郝志明，肖艷萍，林玉婷，江藍(lán)藍(lán)，曾勁

（1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510507；2.廣州質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510110；3.廣州市洲星食品有限公司，廣東 廣州 510450）

隨著經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，我國的包裝市場(chǎng)日益壯大，包裝給人們帶來了便利的同時(shí)，也給生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的危害。［1］其中塑料包裝廢棄物的大量產(chǎn)生以及不法商家違法添加熒光劑和增塑劑，更是令人們“談塑色變”。由于比其他材料更難降解，加上不合理的焚燒處理，塑料包裝給環(huán)境帶來的污染危害不容小覷。［2］因此，開發(fā)環(huán)保的綠色包裝就成為當(dāng)務(wù)之急。荸薺（英文Chinese water chestnut，拉丁文Lecheries tuberose）俗名“馬蹄”，又名水栗、通天草、烏芋等，屬莎草科多年生草本植物，［3］素有“地下雪梨”和“江南人參”的美稱。［4］荸薺原產(chǎn)我國，清爽可口，營養(yǎng)豐富，是一種藥食同源的原料，其中的有效成分有醫(yī)療保健效果。［5］現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)荸薺不僅具有消食、化痰、醒酒和開胃的功效，更對(duì)治療腫瘤、糖尿病以及呼吸疾病等有良好的效用。［6］荸薺不但可以直接去皮生食，更是被大量廣泛加工成荸薺果脯、荸薺罐頭、荸薺糕、荸薺飲料、荸薺脆片等，多樣的加工方式大大地推動(dòng)了荸薺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。［6］但是這些產(chǎn)品在生產(chǎn)加工過程中，都需要去除荸薺果皮。有文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)荸薺果皮占總荸薺質(zhì)量的26%，而大量加工產(chǎn)生的荸薺果皮一般直接廢棄或者作為飼料，不能得到很好地利用從而造成資源浪費(fèi)。［7-11］

本實(shí)驗(yàn)以荸薺皮提取的多糖為原料，加入羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、甘油和玉米淀粉經(jīng)均質(zhì)處理制備出可食用復(fù)合膜。作為綠色包裝的可食用復(fù)合膜，要求具有良好的機(jī)械性能和可降解性，將其應(yīng)用于食品的內(nèi)包裝，提高廢棄物的利用率。

一、材料與方法

（一）材料

1.荸薺皮：廣州市洲星食品有限公司提供。

2.纖維素酶：10 萬u/g 單位，英博生物科技有限公司。

3.其他材料：葡萄糖（分析純）、苯酚（分析純）、濃硫酸（分析純）、檸檬酸（分析純）、檸檬酸鈉（分析純）、羧甲基纖維素鈉（食品級(jí)）、海藻酸鈉（食品級(jí)）、甘油（分析純）、玉米淀粉（食品級(jí)）。

（二）實(shí)驗(yàn)方法

1.荸薺皮多糖的提取與測(cè)定

（1）原料預(yù)處理［13］

將取得的荸薺皮在60 ℃條件下進(jìn)行烘干，4h后取出，用高速粉碎機(jī)粉碎，制得干荸薺粉，密封儲(chǔ)存。

（2）多糖的提?。?2］

稱取10.00g 干荸薺皮粉，加入2%纖維素酶，pH為5，溶劑水和荸薺皮粉的料液比為15;1，在50 ℃條件下水浴酶解2h，然后沸水?。?0℃）60 min，在4 000 r/min 的條件下離心10 min，取上層清液。

（3） 多糖的測(cè)定［13］

A.標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

a 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：將葡萄糖于105 ℃干燥至恒重，準(zhǔn)確稱取此標(biāo)準(zhǔn)品50.00 mg 于50 mL 容量瓶中，配制1.00mg/mL 的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，放置備用。

b 測(cè)定波長(zhǎng)的選擇：準(zhǔn)確移取1.00 mL 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照苯酚硫酸法顯色，并在300～600 nm 之間進(jìn)行掃描，出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰的波段為測(cè)定波長(zhǎng)。

c 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：分別精密吸取上述標(biāo)準(zhǔn)溶液0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4 mL 于50 mL 容量瓶中，加蒸餾水至與刻度線平行，搖勻。制備8 ug/mL、16 ug/mL、24 ug/mL、32 ug/mL、40 ug/mL、48 ug/mL 的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液。精確吸取上述各溶液2.0 mL，于10 mL 比色管中，分別加入1.0 mL 6%苯酚溶液，振蕩搖勻，緩慢加入5.0 mL 濃硫酸，搖勻，在40 ℃水浴中顯色30 min 后，立即在488 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度。以被測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)，測(cè)得吸光度值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，可得直線回歸方程。

B.荸薺皮多糖的測(cè)定

準(zhǔn)確移取1.0 mL 上述多糖提取液于50 mL 容量瓶中，用蒸餾水定容、搖勻，靜置。

從上述稀釋液中取2.00 mL 多糖稀釋液于10 mL 比色管中，加入1 mL 6%的苯酚溶液，搖勻，再加入5 mL 濃硫酸，搖勻，然后在40 ℃水浴鍋中顯色30 min，利用可見光分光光度計(jì)，在488 nm 處測(cè)定其吸光度。根據(jù)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線及其回歸方程，計(jì)算荸薺皮提取液中多糖的濃度。

2.膜樣品的制備［14］

荸薺皮多糖提取液、羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、玉米淀粉按一定的比例混合，于65 ℃水浴鍋中攪拌至完全溶解，冷卻后再加入一定比例的甘油，在-0.9～-0.95 MPa 下用真空干燥箱脫氣，把膜液均勻地鋪展在玻璃板上，60 ℃下烘干，待冷卻后揭膜并保存于相對(duì)濕度為53%的干燥器中。

3.可食性膜物理性能的測(cè)定［15，16］

（1）膜厚度（Film Thickness，F(xiàn)T）的測(cè)定

用管材千分尺在已裁好的可食性膜中隨機(jī)的測(cè)定五個(gè)點(diǎn)，取其平均值，單位為mm。

（2）抗拉強(qiáng)度（Tensile Strength，TS）的測(cè)定

將可食性復(fù)合膜裁成長(zhǎng)5cm、寬5cm 的試樣條，用紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，設(shè)定拉伸速度為300mm/s，記錄下膜撕裂時(shí)的抗拉張力，抗張強(qiáng)度的計(jì)算公式為：TS=Fxl0-6/S

式中：TS 為抗拉強(qiáng)度，MPa；

F 為試樣斷裂時(shí)承受的最大張力，N；

S 為試樣的截面積，m2。

（3）水溶性（Water Solubility）的測(cè)定

稱取1.00 g 的膜，放入盛有60 ℃、100 ml 水的燒杯中，用玻璃棒快速攪拌至溶液中無可見碎片為止，記錄單位質(zhì)量的膜溶解所需的時(shí)間，用溶解速度（s/g）表示。

（4）感官評(píng)定

將冷卻制好的膜置于干燥器中放置兩天后，肉眼評(píng)定可食性膜的外觀，色澤以及均勻度，初步判斷抗拉強(qiáng)度。

4.單因素實(shí)驗(yàn)

（1）羧甲基纖維素鈉對(duì)可食性膜的影響

以羧甲基纖維素鈉添加量0.10%，0.08%，0.06%作為單因素變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以膜的抗拉強(qiáng)度為指標(biāo)，探究羧甲基纖維素鈉對(duì)膜性狀的影響。量取提取液25 mL，加入0.08%海藻酸鈉，0.10%甘油，0.06%玉米淀粉，在65 ℃條件下攪拌至完全溶解，在-0.9～-0.95 MPa 下用真空干燥箱脫氣，把膜液均勻地鋪展在玻璃板上，60 ℃下烘干，冷卻揭膜，測(cè)定其性能。

以海藻酸鈉添加量0.10%，0.08%，0.06%作為單因素變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以膜的抗拉強(qiáng)度為指標(biāo)，探究海藻酸鈉對(duì)膜性狀的影響。量取提取液25 mL，加入0.08%羧甲基纖維素鈉，0.10%甘油，0.06%玉米淀粉，在65 ℃條件下攪拌至完全溶解，在-0.9～-0.95 MPa 下用真空干燥箱脫氣，把膜液均勻地鋪展在玻璃板上，60 ℃下烘干，冷卻揭膜，測(cè)定其性能。

（3）甘油對(duì)可食性膜的影響

以甘油添加量0.12%，0.10%，0.08%作為單因素變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以膜的抗拉強(qiáng)度為指標(biāo)，探究甘油對(duì)膜性狀的影響。量取提取液25 mL，加入0.08%羧甲基纖維素鈉，0.08%海藻酸鈉，0.06%玉米淀粉，在65 ℃條件下攪拌至完全溶解，在-0.9～-0.95 MPa下用真空干燥箱脫氣，把膜液均勻地鋪展在玻璃板上，60 ℃下烘干，冷卻揭膜，測(cè)定其性能。

（4）玉米淀粉對(duì)可食性膜的影響

以玉米淀粉添加量0.10%，0.08%，0.06%作為單因素變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以膜的抗拉強(qiáng)度為指標(biāo)，探究玉米淀粉對(duì)膜性狀的影響。量取提取液25 mL，加入0.08%羧甲基纖維素鈉，0.08%海藻酸鈉，0.10%甘油，在65 ℃條件下攪拌至完全溶解，在-0.9～-0.95 MPa 下用真空干燥箱脫氣，把膜液均勻地鋪展在玻璃板上，60℃下烘干，冷卻揭膜，測(cè)定其性能。

5.正交試驗(yàn)

經(jīng)過各個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)可知，羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、甘油、玉米淀粉對(duì)膜的溶解性，抗拉強(qiáng)度，感官指標(biāo)都重要影響，為了研制出性能優(yōu)良的可食性膜，依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、甘油、玉米淀粉進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

在建立STIRPAT模型過程中，模型線性回歸結(jié)果與方差膨脹因子(VIF)見表2。由表2可知，當(dāng)VIF大于10時(shí)，自變量之間存在較為嚴(yán)重的多重共線性。主要原因可以解釋為:人口因素與財(cái)富因素趨勢(shì)高度相關(guān)，能源消費(fèi)強(qiáng)度有可能會(huì)隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整而下降［29］，人均收入水平的提高某種程度上促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移(依據(jù)配第－克拉克定理)，以及樣本量的限制等。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 The Orthogonal Experimental Factor Level

二、結(jié)果與討論

（一）荸薺皮多糖提取液濃度的測(cè)定

1.標(biāo)準(zhǔn)曲線的制定

在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得1.00 mg/mL 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液在488 nm 處出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，所以選擇488 nm 為測(cè)定波長(zhǎng)。精確吸取上述各個(gè)濃度的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液2.0 mL，依照苯酚-硫酸法在488 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度以被測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)，測(cè)得吸光度值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，可得直線回歸方程。多糖標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1 所示。

標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為A=0.0308C+0.0208，R2=0.999。

2.多糖濃度測(cè)定

根據(jù)多糖標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程A=0.0308C+0.0208，提取液多糖濃度C`=C*50，結(jié)果見表2。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 多糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 1 The Standard Curve of Polysaccharide

1.羧甲基纖維素鈉添加量對(duì)可食性膜的影響

羧甲基纖維素鈉是一種水溶性纖維素醚，經(jīng)纖維素葡萄糖環(huán)上羥基的氫原子被羧甲基所取代，是一種聚陰離子高分子多糖，有良好的生物相容性、可再生性、降解性以及吸濕性，是一種優(yōu)良膜結(jié)構(gòu)的組成成分。［15］

羧甲基纖維素鈉可與多糖形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且能夠與海藻酸鈉發(fā)揮增效協(xié)同作用，影響膜的抗拉強(qiáng)度。隨著羧甲基纖維素鈉添加量逐漸增大，膜液粘稠度增大，薄膜的抗拉強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，薄膜致密性提高，薄膜的性狀功能得到改善。［14］當(dāng)羧甲基纖維素鈉的添加量為0.10%時(shí)，膜液粘稠度顯著提高，膜液中的氣泡難以排出，造成可食性膜整體的不均勻并且溶解性較差。綜合表3 可食性膜性能的四項(xiàng)指標(biāo)，可知單因素羧甲基纖維素鈉添加量為0.08%時(shí)，荸薺皮可食性多糖復(fù)合膜的性能較好。

表2 提取液多糖測(cè)定結(jié)果Table 2 Determination Results of Polysaccharide in Extract

表3 羧甲基纖維素鈉對(duì)可食性膜性能的影響Table 3 Effects of Addition Amount of Sodium Carboxymethyl Cellulose on Performance of Edible Films

2.海藻酸鈉添加量對(duì)可食性膜的影響

海藻酸鈉是一種由山糖醛酸單體組成的線性多糖，有很高的離子交換功能，具有良好的隔氧性和成膜性，并且海藻酸鈉與羧甲基纖維素鈉在一定條件下有很好的相容性，可大大增加可食性膜的物理性能。［16］

荸薺多糖提取液、海藻酸鈉和CMC 能夠互相作用，且大分子之間的氫鍵作用使得它們更加緊密纏繞，從而形成了致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。［14］海藻酸鈉與CMC 都是大分子物質(zhì)，結(jié)構(gòu)相類似，雖然兩者有比較強(qiáng)的相容性，但作為增稠劑，隨著海藻酸鈉添加量的增大，膜液的黏度會(huì)顯著增加，從而導(dǎo)致膜液較難脫氣，干燥后的薄膜缺乏均一性，性能有所下降。［15-17］綜合表4 膜性能的四項(xiàng)指標(biāo)，可知單因素海藻酸鈉添加量為0.08%時(shí)，荸薺皮多糖可食性復(fù)合膜的性能較好。

3.甘油添加量對(duì)可食性膜的影響

甘油是一種對(duì)人體無害的增塑劑，也可作潤(rùn)滑劑和吸濕劑，能削弱聚合物分子鏈間的作用力，增加膜的延展性、彈性以及柔性，從而有效降低膜破裂的概率，改善可食性膜的機(jī)械性能。［18］

甘油在大分子聚合鏈中間，大大增大了膜內(nèi)部的自由體積，增強(qiáng)體系中的分子間與氫鍵的作用力。［19］甘油能夠減少摩擦并且改善潤(rùn)滑性能，進(jìn)而促進(jìn)膜表面變得更加富有光澤和美化外觀，增大膜的溶解性，降低膜的融化溫度。［20］隨著甘油添加量的逐漸增大，抗拉強(qiáng)度變差，不易成膜。綜合表5膜性能的四項(xiàng)指標(biāo)可以看出，單因素甘油添加量為0.08%時(shí)，可食性多糖復(fù)合膜的性能較好。

4.玉米淀粉添加量對(duì)可食性膜的影響

玉米淀粉作為一種共聚物，有較好的透光性，在一定條件下可與合適的改良劑發(fā)生交互作用，可極大地增強(qiáng)膜的抗拉強(qiáng)度、延伸率以及阻水性，廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。［21］

玉米淀粉分子間鍵合作用比較強(qiáng)，可結(jié)合水分子形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。當(dāng)膜中玉米淀粉含量較少時(shí)，分子間的相互作用被削弱，以致可食性膜的結(jié)構(gòu)變差，致密性下降，抗拉強(qiáng)度減弱。當(dāng)膜中玉米淀粉添加量為0.10%時(shí)，膜液粘稠度增強(qiáng)，容易凝結(jié)成塊，干燥后可食性膜脆性大易裂。綜合表6 膜性能的四項(xiàng)指標(biāo)可以看出，單因素玉米淀粉添加量為0.08%時(shí)，可食性多糖復(fù)合膜的性能較好。

5.正交試驗(yàn)結(jié)果

由表7 可以看出，根據(jù)比較四個(gè)單因素極差Rj的大小，可知四個(gè)單因素對(duì)可食性膜性能的影響順序是A（羧甲基纖維素鈉添加量）>B（海藻酸鈉添加量）>D（玉米淀粉添加量）>C（甘油添加量）。以可食性膜的抗張強(qiáng)度為主要指標(biāo)，得出最佳實(shí)驗(yàn)組合為A2B2C3D3。即要使所得到的荸薺皮多糖可食性膜性狀最佳，各因素配比為羧甲基纖維素鈉添加量為0.08%，海藻酸鈉添加量為0.08%，甘油添加量為0.08%，玉米淀粉添加量為0.06%。

表4 海藻酸鈉對(duì)可食性膜性能的影響Table 4 Effects of Addition Amount of Sodium Alginate on Performance of Edible Films

表5 甘油對(duì)可食性膜性能的影響Table 5 Effects of Addition Amount of Glycerol on Performance of Edible Films

表6 玉米淀粉對(duì)可食性膜性能的影響Table 6 Effects of Addition Amount of Corn Starch on Performance of Edible Films

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果分析表Table7 The Results of Orthogonal Experiment Table

為了進(jìn)一步確定正交試驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)因子的可信度，對(duì)荸薺皮多糖可食性復(fù)合膜研制的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表8。重復(fù)試驗(yàn)的誤差一般有兩項(xiàng)，一是由正交表空列算得的偏差平方和，它是在整個(gè)試驗(yàn)過程中各種干擾因素引起的實(shí)驗(yàn)誤差的估計(jì)，為整體誤差；二是重復(fù)試驗(yàn)中表現(xiàn)出來的實(shí)驗(yàn)誤差，主要為式樣誤差，兩項(xiàng)誤差合并做Qe。［22］

由表8 可以看出，在荸薺皮多糖可食性復(fù)合膜各單因素進(jìn)行正交試驗(yàn)所選取因素和水平范圍內(nèi)，因素A，B，D 都達(dá)到了影響極顯著的范圍（p<0.01），因素C 達(dá)到影響顯著的水平（p<0.05）。其中結(jié)果F值也顯示方差分析結(jié)果與直觀極差分析結(jié)果一致，進(jìn)一步表明實(shí)驗(yàn)因子的可信度。［13］

按最佳配方組合制備荸薺皮多糖可食性膜，進(jìn)行三次平行試驗(yàn)后驗(yàn)證，測(cè)得可食性膜的相關(guān)物理性能的指標(biāo)：膜溶解時(shí)間為18 s，19 s，18 s，平均值為18s±1；抗拉強(qiáng)度為5.84 MPa，5.72 MPa，5.65 MPa，平均值為5.74 MPa。另外，膜的顏色淡黃，膜薄柔軟，均勻，優(yōu)于其他組合制成的可食性膜樣品。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，按此配方制成的可食性膜的各項(xiàng)性能均為優(yōu)良，正交優(yōu)化條件可行。

表8 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 8 Variance Analysis of the Orthogonal Experiment Results

三、結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以荸薺皮作為主要原料，利用纖維素酶解法提取多糖提取液，利用苯酚-硫酸法測(cè)定多糖提取液的濃度，在羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、甘油和玉米淀粉四個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn)，探究羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、甘油和玉米淀粉對(duì)可食性膜的性能的影響。實(shí)驗(yàn)確定了荸薺皮多糖可食用復(fù)合膜最適宜的研制工藝：料液比15：1，2%纖維素酶，pH 為5，在50 ℃條件下水浴酶解2h，滅酶1h 后離心提取上清液，按比例添加羧甲基纖維素鈉0.08%，海藻酸鈉0.08%，甘油0.08%，玉米淀粉0.06%，真空脫氣后60 ℃下烘干成膜。經(jīng)正交試驗(yàn)及方差分析得出各因素對(duì)可食性膜的影響順序?yàn)椋呼燃谆w維素鈉添加量>海藻酸鈉添加量>玉米淀粉添加量>甘油添加量。

目前我國對(duì)荸薺皮的資源利用程度還沒有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，大量的荸薺皮資源沒有得到有效的開發(fā)和利用。荸薺皮多糖可食用復(fù)合膜的研制在一定程度上解決了荸薺皮資源浪費(fèi)的問題，同時(shí)對(duì)可食性包裝提供一種新思路，通過利用不同聚合物的交聯(lián)特性，尋求最佳比例研制出更具有優(yōu)越性能的可食性膜，開拓可食性包裝市場(chǎng)。