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，通過單因素和響應面試驗，分別研究KGM濃度、加熱時間和加熱溫度對KGM膜水蒸氣透過系數（WVP）的影響，從而得出制備KGM膜的最佳工藝條件。研究結果表明，KGM濃度和加熱時間對膜水蒸氣透過系數的影響顯著，KGM膜的最佳制備工藝條件為KGM濃度0.55%、加熱溫度58.14 ℃、加熱時間39.51 min。在此條件下制得的KGM膜的水蒸氣透過系數為0.047 9 g·mm/（m2·h·kPa）。

關鍵詞魔芋葡甘露聚糖（KGM）;膜;透濕性

中圖分類號TS?206.4文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）18-0194-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.053

開放科學（資源服務）標識碼（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也帶來了環(huán)境壓力和食品問題[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，近年來成為研究熱點[2]。自然界中存在著各種天然高分子聚合物，如蛋白質[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]，具有無毒、可成膜性和生物降解性好等優(yōu)點。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KGM膜是一種既具備塑料優(yōu)質性能，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)藥等領域被廣泛應用[9-11]。但KGM膜透濕性差，機械性能和抗菌性能不強等缺點制約著其發(fā)展[12]。

目前，國內外學者對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道。以魔芋葡甘露聚糖（KGM）為原料，研究制備KGM膜過程中KGM濃度、加熱時間和加熱溫度等工藝條件對膜水蒸氣透過系數的影響，并以響應面法對水蒸氣透過系數進行優(yōu)化分析，探討最佳工藝條件，為新型抗菌保鮮膜的開發(fā)應用提供必要的理論及試驗數據，具有一定的經濟意義和社會意義。

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;無水氯化鈣：分析純，西隴科學股份有限公司。

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 型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海躍進醫(yī)療器械有限公司）;HJ-3 恒溫磁力攪拌器（江蘇金壇市環(huán)宇科學儀器）;電子數顯外徑千分尺（桂林廣陸數字測控有限公司）。

1.3方法

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

1.3.2KGM膜透濕性的測定[17]。

按照國標 GB/T 12704.1—2009 要求自制透濕杯，采用正杯法測定KGM膜的透濕性。在常溫下稱取2.0 g無水氯化鈣，放置進自制透濕杯中，用制成的KGM膜封住透濕杯杯口。透濕杯經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?℃和相對濕度100%的條件，保證膜內外水蒸氣壓不變，測定一定時間內透濕杯中的增重量。由透濕杯增重計算水蒸氣透過系數（WVP），作為衡量膜阻濕性能的指標。

WVP=△m×dA×△t×p（1）

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

透濕率WVP值越大，說明膜的阻濕率性能越差。

1.3.3單因素試驗設計。

1.3.3.1KGM濃度對KGM膜透濕性的影響。固定加熱時間為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KGM膜水蒸氣透過系數（WVP）的影響。

1.3.3.2加熱時間對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 ℃，設定加熱時間為30、40、50、60、70 min。比較不同加熱時間對KGM膜水蒸氣透過系數（WVP）的影響。

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

1.3.4響應面優(yōu)化試驗設計。

在單因素試驗基礎上，選取KGM濃度、加熱時間和加熱溫度為自變量，分別表示為X1、X2和X3，以KGM膜的水蒸氣透過系數為響應值Y，根據響應面軟件Design Expert V8.0.6的Box-Behnken試驗設計原理設計三因素三水平響應面試驗，確定制膜最優(yōu)工藝條件并進行驗證試驗。響應面試驗因素水平見表1。

1.3.5數據分析。每組試驗至少進行3組平行試驗，采用Origin7.5和響應面軟件進行數據分析。

2結果與分析

2.1單因素試驗結果分析

2.1.1KGM濃度對KGM膜透濕性的影響。

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

由圖1可知，隨著KGM濃度增大，KGM膜水蒸氣透過系數呈現先升高再降低的趨勢。當KGM濃度為0.4%時，WVP最低，為0.051 6 g·mm/（m2·h·kPa）;KGM濃度為?1.0%時，WVP達到最大，為0.117 0 g·mm/（m2·h·kPa）。在試驗過程中發(fā)現， 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。在前期試驗中發(fā)現KGM濃度為0.2%時，所成的膜太薄，不易揭下;KGM濃度超過0.8%時形成的多糖膜偏厚不易流延，導致所成薄膜厚度不均，且成膜厚度過大也會給膜的自然干燥帶來不利的影響。KGM濃度為0.4%和0.6%時膜的WVP較低，阻濕性能最好，但KGM濃度為0.4%時成膜厚度偏薄，不易取膜，因此選擇KGM濃度條件為0.6%。

2.1.2加熱時間對KGM膜透濕性的影響。

由圖2可知，隨著加熱時間的延長，制得KGM膜的水蒸氣透過系數呈先降低再升高的趨勢。從30～40 min，制備的膜水蒸氣透過系

數呈下降的趨勢，這可能是因為隨著加熱時間的延長，KGM的溶脹在增加，改善了膜的透濕性[19];在40～70 min時制備的KGM膜水蒸氣透過系數呈上升的趨勢，這可能是因為過長的加熱時間破壞了KGM的結構。在加熱時間為?40 min時制備的水蒸氣透過系數最低，為0.053 2 g·mm/（m2·h·kPa），選擇加熱時間為40 min。

2.1.3加熱溫度對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膜水蒸氣透過系數呈現先降低再升高的趨勢。從30～60 ℃，KGM膜水蒸氣透過系數呈現下降的趨勢，這可能是在溫度低于60 ℃的時候，過低的溫度影響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膜水蒸氣透過系數較高，隨著溫度上升，水蒸氣透過系數也隨之下降[20]。在60～80 ℃時制備的KGM膜水蒸氣透過系數呈現上升的趨勢，這可能是因為溫度過高會對KGM結構造成影響[20]，使得KGM膜水蒸氣透過系數上升。KGM在加熱溫度為60 ℃時制備的膜水蒸氣透過系數最低，為0.048 7 g·mm/（m2·h·kPa），選擇加熱溫度為60 ℃。

2.2響應面試驗結果分析

根據表1的因素水平選擇KGM濃度、加熱溫度和加熱時間為X1、X2和X3，并取KGM膜的透濕性作為響應值Y，設計響應面試驗，試驗方案及結果見表2。用Design-Expert8.0.6軟件處理所得數據，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

通過方差分析可以看出，模型P<0.000 1，所得模型顯著。決定系數R2=0.984 8，矯正決定系數R?adj2=0.965 3，響應值中的變化98.48%來源于所選變量，所得模型擬合度良好。設定差異性顯著條件為P<0.05時，回歸方程顯著，失擬項不顯著。建立的模型符合試驗結果，回歸方程有效。

由方差分析可以得出，KGM濃度、加熱溫度和加熱時間對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濃度和加熱時間二次項對成膜透濕性影響極其顯著，加熱溫度二次項對成膜透濕性影響顯著。各因子F值越大代表著該因子對KGM膜透濕性影響越大，各因素對KGM膜透濕性影響大小順序為KGM濃度、加熱時間、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、加熱溫度和加熱時間對KGM膜透濕性交互影響的響應面圖。同一因素水平變化時候圖形的陡峭變化反映出該因素對響應值影響的顯著性，圖4的響應面圖反映KGM濃度對KGM膜透濕性的影響顯著，加熱溫度對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的響應面圖反映制膜加熱時間對膜透濕性的影響顯著，加熱溫度對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的響應面圖反映水溶膠KGM濃度和加熱時間對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膜的透濕性呈現上升的趨勢;隨著加熱溫度和加熱時間的升高，KGM膜透濕性均呈現先降低再升高的趨勢。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 ℃，加熱時間為37～43 min。

經Design-Expert8.0.6分析得到制膜3個因素的最佳取值為KGM濃度0.55%、加熱溫度58.14 ℃、加熱時間?39.51 min，此時KGM膜水蒸氣透過系數為0.047 9 g·mm/（m2·h·kPa）。按此配方進行3次平行試驗得到的平均KGM膜水蒸氣透過系數為0.048 1 g·mm/（m2·h·kPa），與模型預測值相近，表明軟件分析得出的3個因素最佳值準確可靠且具有實際意義。

3結論

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

（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 ℃、加熱時間?39.51 min。在此條件下制得KGM膜水蒸氣透過系數為?0.047 9 g·mm/（m2·h·kPa）。

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