KGM膜透濕性工藝優(yōu)化研究

韋巧艷 柳富杰 成清嵐 覃逸明

摘要以魔芋葡甘露聚糖（KGM）為原料制備KGM膜。以其透濕性為考察指標(biāo)，通過(guò)單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)，分別研究KGM濃度、加熱時(shí)間和加熱溫度對(duì)KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)（WVP）的影響，從而得出制備KGM膜的最佳工藝條件。研究結(jié)果表明，KGM濃度和加熱時(shí)間對(duì)膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)的影響顯著，KGM膜的最佳制備工藝條件為KGM濃度0.55%、加熱溫度58.14 ℃、加熱時(shí)間39.51 min。在此條件下制得的KGM膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)為0.047 9 g·mm/（m2·h·kPa）。

關(guān)鍵詞魔芋葡甘露聚糖（KGM）;膜;透濕性

中圖分類號(hào)TS?206.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2019）18-0194-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.053

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（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(lái)塑料包裝材料得到高速發(fā)展和大量使用，在給人們生活提供了便利的同時(shí)也帶來(lái)了環(huán)境壓力和食品問(wèn)題[1]。天然生物聚合物可食用包裝材料具有可降解性和穩(wěn)定性，近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)[2]。自然界中存在著各種天然高分子聚合物，如蛋白質(zhì)[1]（大豆蛋白、玉米蛋白和酪蛋白等），多糖[3]（纖維素、殼聚糖和淀粉等）和脂類[4]等。天然高分子聚合物——魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）是從魔芋塊莖中分離得到的一種膳食纖維水凝多糖[5]，具有無(wú)毒、可成膜性和生物降解性好等優(yōu)點(diǎn)。KGM溶于水后能夠吸收水分膨脹形成水溶膠，晾干或干燥后可制成KGM膜[6]。研究[7-8]發(fā)現(xiàn)KGM膜是一種既具備塑料優(yōu)質(zhì)性能，又具有能被微生物完全降解的可食性包裝材料，在食品、化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[9-11]。但KGM膜透濕性差，機(jī)械性能和抗菌性能不強(qiáng)等缺點(diǎn)制約著其發(fā)展[12]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)葡甘露聚糖在水果方面的涂膜保鮮做了不少的研究[13-15]，但基于KGM膜制備工藝條件的研究鮮有報(bào)道。以魔芋葡甘露聚糖（KGM）為原料，研究制備KGM膜過(guò)程中KGM濃度、加熱時(shí)間和加熱溫度等工藝條件對(duì)膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)的影響，并以響應(yīng)面法對(duì)水蒸氣透過(guò)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，探討最佳工藝條件，為新型抗菌保鮮膜的開發(fā)應(yīng)用提供必要的理論及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

1材料與方法

1.1材料魔芋精粉：KGM>90%，湖北一致魔芋生物科技有限公司;無(wú)水氯化鈣：分析純，西隴科學(xué)股份有限公司。

1.2主要儀器

JA12002 電子天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）;KQ-300DB 型超聲波清洗儀（昆山市超聲儀器有限公司）;GZX-GF101-3 BS 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司）;HJ-3 恒溫磁力攪拌器（江蘇金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器）;電子數(shù)顯外徑千分尺（桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司）。

1.3方法

1.3.1KGM膜的制備[16]。以不同濃度KGM為原料，通過(guò)電動(dòng)攪拌器攪拌均勻。在加熱條件下超聲振蕩一段時(shí)間后形成乳白色復(fù)合溶膠，鋪膜干燥，即得KGM膜。

1.3.2KGM膜透濕性的測(cè)定[17]。

按照國(guó)標(biāo) GB/T 12704.1—2009 要求自制透濕杯，采用正杯法測(cè)定KGM膜的透濕性。在常溫下稱取2.0 g無(wú)水氯化鈣，放置進(jìn)自制透濕杯中，用制成的KGM膜封住透濕杯杯口。透濕杯經(jīng)電子分析天平稱重后，放置于底部有一定量蒸餾水的干燥器中，保持25?℃和相對(duì)濕度100%的條件，保證膜內(nèi)外水蒸氣壓不變，測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)透濕杯中的增重量。由透濕杯增重計(jì)算水蒸氣透過(guò)系數(shù)（WVP），作為衡量膜阻濕性能的指標(biāo)。

WVP=△m×dA×△t×p（1）

式（1）中，WVP為水蒸氣透過(guò)系數(shù)[g·mm/（m2·h·kPa）];△m為透濕杯增重，同一試驗(yàn)組合體2次稱重之差（g）;d為復(fù)合膜厚度（mm）;A為有效透過(guò)面積（該部分中的裝置為?0.002 5 m2）;△t為試驗(yàn)時(shí)間（h）;p表示膜兩側(cè)水蒸氣壓?差（kPa）。

透濕率WVP值越大，說(shuō)明膜的阻濕率性能越差。

1.3.3單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.3.3.1KGM濃度對(duì)KGM膜透濕性的影響。固定加熱時(shí)間為60 min，加熱溫度為40 ℃，分別制備KGM濃度為0.4%、?0.6%、0.8%、1.0%、1.2%。比較不同KGM濃度對(duì)KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)（WVP）的影響。

1.3.3.2加熱時(shí)間對(duì)KGM膜透濕性的影響。取“1.3.3.1”中最佳KGM濃度，固定加熱溫度為40 ℃，設(shè)定加熱時(shí)間為30、40、50、60、70 min。比較不同加熱時(shí)間對(duì)KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)（WVP）的影響。

1.3.3.3加熱溫度對(duì)KGM膜透濕性的影響。取“1.3.3.1”中最佳KGM濃度，“1.3.3.2”中最佳加熱時(shí)間，設(shè)定加熱溫度為30、40、50、60、70、80 ℃。比較不同加熱溫度對(duì)KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)（WVP）的影響。

1.3.4響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取KGM濃度、加熱時(shí)間和加熱溫度為自變量，分別表示為X1、X2和X3，以KGM膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)為響應(yīng)值Y，根據(jù)響應(yīng)面軟件Design Expert V8.0.6的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，確定制膜最優(yōu)工藝條件并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平見表1。

1.3.5數(shù)據(jù)分析。每組試驗(yàn)至少進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，采用Origin7.5和響應(yīng)面軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1KGM濃度對(duì)KGM膜透濕性的影響。

制備KGM膜水溶膠，于玻璃薄板流延成膜，干燥后取膜測(cè)定水蒸氣透過(guò)系數(shù)（WVP）。

由圖1可知，隨著KGM濃度增大，KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)。當(dāng)KGM濃度為0.4%時(shí)，WVP最低，為0.051 6 g·mm/（m2·h·kPa）;KGM濃度為?1.0%時(shí)，WVP達(dá)到最大，為0.117 0 g·mm/（m2·h·kPa）。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)， KGM濃度越高，所得溶液黏度就越大[18]，水溶液越容易成膜，且成膜厚度與KGM濃度成正比。在前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)KGM濃度為0.2%時(shí)，所成的膜太薄，不易揭下;KGM濃度超過(guò)0.8%時(shí)形成的多糖膜偏厚不易流延，導(dǎo)致所成薄膜厚度不均，且成膜厚度過(guò)大也會(huì)給膜的自然干燥帶來(lái)不利的影響。KGM濃度為0.4%和0.6%時(shí)膜的WVP較低，阻濕性能最好，但KGM濃度為0.4%時(shí)成膜厚度偏薄，不易取膜，因此選擇KGM濃度條件為0.6%。

2.1.2加熱時(shí)間對(duì)KGM膜透濕性的影響。

由圖2可知，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，制得KGM膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)呈先降低再升高的趨勢(shì)。從30～40 min，制備的膜水蒸氣透過(guò)系

數(shù)呈下降的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)殡S著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，KGM的溶脹在增加，改善了膜的透濕性[19];在40～70 min時(shí)制備的KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)呈上升的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的加熱時(shí)間破壞了KGM的結(jié)構(gòu)。在加熱時(shí)間為?40 min時(shí)制備的水蒸氣透過(guò)系數(shù)最低，為0.053 2 g·mm/（m2·h·kPa），選擇加熱時(shí)間為40 min。

2.1.3加熱溫度對(duì)KGM膜透濕性的影響。

由圖3可知，隨著加熱溫度的升高，制得的KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)。從30～60 ℃，KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這可能是在溫度低于60 ℃的時(shí)候，過(guò)低的溫度影響KGM的溶解，使得水分子和KGM分子不能充分接觸和相互作用，造成KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)較高，隨著溫度上升，水蒸氣透過(guò)系數(shù)也隨之下降[20]。在60～80 ℃時(shí)制備的KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)對(duì)KGM結(jié)構(gòu)造成影響[20]，使得KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)上升。KGM在加熱溫度為60 ℃時(shí)制備的膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)最低，為0.048 7 g·mm/（m2·h·kPa），選擇加熱溫度為60 ℃。

2.2響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1的因素水平選擇KGM濃度、加熱溫度和加熱時(shí)間為X1、X2和X3，并取KGM膜的透濕性作為響應(yīng)值Y，設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。用Design-Expert8.0.6軟件處理所得數(shù)據(jù)，得到回歸方?程為：

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

通過(guò)方差分析可以看出，模型P<0.000 1，所得模型顯著。決定系數(shù)R2=0.984 8，矯正決定系數(shù)R?adj2=0.965 3，響應(yīng)值中的變化98.48%來(lái)源于所選變量，所得模型擬合度良好。設(shè)定差異性顯著條件為P<0.05時(shí)，回歸方程顯著，失擬項(xiàng)不顯著。建立的模型符合試驗(yàn)結(jié)果，回歸方程有效。

由方差分析可以得出，KGM濃度、加熱溫度和加熱時(shí)間對(duì)KGM膜透濕性影響顯著;KGM濃度與加熱溫度交互作用顯著，其余因素交互作用均不顯著;KGM濃度和加熱時(shí)間二次項(xiàng)對(duì)成膜透濕性影響極其顯著，加熱溫度二次項(xiàng)對(duì)成膜透濕性影響顯著。各因子F值越大代表著該因子對(duì)KGM膜透濕性影響越大，各因素對(duì)KGM膜透濕性影響大小順序?yàn)镵GM濃度、加熱時(shí)間、加熱溫度。

2.3最佳制膜條件的確定

圖4～6是由方程得出的KGM濃度、加熱溫度和加熱時(shí)間對(duì)KGM膜透濕性交互影響的響應(yīng)面圖。同一因素水平變化時(shí)候圖形的陡峭變化反映出該因素對(duì)響應(yīng)值影響的顯著性，圖4的響應(yīng)面圖反映KGM濃度對(duì)KGM膜透濕性的影響顯著，加熱溫度對(duì)KGM膜透濕性的影響不顯著，兩兩之間的交互作用不顯著。圖5的響應(yīng)面圖反映制膜加熱時(shí)間對(duì)膜透濕性的影響顯著，加熱溫度對(duì)KGM膜透濕性的影響不顯著，兩兩之間的交互作用不顯著。圖6的響應(yīng)面圖反映水溶膠KGM濃度和加熱時(shí)間對(duì)KGM膜透濕性的影響均顯著，但兩兩之間的交互作用不顯著。由圖4～6可知，隨著KGM濃度的提高，KGM膜的透濕性呈現(xiàn)上升的趨勢(shì);隨著加熱溫度和加熱時(shí)間的升高，KGM膜透濕性均呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)。KGM膜透濕性的最低區(qū)域存在于地面最小的同心圓中，KGM濃度為0.45%～0.55%，加熱溫度為55～65 ℃，加熱時(shí)間為37～43 min。

經(jīng)Design-Expert8.0.6分析得到制膜3個(gè)因素的最佳取值為KGM濃度0.55%、加熱溫度58.14 ℃、加熱時(shí)間?39.51 min，此時(shí)KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)為0.047 9 g·mm/（m2·h·kPa）。按此配方進(jìn)行3次平行試驗(yàn)得到的平均KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)為0.048 1 g·mm/（m2·h·kPa），與模型預(yù)測(cè)值相近，表明軟件分析得出的3個(gè)因素最佳值準(zhǔn)確可靠且具有實(shí)際意義。

3結(jié)論

（1）KGM膜制備工藝中，KGM濃度和加熱時(shí)間對(duì)KGM膜透濕性的影響都是顯著的，加熱溫度對(duì)KGM膜透濕性的影響不顯著。透濕性都呈現(xiàn)先降低再增大的趨勢(shì)，所得響應(yīng)面分析圖可以直觀地反映各因素與KGM膜透濕性的關(guān)系。

（2）由所得的二次回歸模型分析，確定KGM膜最佳工藝條件為KGM濃度0.55%、加熱溫度58.14 ℃、加熱時(shí)間?39.51 min。在此條件下制得KGM膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)為?0.047 9 g·mm/（m2·h·kPa）。

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