響應(yīng)面優(yōu)化魔芋葡甘聚糖膜力學(xué)性能研究

陳文平，江貴林，汪 超,2,*，陳士勇，呂文平，姜發(fā)堂,2

(1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.武漢力誠(chéng)生物科技有限公司，湖北 武漢 430074)

響應(yīng)面優(yōu)化魔芋葡甘聚糖膜力學(xué)性能研究

陳文平1，江貴林1，汪 超1,2,*，陳士勇1，呂文平1，姜發(fā)堂1,2

(1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.武漢力誠(chéng)生物科技有限公司，湖北 武漢 430074)

水相中溶致魔芋葡甘聚糖(KGM)流延干燥成膜，分析膜的力學(xué)特性。篩選并確定KGM質(zhì)量濃度、制備溫度、制備時(shí)間、靜置時(shí)間、干燥溫度5個(gè)因素的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以拉伸強(qiáng)度為考察指標(biāo)，采用響應(yīng)面優(yōu)化KGM膜的制備工藝。結(jié)果表明：5個(gè)因素對(duì)膜的拉伸強(qiáng)度均有顯著影響，依次為KGM質(zhì)量濃度＞制備溫度＞靜置時(shí)間＞干燥溫度＞制備時(shí)間，且最優(yōu)條件為2.19g/100mL KGM、60.0℃攪拌190min、靜置156min、51.1℃干燥。制備的膜表面平整光滑，拉伸強(qiáng)度最佳，耐水性較好。

魔芋葡甘聚糖；拉伸強(qiáng)度；響應(yīng)面分析

Abstract：To achieve optimal mechanical properties of konjac glucomannan (KGM) film prepared by the solution casting method, Plackett-Burman factorial design was used to select the most important ones affecting KGM film tensile strength out of 7 technological parameters and subsequently, the optimal values of selected parameters, namely KGM concentration (X1),stirring time (X2), heating temperature (X3), standing time (X5) and drying temperature (X7), for improved KGM film tensile strength were investigated using response surface analysis based on a 5-variable, 3-level central composite design leading to 46 experiments.Results showed that the above selected parameters all had significant effects on KGM film tensile strength in the decreasing order: X1＞ X3＞ X2＞ X7＞ X5and their optimal values were as follows: KGM concentration 2.19 g/100 mL, heating temperature 60.0 ℃ for 190 min stirring, standing time 156 min and drying temperature 51.1 ℃. The KGM film obtained under such conditions exhibited a smooth regular surface, an optimal tensile strength and good water resistance.

Key words：konjac glucomannan；tensile strength；response surface analysis

魔芋為天南星科魔芋屬的多年生宿莖草本植物，魔芋粉的主要成分魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是天然水溶性膳食纖維，由β-1,4糖苷鍵連接的D-吡喃葡萄糖和D-吡喃甘露糖組成[1]，具有優(yōu)良的束水性、膠凝性、增稠性、黏結(jié)性、可逆性、懸浮性、成膜性、賦味性[2]等多種特性，具有潤(rùn)腸通便，降血壓，提高免疫力[3]等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，特殊宗教信仰和素食飲食原則使得仿生食品[4]中有著極大的開(kāi)發(fā)市場(chǎng)。KGM在適當(dāng)處理后會(huì)形成可食性和自然降解的優(yōu)良膜材料，未經(jīng)改性的KGM的成膜性因其溶解度低，溶膠穩(wěn)定性差，使膜的均勻性差，拉伸強(qiáng)度弱，膜的應(yīng)用受到限制。需加堿、酸[5]或酸酐等化學(xué)試劑對(duì)KGM進(jìn)行改性[6-7]來(lái)改善KGM基材耐水、耐酸、耐熱性能。傳統(tǒng)工藝增加了制備工序，易造成污染，且口感苦澀，不易為社會(huì)接受。本研究嘗試對(duì)不進(jìn)行任何化學(xué)改性的KGM熱溶致干燥成膜，制備具有較強(qiáng)拉伸強(qiáng)度的耐水性魔芋基材，分析其性能，并探討其在仿生食品中的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋精粉(花魔芋，特級(jí)) 湖北星宇魔芋產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司。

GZX-9030MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；EUROSTAR懸臂式攪拌器 德國(guó)IKA公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 國(guó)華電器有限公司；TMSPRO質(zhì)構(gòu)儀 美國(guó)FTC公司。

1.2 方法

1.2.1 KGM膜的制備

參照Li等[8]的方法制備KGM。準(zhǔn)確稱(chēng)取KGM于100mL蒸餾水中，在設(shè)定溫度條件下，用攪拌器在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)攪拌使之充分溶脹。取出后在一定溫度的恒溫恒濕箱中靜置一定時(shí)間，在設(shè)定干燥溫度下干燥成膜，于干燥器中貯存。

1.2.2 膜的性能指標(biāo)測(cè)試

質(zhì)構(gòu)分析：采用質(zhì)構(gòu)分析儀，參考ISO 6239—1986(E)[9]標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試膜的拉伸強(qiáng)度(σ)，速度為5mm/min，重復(fù)5次取平均值。

耐水性測(cè)定：將2cm×2cm膜浸入沸水煮沸30min[10]后小心取出膜片，用濾紙吸去表面水分，稱(chēng)其質(zhì)量，重復(fù)此操作直至恒定質(zhì)量，以吸水倍數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)該性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 KGM膜制備影響因素的篩選

表1 Plackett-Burman試驗(yàn)因素與水平Table 1 Variables and levels in Plackett-Burman factorial design

表2 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Plackett-Burman factorial design matrix and corresponding experimental values of KGM film tensile strength

根據(jù)KGM膜的制備工藝，表1列舉了7個(gè)影響因素編號(hào)及水平，并列出了Plackett-Burman設(shè)計(jì)的膜(表2)，進(jìn)行制備試驗(yàn)，每組3次平行取其平均值。

以拉伸強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用SPSS軟件進(jìn)行方差分析(表3)，結(jié)果表明制備濃度、制備溫度、制備時(shí)間、靜置時(shí)間、干燥溫度對(duì)拉伸強(qiáng)度均有顯著性，固定非顯著性因素的最佳工藝條件，著重考察顯著性因素的制備條件。

2.2 響應(yīng)面分析

2.2.1 中心組合(central composite design，CCD)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表4 試驗(yàn)因素水平表Table 4 Variables and levels in CCD

以上述制備濃度、制備溫度、制備時(shí)間、靜置時(shí)間、干燥溫度5個(gè)因素為自變量，以拉伸強(qiáng)度為因變量進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表4，結(jié)果見(jiàn)表5。

表3 試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 3 Analysis of variance for KGM film tensile strength with 7 technological parameters

表5 膜制備試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Table 5 CCD matrix and corresponding experimental values of KGM film tensile strength

2.2.2 顯著性檢驗(yàn)及模型建立

由表6可見(jiàn)，模型相關(guān)系數(shù)R2＝0.9491，校正決定系數(shù)R2Adj＝0.9084，表明該模型擬合程度較好，可根據(jù)此模型分析和預(yù)測(cè)膜的拉伸強(qiáng)度；P＜0.0001，表明模型方程極顯著。模型一次項(xiàng)X1、X3極顯著，X5、X7顯著；二次項(xiàng)極顯著，交互項(xiàng) X1X5、X5X7極顯著，X3X5顯著。

SAS軟件拉伸強(qiáng)度回歸分析，得到拉伸強(qiáng)度的二次多項(xiàng)回歸模型方程：

2.2.3 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

圖1 Y=f(X1, X2)的響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface plot of Y = f (X1, X2)

圖2 Y=f(X1, X3)的響應(yīng)面圖Fig.2 Response surface plot of Y = f (X1, X3)

圖3 Y=f(X1, X5)的響應(yīng)面圖Fig.3 Response surface plot of Y = f (X1, X5)

圖4 Y=f(X1, X7)的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface plot of Y = f (X1, X7)

圖5 Y=f(X2, X3)的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plot of Y = f (X2, X3)

圖6 Y=f(X2, X5)的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface plot of Y = f (X2, X5)

圖7 Y=f(X2, X7)的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface plot of Y = f (X2, X7)

表6 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 6 Significance test for each regression coefficient of fitted regression model

圖8 Y=f(X3, X5)的響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface plot of Y = f (X3, X5)

圖9 Y=f(X3, X7)的響應(yīng)面圖Fig.9 Response surface plot of Y = f (X3, X7)

圖10 Y=f(X5, X7)的響應(yīng)面圖Fig.10 Response surface plot of Y = f (X5, X7)

模型響應(yīng)面及等高線圖解見(jiàn)圖1～10，固定3個(gè)因素的最優(yōu)條件，建立其余兩個(gè)因素與響應(yīng)值關(guān)系的三維坐標(biāo)圖，直觀的反映出各因素對(duì)響應(yīng)值的影響關(guān)系：響應(yīng)面曲線陡峭則交互作用明顯，曲線平緩交互作用較弱；等高線中圖形越圓交互作用越弱，反之則越強(qiáng)。圖10中曲線最陡，等高線最扁，其次是圖3，再次是圖8，其他圖中曲面都較平緩，等高線均趨于圓形顯示出干燥溫度與靜置時(shí)間的交互作用＞KGM質(zhì)量濃度與靜置時(shí)間的交互作用＞制備溫度與靜置時(shí)間的交互作用，其他因素之間的交互作用可以忽略不計(jì)，與表6中的F值和P值檢驗(yàn)的結(jié)果分析一致，說(shuō)明以上交互作用中KGM質(zhì)量濃度、干燥溫度、制備溫度與靜置時(shí)間是KGM膜中拉伸強(qiáng)度的限制因素。

單因素和交互影響，以及二次多項(xiàng)回歸模型方程被確定后，對(duì)方程逐步回歸，得KGM膜最優(yōu)制備工藝：KGM質(zhì)量濃度2.19g/100mL、攪拌時(shí)間190min、攪拌溫度60.0℃、靜置時(shí)間156min、干燥溫度51.1℃，預(yù)測(cè)膜的拉伸強(qiáng)度為106.91N。

2.2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性和有效性，在最優(yōu)條件下制備KGM纖維化膜并進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，重復(fù)6次，結(jié)果分別為110.83、116.64、82.98、110.74、112.48、90.82N，平均拉伸強(qiáng)度則為104.08N，與預(yù)測(cè)值負(fù)偏差2.65%，可見(jiàn)該模型能較好地預(yù)測(cè)KGM膜的拉伸強(qiáng)度。

2.3 耐水性測(cè)定

最優(yōu)化膜經(jīng)沸水30min后，未溶解且呈完整形態(tài)，略有卷曲，吸水倍數(shù)為1.2783，而表5中最差的1號(hào)膜在水中浸泡一段時(shí)間后膜吸水溶脹，失去力學(xué)強(qiáng)度，最后分散于水中。進(jìn)一步論證了優(yōu)化后，高濃度膜具有較強(qiáng)的耐水耐高溫的特性，是其優(yōu)良力學(xué)性能的體現(xiàn)。

3 結(jié) 論

采用溶致KGM流延干燥成膜，篩選并確定了制備KGM膜的主要因素，作用依次為KGM質(zhì)量濃度＞制備溫度＞靜置時(shí)間＞干燥溫度＞制備時(shí)間，干燥溫度與靜置時(shí)間的交互作用＞KGM質(zhì)量濃度與靜置時(shí)間的交互作用＞制備溫度與靜置時(shí)間的交互作用。響應(yīng)面分析并驗(yàn)證KGM膜拉伸強(qiáng)度的模型方程，優(yōu)化得膜最佳制備工藝：2.19g/100mL KGM，60.0℃攪拌190min，靜置156min，51.1℃干燥，膜最大拉伸強(qiáng)度為104.08N，吸水倍數(shù)1.2783。本研究采用提高KGM溶膠質(zhì)量濃度和優(yōu)化工藝制備了具有拉伸強(qiáng)度和耐水性的薄膜，避免了制備KGM耐水膜所用堿等化學(xué)試劑的污染，其深層次的機(jī)理尚待進(jìn)一步研究。

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Response Surface Analysis for Optimization of Mechanical Properties of Konjac Glucomannan Film

CHEN Wen-ping1，JIANG Gui-lin1，WANG Chao1,2,*，CHEN Shi-yong1，LWen-ping1，JIANG Fa-tang1,2
(1. School of Biological Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China；2. Wuhan Licheng Biotechnology Co. Ltd., Wuhan 430074, China)

S377；TS201.1

A

1002-6630(2010)10-0095-05

2009-07-31

2007年度湖北省教育廳青年人才項(xiàng)目(20063036)；武漢市科技局晨光計(jì)劃項(xiàng)目(20065004116-52)

陳文平(1984—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称放c天然產(chǎn)物化學(xué)。E-mail：chenwenping_sp@163.com

*通信作者：汪超(1978—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)槭称放c天然產(chǎn)物化學(xué)。E-mail：wangchao5412@163.com