13%、45.01%、63.23%；Da-KGM与κ-卡拉胶的比例分别为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3；Da-KGM的添加量分别为0.50%、0.75%、1 .00%、1.25%、1.50%；甘油添加量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%；加热温度分别为40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃；加热时间分别为10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min。多糖类薄膜材料常见缺点为弹性和隔水性不足，因此主要选取断裂伸长率(E)和水蒸气透过系数(WVP)这2个指标进行测定。

1.3.5 响应面优化试验 在单因素试验的基础上，采用BBD设计方案，以Da-KGM的添加量、甘油添加量、加热温度和加热时间为自变量，可食性膜的断裂伸长率和水蒸气透过系数为响应值，设计4因素3水平响应面分析试验，确定最佳制备工艺。每一变量的低水平、中水平、高水平分别以-1、0、1编码，试验因素与水平见表1。

1.3.6 膜的断裂伸长率测定 根据黄艳等[17]的方法，参照GB/T 1040.3-2006，选取厚度相对均匀的膜，将其裁剪成15 mm×100 mm的长条形，用电子万能试验机进行测量。设定上下夹具间距为60 mm，测量速率为50 mm/min。

断裂伸长率(%)按公式(3)进行计算：

(3)

式中，L0为试验样品原始标线距离；L为试验样品断裂时标线间距离。

1.3.7 膜的水蒸气透过系数测定 参照GB/T 1037-1988 ，采用拟杯子法测定膜的水蒸气透过系数。参考黄艳等[17]的方法，准确称取2.0 g无水氯化钙，置于称量瓶中，然后用膜将瓶口密封，制成透湿杯，并称质量。在干燥器底部放置饱和的NaNO2溶液，再将准确称过质量的透湿杯放于干燥器上部，每隔一段时间称质量1次，最后计算出水蒸气透过率。水蒸气透过率计算公式如下：

(4)

式中，△W为透湿杯增加的质量，d为膜厚度，A为试验样品的透过面积，△t为时间变化，P2-P1为水蒸气透过膜两侧的蒸汽压差。

1.3.8 数据处理 单因素试验测定3 次，取平均值，使用origin8.5进行数据处理和统计分析，响应面采用Design Expert 8进行多元回归分析。

2 结果与分析

2.1 Da-KGM脱乙酰度对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响

由图2得知，Da-KGM的脱乙酰度对可食性膜断裂伸长率的影响和其对水蒸气透过系数的影响都很显著(P<0.05)。随着Da-KGM的脱乙酰度的增大，可食性膜的断裂伸长率先增大后减小。当脱乙酰度为26.13%时，可食性膜的断裂伸长率达最大值。而可食性膜的水蒸气透过系数则随着脱乙酰度的增大而逐渐减小，但当脱乙酰度增大到26.13%后，水蒸气透过系数减小的趋势较缓慢。Huang等的研究结果也表明，脱除部分乙酰基后的KGM制备膜材料时，可以得到更好的诸如拉伸强度、断裂伸长率和水蒸气透过系数等加工性能[20]。随着脱乙酰度的增大，Da-KGM与κ-卡拉胶之间形成的凝胶结构更加致密，硬度增大[15]。综合断裂伸长率和水蒸气透过系数2个指标来看，26.13%脱乙酰度的KGM较适合制备可食性膜材料。

图2 Da-KGM脱乙酰度对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响Fig.2 Effects of deacetylation degree of Da-KGM on elongation and water vapor permeability

2.2 Da-KGM与卡拉胶比例对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响

由图3得知，随着Da-KGM与κ-卡拉胶混合比例发生变化，可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数都相应发生较大变化。二者比例为1∶1时，断裂伸长率数值最大。膜的水蒸气透过系数随着二者比例的增大逐渐减小，当二者比例达1∶1后，曲线趋于平缓，减小速率较慢。综合考虑膜断裂伸长率和水蒸气透过系数2个指标，当Da-KGM与κ-卡拉胶混合比例为1∶1时，制备出来的可食性膜加工性能较好。

图3 Da-KGM与卡拉胶比例对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响Fig.3 Effects of ratio of Da-KGM to κ-carrageenan on elongation and water vapor permeability

2.3 Da-KGM添加量对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响

由图4可知，随着Da-KGM添加量的增大，可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数都逐渐增大。这是因为虽然凝胶剂含量的增加，有助于凝胶的形成及凝胶强度的增大，但是KGM强的水合性质又使得过多的Da-KGM不利于可食性膜的阻水隔水性能。并且大量的Da-KGM也提高了可食性膜的制造成本。从图4可以看出，当Da-KGM的添加量超过1.00%时，水蒸气透过系数增大较迅速。所以综合考虑，Da-KGM的添加量为1%左右较适宜。

图4 Da-KGM添加量对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响Fig.4 Effects of Da-KGM content on elongation and water vapor permeability

2.4 甘油添加量对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响

甘油是膜材料制备中常用的增塑剂[21]。从图5可以看出，在试验范围内，可食性膜的断裂伸长率随着甘油添加量的增加而增大。但是可食性膜的水蒸气透过系数也随着甘油添加量的增加而增大，而且当甘油添加量超过0.4%后，水蒸气透过系数增大速度加快。这是因为甘油作为增塑剂，可以破坏分子内部氢键，增大膜的通透性[22]。综合考虑2个指标，甘油添加量为0.4%左右较为适宜。

图5 甘油添加量对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响Fig.5 Effects of glycerol content on elongation and water vapor permeability

2.5 加热温度对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响

由图6可以看出，随着加热温度的提高，可食性膜的断裂伸长率先逐渐增大，约60 ℃时达最大值，其后基本维持不变，但当加热温度大于70 ℃后，可食性膜的断裂伸长率开始逐渐减小。而水蒸气透过系数在试验所测范围内随着加热温度的提高而逐渐减小。综合考虑2个指标，70 ℃左右的加热温度较为适宜。

图6 加热温度对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响Fig.6 Effects of heating temperature on elongation and water vapor permeability

2.6 加热时间对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响

由图7可以看出，随着加热时间的延长，可食性膜断裂伸长率先逐渐增大，加热时间达到30 min后，开始逐渐减小。而水蒸气透过系数的变化趋势则相反，开始时随着加热时间的延长而逐渐减小，约40 min后开始逐渐增大。综合考虑2个指标，加热时间选择30 min或者40 min较为适宜。

图7 加热时间对可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数的影响Fig.7 Effects of heating time on elongation and water vapor permeability

2.7 响应面试验结果及分析

采用Design Expert8.0.6 软件，对表1数据进行回归拟合，分别以断裂伸长率(Y1)，水蒸气透过系数(Y2)为响应值，共29个处理，响应面试验结果见表2。

表2 响应面试验设计及结果

表3 回归模型方差分析

2.7.2 影响可食性膜性质的主要因素 由表4可知，影响可食性膜断裂伸长率的主要因素是Da-KGM添加量、甘油添加量和加热温度；影响复合膜水蒸气透过系数的主要因素是Da-KGM添加量、加热温度和加热时间。

2.7.3 工艺参数优化及验证结果 采用Box-Behnken中的联合求解，对断裂伸长率和水蒸气透过系数2个指标值进行自动权重分配，得到联合满意度。以联合满意度为响应值，得到优化后的最佳工艺参数为：Da-KGM添加量为1.01%，甘油添加量为0.43%，加热温度为68.72 ℃，加热时间为28.78 min。此条件下可食性膜断裂伸长率为25.80%，水蒸气透过系数为4.08 g·mm/(m2·h·kPa)。

对响应面优化所得参数进行验证试验，重复5次，结果见表5，测得可食性膜断裂伸长率和水蒸气透过系数分别为25.48%、4.19 g·mm/(m2·h·kPa)，与预测值25.80%、4.08 g·mm/(m2·h·kPa)较为接近，说明响应面优化所得数学模型对实际情况有较好的预测效果。

表4 各性能指标的回归方程及显著性检验结果

表5 对响应面优化所得参数验证的试验结果

3 讨 论

可食性包装膜是以天然可食性生物大分子材料为原料，通过添加一定的辅助剂而形成的具有一定网络结构的可食用薄膜[22]。大分子多糖经常被用来作为制备可食性膜的原料。KGM和卡拉胶均是食品工业中常用的亲水性多糖材料，不仅安全性好，而且具有多种生理保健功能。如长期进食KGM可以减肥、润肠通便、抗肿瘤[23]，而卡拉胶也具有抗病毒、抗肿瘤和免疫调节活性[24]。因此，KGM和卡拉胶都是制备可食性膜良好的备选材料。

由于KGM的水溶液黏度太大，不利于与其他原辅料进行混合，使用不方便。而且KGM的强亲水性也不利于膜材料的阻水隔水性能。而当KGM脱除部分乙酰基后，其水溶液黏度会大幅下降，亲水性也大幅降低[25]。因此，本研究以Da-KGM与κ-卡拉胶为主要原料，甘油为主要辅料，制备复合可食性膜。并通过响应面法对其主要制备工艺参数进行了优化。本研究得到的主要工艺条件为：KGM的脱乙酰度为26.13%，Da-KGM的添加量为1.01%，Da-KGM与κ-卡拉胶的比例为1∶1(质量比)，甘油添加量为0.43%，加热温度为68.72 ℃，加热时间为28.78 min。在此条件下制备的复合可食性膜具有较适宜的断裂伸长率和水蒸气透过系数。 这得益于Da-KGM与κ-卡拉胶分子间的协同作用[15]。该研究结果在生产上具有较高的实用价值，可以为扩大KGM和卡拉胶的应用范围及后续产品的开发提供参考。