响应曲面法优化可食玉米醇溶蛋白膜制备工艺

响应曲面法优化可食玉米醇溶蛋白膜制备工艺3李运罡,李梦琴,吴坤(河南农业大学食品科技学院,河南郑州,450002)摘　要　通过单因素试验和响应曲面法,优化了可食玉米醇溶蛋白膜制备工艺。

以乙醇体积分数、固液比、油酸用量和膜液加热温度为因素,以断裂伸长率(E )、拉伸强度(TS )、水蒸气透过系数(W V P )为响应值对实验进行响应面设计,建立了断裂伸长率(E )、拉伸强度(TS )、水蒸气透过系数(W V P )的回归模型,优化的工艺条件为乙醇体积分数82%、固液比(g ∶mL )1∶10、油酸用量015mL/g 玉米醇溶蛋白、膜液加热温度70℃。

关键词　可食玉米醇溶蛋白膜,膜性能,响应曲面法　第一作者:硕士研究生(李梦琴教授为通讯作者)。

3河南省重大科技攻关项目(072101110100)　收稿日期:2008-09-18,改回日期:2008-11-24 玉米醇溶蛋白是一种优质的可食性蛋白成膜材料,其特殊的氨基酸组成使制成的薄膜在无需加入添加剂的情况下具有良好的阻湿性和阻氧性,在添加增塑剂增塑后具有良好的机械性能。

玉米醇溶蛋白膜的耐水性和耐脂性强、安全性高,在高温、高湿条件下稳定性良好,且具有防潮、隔氧、抗紫外线、保香、不透油、防静电、透明、有光泽等特性,对细菌有一定的抑制作用,能延长食品的货架寿命[1],也可被微生物及肠类酶分解,具有生物可降解性[2,3],成膜后在酸性条件下稳定,在中性及碱性条件下不稳定,具有肠溶性(溶于肠而不溶于胃)[4],黄国平等人[5]通过试验证实玉米醇溶蛋白作为肠溶药物或保健品包材的可能性。

因此,对玉米醇溶蛋白成膜性的研究以及开发可食性包装薄膜具有良好的应用前景。

1　材料和方法111　材料与设备玉米醇溶蛋白(蛋白质含量为92160%),自备;其他试剂均为市售分析纯试剂。

LDZ 201电子拉力实验机,济南东方试验仪器有限公司;外径千分尺(0～25mm ,01001mm ),上海量具刃具厂;H G 25恒温磁力搅拌器,常州国华电器有限公司;H H 26恒温水浴锅,河南智诚科技发展有限公司;RQ H 2250型程控人工气候箱,上海精宏实验设备有限公司。

112　玉米醇溶蛋白膜的制备工艺将玉米醇溶蛋白按照一定比例加入乙醇溶液和油酸,在磁力搅拌器上搅拌均匀,然后放入预先设定温度的恒温水浴中热处理一定时间,取膜液涂于平盘上成膜,揭膜后在程控人工气候箱中(相对湿度为50%)平衡48h 后,裁成标样对膜的性能进行测定。

113　膜的性能测定[6]11311　膜厚度的测量选取平整均匀的膜用螺旋测微器在膜上对称取4个点测膜厚度,取其平均值。

在制膜过程中将膜厚度控制在(0105±01002)mm 范围内。

11312　拉伸强度(T S )拉伸强度以T S (M Pa )表示,按下式计算:TS =P b ×d式中:P ,最大负荷,N ;b ,试样宽度,mm ;d ,试样厚度,mm 。

11313　断裂伸长率(E )断裂伸长率以E 表示,按下式计算:E/%=L ×L 0L 0×100式中:L 0,试样原始标线间距离,mm ;L ,试样断裂时距离标线间距离,mm 。

11314　水蒸气透过系数(W V P )将已制备好的试样密封于装有约4g 干燥剂(氯化钙)的锥形瓶口中,然后将锥形瓶放在相对湿度为50%环境中,定期测定锥形瓶的增质量[7]。

W V P =Δm ×dA ×t ×ΔP 式中:Δm ,t 时间内的质量增量,g ;d ,试样厚度,m ;t ,质量增量稳定后的2次间隔时间,s ;A ,试样透水蒸气的面积,m 2。

ΔP ,试样两侧的水蒸气压差,Pa 。

2　结果与讨论211　单因素试验及其分析21111　膜液加热温度的确定在乙醇体积分数80%、固液比(g∶mL)1∶10、油酸用量015mL/g玉米醇溶蛋白的条件下,采用不同的膜液加热温度制备可食性膜,其T S、E、W V P变化情况如图1、图2所示。

图1　膜液加热温度对膜TS和E的影响图2　膜液加热温度对膜W V P的影响图1显示,温度升高T S和E呈现上升趋势,在70℃时T S和E最大,随后温度升高T S和E又降低。

这是因为加热可是使蛋白质大分子内部的巯基和疏水基团等暴露在分子表面,增加了分子内或分子间的相互作用,可以形成稳定、有序、致密、坚固的空间网络结构,形成膜的T S和E增大;温度过高成膜液的流动性降低,难以形成稳定坚固的网络结构,形成膜的T S和E降低。

图2显示,温度升高W V P降低,在温度为70℃时W V P最小,温度继续升高W V P反而升高。

这是由于温度升高使蛋白质大分子结构规则、排列有序,分子间以氢键、二硫键及疏水键紧密相连,整个分子体现为非极性,具有良好的耐湿性,因而W V P降低;温度继续升高,蛋白质大分子移动过快,难以趋于有序、稳定状态,未能形成均匀立体网状结构,疏水作用未得到加强,所以W V P又稍有提高。

实验结果以T S、E越大越好,W V P越小越好,综合考虑膜液加热温度70℃为好。

21112　固液比的确定在乙醇体积分数80%、油酸用量015mL/g玉米醇溶蛋白、膜液加热温度70℃的条件下,采用不同的固液比(g∶mL)制备可食性膜,其T S、E、W V P变化情况如图3、图4所示。

图3　固液比对膜TS和E的影响图4　固液比对膜W V P的影响图3可知,随着固液比的增加膜的T S和E降低,在固液比<1∶10时T S降低平缓,固液比>1∶10时T S降低幅度大,固液比增大E明显降低最后趋于平缓。

这是因为固液比的增加使玉米醇溶蛋白浓度降低,蛋白在凝聚时产生的氢键、二硫键及疏水键减少[8],从而导致T S和E降低。

图4可知,固液比增加W V P减低,在固液比为1∶10时W V P最小,随后固液比增加W V P增大。

这是因为玉米醇溶蛋白在乙醇溶液中具有一定的溶解度,当溶解趋向饱和时,膜可以形成稳定坚固的网路结构,分子间以氢键、二硫键及疏水键紧密相连,整个分子体现为非极性,膜具有良好的耐湿性,W V P最低。

综合考虑固液比对膜性能的影响,固液比1∶10为好。

21113　乙醇体积分数的确定在固液比(g∶mL)1∶10、油酸用量015mL/g 玉米醇溶蛋白、膜液加热温度70℃的条件下,采用不同的乙醇体积分数制备可食性膜,其T S、E、W V P变化情况如图5、图6所示。

图5可知,乙醇体积分数与玉米醇溶蛋白膜的性能有很大的关系。

随着乙醇体积分数的增加,膜T S 和E增大,当乙醇体积分数为80%时,膜T S和E最大,而后随乙醇体积分数的增加而降低。

这是因为玉米醇溶蛋白在80%乙醇溶液中溶解性和分散性好而图5　乙醇体积分数对膜TS 和E的影响图6　乙醇体积分数对膜W V P 的影响使其成膜效果也好,成膜柔软、均匀、透明、有光泽和富有弹性,分子间形成稳定、有序、致密、坚固的空间网络结构,使膜T S 和E 性能好。

图6可知,随着乙醇体积分数的增加,膜W V P 降低,在乙醇体积分数为80%时最小,而后随乙醇体积分数的增加而增大。

玉米醇溶蛋白溶于80%乙醇溶液中,分子间可以形成维持膜网络结构的氢键、二硫键及疏水键,使得有效亲水基团数减少,膜的W V P 也就降低了。

综合考虑乙醇体积分数80%为佳。

21114　油酸用量的确定在乙醇体积分数80%、固液比(g ∶mL )1∶10、膜液加热温度70℃的条件下,采用不同油酸用量(mL/g 玉米醇溶蛋白)制备可食性膜,其T S 、E 、W V P 变化情况如图7、图8所示。

图7　油酸用量对膜TS 和E 的影响由图7可知,随着油酸用量的增加,T S 呈下降趋势,E 呈上升趋势。

未加油酸时膜的刚性结构强,图8　油酸用量对膜W V P 的影响膜脆、易碎且表面粗糙,不利于应用于食品包装。

这是由于玉米醇溶蛋白分子间有较强的二硫键、疏水键紧密相连,分子间相互作用力大,缺乏流动性,形成的膜具有刚性结构。

油酸属于脂类物质,油酸通过共聚或酯基转移等反应改变聚合物的化学结构,从而显现对膜性能的改善[9]。

随着油酸的增加,蛋白质分子间和分子内的相互作用力大为减弱,改善了蛋白质分子网络的柔韧性,成膜柔软、有光泽和弹性。

因此,油酸能很好的改变膜的结构,使蛋白质分子内部结构更为紧密,能很好地和玉米醇溶蛋白成膜。

由图8可知,W V P 随油酸量增加先呈明显下降趋势后稍微上升,这是因为适当的油酸用量有利于蛋白质分子间形成均匀致密网络,使得有效亲水基团数目下降,膜的透湿性好。

综合考虑油酸用量015mL/g 玉米醇溶蛋白为宜。

212　响应曲面法实验设计及结果分析在上述单因素试验基础上经行响应曲面试验设计[10],确定可食玉米醇溶蛋白膜制备最优工艺条件。

利用Design Expert 软件,采用中心组合试验Box 2Behnken 设计方案[11],以乙醇体积分数(%)、固液比(g ∶mL )、油酸用量(mL/g )、膜液加热温度(℃)对工艺参数进行优化。

试验因素水平编码见表1。

表1　试验因素水平编码因　素编　码-101乙醇体积分数/%X 1758085固液比(g ∶mL )X 21∶81∶101∶12油酸用量/mL ・g -1X 3013015017膜液加热温度/℃X 4607080 设该模型通过最小二乘法拟合二次多项方程可表达为:Y =C 0+C 1X 1+C 2X 2+C 3X 3+C 4X 4+C 12X 1X 2+C 13X 1X 3+C 14X 1X 4+C 23X 2X 3+C 24X 2X 4+C 34X 3X 4+C 11X 12+C 22X 22+C 33X 32+C 44X 42(1)式中:Y 为预测响应值,C 0为常数项,C 1、C 2、C 3、C 4分别为线性系数,C 12、C 13、C 14、C 23、C 24、C 34为交互项系数,C11、C22、C33、C44为二次项系数。

为了确立二次多项方程(1),利用Design Expert软件来经行试验设计和数据分析。

试验设计方案和结果见表2。

表2　响应曲面分析实验点安排及实验结果序号X1X2X3X4E/%TS/MPa W V P×1011/g・(m・s・Pa-1) 101018152318451412101013165216951653-10-10919551195179410-10615071705178500009113519251286001-11219331035176700-116113616551788-101091023198518290-10-1101414132514810-1100617721895167110110121772137517612000091905189512713010-1618831885147140-1-1071785101516915-100-1912731985166161-100917741525146170-110101612157517318-100171503179516319110012125417451482000-1-14182616851772101-1041686128517022100-18111513451662310018170418451602400009125519651352500111014521675185260000101186102512627-1-100919251345156280-1017163415251392900001016841895129 利用Design Expert软件,通过表2中试验数据对方程(1)进行多元回归拟合,获得可食玉米醇溶蛋白膜拉伸强度(T S)、断裂伸长率(E)、水蒸气透过系数(W V P)对编码自变量膜液加热温度(℃)、固液比(g∶mL)、乙醇体积分数(%)、油酸用量(mL/g)的二次多项回归方程如下:断裂伸长率(E):Y1=9111+0155X1-0135X2+ 2146X3-0129X4+1141X1X2+2102X1X3+0159X1X4+ 1132X2X3+1110X2X4-0195X3X4(2)拉伸强度(T S):Y2=5174+0139X1-0119X2-1168X3-01078X4+0167X1X2-0195X1X3-01075X1X4-0137X2X3-01057X2X4-01082X3X4-0144X12-11013X22-0147X32-0163X42(3)水蒸气透过系数(W V P):Y3=5129-01042X1+ 01015X2+01005X3-01012X4-01022X1X2-0104X1X3-01075X1X4+0105X2X3+01075X2X4+0102X3X4+ 0118X12+01057X22+0134X32+0114X42(4)表3　断裂伸长率二次多项模型方差分析表变异源平方和自由度均方F值P值模　型120106810121006891608416<010001失拟项20182182141148727331559757011145误差项11671208401417802总　和142156128R2=018422R adj2=017546 从表3可见,本试验所选用的二次多项模型具有高度的显著性(P<010001),失拟项在P=0105水平上不显著(P=011145>0105),其决定系数(R2)为018422,表明此模型拟合较好,可点对实验结果进行分析。