响应面法优化斑点叉尾鮰鱼皮明胶-壳聚糖可食膜的制备工艺

徐 萌，包建强，黄 雯，王金梅

响应面法优化斑点叉尾鮰鱼皮明胶-壳聚糖可食膜的制备工艺

徐 萌，包建强，黄 雯，王金梅

（上海海洋大学食品学院，上海海洋大学水产动物遗传育种中心，上海 201306）

以斑点叉尾鮰（Ietalurus punetaus）鱼皮明胶、壳聚糖、甘油为原料制备可食膜，采用响应面法对可食膜的制备工艺进行优化。在单因素试验的基础上，使用Design-Expert软件对鱼皮明胶添加量、热处理温度与甘油添加量进行三因素响应面试验设计，以抗拉伸强度为响应值优化可食膜性能，并验证响应面预测值与实测值的一致性。结果表明，复合可食膜最佳制备工艺为：鮰鱼皮明胶添加量60%、热处理温度70℃、甘油添加量为10%时，制备得到的明胶－壳聚糖可食膜抗拉伸强度达最大值24.20 MPa，验证结果为23.44 MPa，二者相对误差为3.2%，实测值与响应面预测值拟合良好，说明通过响应面试验设计优化是有效的。

响应面；斑点叉尾鮰；鱼皮；明胶；可食膜

现代快节奏的生活使人们对长货架期食品的消费需求越来越多。可食膜是以天然可食性物质（如蛋白质、多糖、脂类等）为原料，辅以可食用的增塑剂、交联剂等，通过分子间的相互作用而形成的结构致密的薄膜［1］，有阻止气体和溶质迁移的功能，保证食品的品质，延长食品的货架期。

明胶是高分子蛋白质，具有良好的成膜性能，是一种理想的包装材料［2］。水产动物明胶与哺乳动物明胶相比，其热稳定性较低，机械强度较弱，水蒸气阻隔效果也较弱，这些都限制了水产动物明胶可食膜的大规模应用［3］。通过在水产动物明胶中添加天然化合物共混改性，可以改善其机械强度和抗水性能，拓宽其在食品包装中的应用［4］。壳聚糖是一种来源丰富的甲壳类动物壳提取物，壳聚糖分子中的大量氨基、羧基与明胶分子中的羧基、羟基很容易产生氢键、离子键等作用，生成聚合物，明胶－壳聚糖共混膜能有效改善可食膜的机械性能和热稳定性［5］，而且壳聚糖自身也是一种良好的抑菌物质［6］。有关动物明胶与壳聚糖复合成膜的研究已有较多，如：刘文辉等［7］通过酶法从牛皮中提取出明胶，再与壳聚糖复合成膜，制得的复合膜对水蒸汽阻隔性能较好，但机械性能还需要进一步改善；刘俊豪等［8］用响应面优化了秘鲁鱿鱼（Dosidicus gigas）鱼皮明胶-壳聚糖复合膜的制备工艺，但是目前少有利用响应面试验优化鮰鱼皮明胶、壳聚糖和甘油质量分数对可食膜性能影响的研究。

本试验将斑点叉尾鮰（Ietalurus punetaus，以下简称鮰鱼）鱼皮明胶与壳聚糖复合成膜，通过响应面分析优化鮰鱼皮明胶－壳聚糖制备的最适工艺，研究制备工艺对薄膜性能的影响，以期提高该可食性膜的机械性能与阻隔性能，旨在为利用水产动物明胶、制备可食的食品包装材料提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鮰鱼皮，由安徽富煌三珍食品集团有限公司提供；壳聚糖，食品级，脱乙酰度80.0%～95.0%；本实验中的化学试剂均为食品级分析纯试剂。

1.2 仪器与设备

TE212－2型电子天平（德国赛多利斯股份有限公司）；TA-XT plus型质构仪（英国Stable Micro System公司）；真空冷冻干燥机（美国BOC EDWARDS公司）；DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 鮰鱼皮明胶提取

将保存在－51℃的鮰鱼皮置于流水中解冻，融化后用手术刀切成5 m×5 m大小的碎片，放入冰水中用磁力搅拌器反复搅拌鱼皮直至冰水变为清澈。在4℃条件下，用0.1 mol·L－1的NaOH溶液浸泡20 min去除脂肪和部分杂蛋白。浸泡之后用蒸馏水反复清洗鱼皮去除残留的污垢以及NaOH。在10℃以下用2倍体积的正己烷浸泡鱼皮6 h以使鱼皮脱脂，随后用冷水洗去有机溶剂。将处理好的鮰鱼皮与蒸馏水按1∶10的料液比混合，65℃水浴加热，提取液冷冻干燥得到固体鮰鱼皮明胶，干燥后放入－20℃冷冻保藏备用［9］。

1.3.2 鮰鱼皮明胶－壳聚糖可食膜的制备

将壳聚糖溶于2%体积分数的乙酸溶液中，加热搅拌后得到质量浓度为2 g·100 mL－1的壳聚糖溶液。明胶溶液与壳聚糖溶液按一定比例混合，加入一定量增塑剂，加热搅拌15 min，去除气泡，流延于聚乙烯盘内，在50℃条件下干燥24 h，移出后揭膜，将膜置于盛有饱和Mg（NO3）2·6H2O溶液的干燥器中，保持温度25℃，相对湿度50%，48 h后测定膜的各项性能指标［10］。以制膜时鮰鱼皮明胶添加量、甘油添加量及热处理温度为因素，通过单因素试验结合Box-Behnken设计，以可食膜的抗拉伸强度为响应值，通过响应面优化可食膜制备工艺。

1.3.3 鮰鱼皮明胶－壳聚糖可食膜指标测定

1.3.3.1 机械性能

根据ASTM D882－01方法［11］，使用质构仪测定膜的抗拉伸强度（TS）和断裂伸长率（E）。拉伸强度指膜在轴向拉伸力作用下，破裂前所承受的最大应力，而断裂伸长率是评价膜在拉伸测试中破裂时的延伸能力的指标。计算公示如下：

式中：TS为抗拉伸强度（MPa）；F为膜断裂时的最大拉力（N）；L、W分别为膜的宽度（mm）和厚度（mm）；E为断裂伸长率（%）；L0为膜样品的长度（mm）；L1为膜断裂时候的长度（mm）。1.3.3.2 水蒸汽透过率（water vapor permeability，WVP）

采用修正的ASTM［12］的方法测定。干燥器底部加饱和硝酸镁溶液，25℃条件下，相对湿度保持在50%。透湿杯内装无水氯化钙，透湿杯上覆盖待测膜，置于相对湿度为50%的干燥器内，每隔1 h称量透湿杯的质量。水蒸汽透过率按下式计算：

式中：WVP为水蒸气透过率／［（g·m m）·（h ·m2·kPa）－1］；Δm为透湿杯增加的质量（g）；T为水蒸汽透过的时间（h）；d为样品膜厚度（mm）；A为样品膜实验面积（m2）；ΔP为试样两侧的蒸汽压（kPa），由于膜两侧的相对湿度梯度为50%、测定温度为25℃，故ΔP为1.584 KPa。

1.3.4 单因素试验

固定甘油添加量20%，热处理温度50℃，比较不同明胶与壳聚糖质量比（10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8、0∶10）对复合可食膜性能的影响；固定明胶与壳聚糖按质量比6∶4、热处理温度50℃，比较不同甘油添加量（10%、20%、30%、40%、50%）对复合可食膜性能的影响；固定明胶与壳聚糖质量比6∶4，甘油添加量20%，比较不同热处理温度（40、50、60、70、80℃）对复合可食膜性能的影响。

2 结果与分析

2.1 明胶与壳聚糖比例对复合膜性能的影响

由表1可知，纯胶原蛋白成膜的TS为（1.28 ±0.07）MPa。随着胶原蛋白中加入壳聚糖的量增加，膜的TS也逐渐提高，当胶原蛋白与壳聚糖质量比为6∶4时TS达到最大，为（14.27±0.32）MPa，这是由于壳聚糖与胶原蛋白分子间发生强烈的相互作用，形成共价键及氢键，使得TS增大。随着壳聚糖含量的继续增加，TS又逐渐减小，这是由于少量的胶原蛋白打乱了原本壳聚糖分子规则的结构，减弱了壳聚糖分子间的氢键作用，其定向排列受到影响，形成的膜结构致密度比纯的壳聚糖低，从而导致膜的TS降低［13］。

纯胶原蛋白成膜的E为（185.42±0.18）%，随着壳聚糖的加入，复合膜的E总体呈下降趋势，这是因为壳聚糖与胶原蛋白分子间的交联度增加，这样分子链的流动性降低。胶原蛋白与壳聚糖按质量比为6∶4时，E最大为（185.61± 6.71）%。随着壳聚糖在复合膜中所占比例的增加，WVP先减小再增加。

2.2 热处理温度对复合膜性能的影响

从表2可知，伴随着热处理温度的升高，复合膜的TS变化趋势为先增大后减小。这是由于较高的热处理温度加快了胶原蛋白与壳聚糖分子的运动速度从而增加了相互作用力，最终使膜的结构变得致密，在70℃TS达到最大，为（22.40 ±0.61）MPa。当加热温度达到80℃时，TS降低到（16.79±0.98）MPa，这是由于此时加热温度超过了交联物质的热变性温度75.59℃，导致膜的TS下降［14］。

膜的E在热处理温度为50℃达到最大值（196.84±6.76）%，随后随着热处理温度的增加而减小，这是因为随着交联作用的增加，使得复合膜的致密度得到了提高，导致E降低。

复合膜的WVP随着热处理温度的升高而减小。这是因为合适的加热温度有利于胶原蛋白与壳聚糖分子交联，提高了其阻隔水蒸汽的性能。

2.3 甘油添加量对复合膜性能的影响

由表3可知，随着甘油添加量的增多，膜的TS先增大后减小。复合膜在未加入甘油之前呈现易断裂的状态，在加入少量甘油后，复合膜的E有了很大提高，这是由于甘油的加入减弱了分子间作用力，使得膜的刚性结构得到软化，增大了体系的自由体积和分子链的流动性，致使其柔韧性增强［15］。随着甘油添加量的增加，WVP整体也呈现增大的趋势。这一方面是由于甘油为亲水物质，会降低聚合物链间的分子间力，增加自由体积，使得WVP增加。

表1 明胶添加量对可食膜特性的影响Tab.1 Effects of the additive amount of skin-gelatin on the properties of edible film

表2 热处理温度对可食膜特性的影响Tab.2 Effects of treatment tem perature on the properties of edible film

表3 甘油添加量对可食膜特性的影响Tab.3 Effects of additive amount of glycerol on the properties of edible film

2.4 优化鮰鱼皮明胶－壳聚糖可食膜的制备工艺模型建立与分析

食品包装材料首先要具备较好的抗拉伸强度，而且能够承受一定的外部压力，而鮰鱼明胶与哺乳动物明胶相比羟脯氨酸含量较少，所以用鮰鱼明胶制得的可食性膜硬度较低，在实际的生产实践中首先要提高复合可食膜的抗拉伸强度。因此，本试验选择抗拉伸强度作为响应面评价指标。

根据Box-Behnken设计原理［16］，以明胶添加量、甘油添加量、热处理温度作为试验因素，按照二次项回归方程进行试验，采用三因素三水平的响应面法优化分析［17］，试验因素及水平见表4，试验设计和结果见表5。应用Design-Expert软件对表5进行多元回归拟合，得出明胶比例（A）、热处理温度（B）、甘油添加量（C）与响应值抗拉伸强度（TS）的关系：

由响应面试验结果进行回归模型的方差分析，结果如表6所示。

表4 试验因素与水平表Tab.4 Factors and levels for the Box-Behnken experim ent design

表5 Box-Behnken试验设计与结果Tab.5 Box－Behnken experiment design and corresponding results

表6 回归模型方差分析Tab.6 ANOVA for response surface quadratic model

表6显示，试验模型的P值为0.000 1＜0.01，模型显著，失拟项P值为0.079 8＞0.05，表示试验数据和模型拟合良好。对P值的检验可以得出：明胶比例、热处理温度和甘油添加量以及各二次项对抗拉伸强度的影响都是显著的。模型的复相关系数R2＝0.996 7，调整后的R2＝0.992 4，由此可知，模型能够很好的反应抗拉伸强度与明胶比例、热处理温度和甘油添加量之间的关系，并且可以用来对鮰鱼皮明胶－壳聚糖可食膜抗拉伸强度进行优化分析和预测。

2.5 条件的优化与验证

图1～3分别为两因素交互影响的响应面图和等高线图。响应曲面的倾斜度越陡峭，表明抗拉伸强度对两因素添加量越敏感。

在添加15%甘油的情况下，明胶添加量与热处理温度对复合膜抗拉伸强度的影响如图1。通过对P值检验得出，明胶添加量与热处理温度的交互作用对复合膜抗拉伸强度的影响不显著，当甘油添加量为15%、明胶添加量为69.38%、热处理温度为56.60℃时，复合膜抗拉伸强度可达到24.11 MPa。

图1 明胶添加量、热处理温度对抗拉伸强度的响应面图（左）和等高线图（右）Fig.1 Response surface and contour p lots for the effects of the additive am ount of gelatin and treatment temperature on the tensile strength

图2 明胶、甘油添加量对抗拉伸强度的响应面图（左）和等高线图（右）Fig.2 Response surface and contour plots for the effects of the additive amount of gelatin andglycerol on the tensile strength

图3 甘油添加量、热处理温度对抗拉伸强度的响应面图（左）和等高线图（右）Fig.3 Response surface and contour plots for the effects of the addition of gelatin and temperature on tensile strength

在热处理温度为80℃的情况下，明胶添加量与甘油添加量对复合膜抗拉伸强度的影响如图2。通过对P值检验得出，明胶添加量与甘油添加量的交互作用对复合膜抗拉伸强度的影响不显著，当热处理温度为80℃、明胶添加量为56.74%、甘油添加量为10.46%时，复合膜抗拉伸强度可达到24.11 MPa。

在明胶添加量为60%的情况下，热处理温度与甘油添加量对复合膜抗拉伸强度的影响如图3。通过对P值检验得出，热处理温度与甘油添加量的交互作用对复合膜抗拉伸强度的影响不显著，当明胶添加量为60%、热处理温度为69.60℃、甘油添加量为10.12%时，复合膜抗拉伸强度可达到23.94 MPa。

3 小结

本研究利用Design-Expert模型对鮰鱼皮明胶－壳聚糖可食膜性能进行优化，以得到膜的最大抗伸张强度为目标，方差分析结果表明模型拟合度良好，得出最优条件为明胶添加量60%，热处理温度70℃，甘油添加量10%，最大抗拉伸强度为24.2 MPa。

进行多次验证试验得到平均抗拉伸强度为23.44 MPa，相对偏差为3.2%，结果表明Box-Behnken模型可用于鮰鱼皮明胶－壳聚糖可食膜的工艺优化。

水产动物明胶来源广泛、安全且不受宗教限制［18］，本研究表明添加可食聚合物壳聚糖和增塑剂甘油作为改性可食膜的材料［19］，大大增加了可食膜的机械性能。鱼皮原料丰富，制备可食膜成本较为低廉，本试验经过优化得到的鮰鱼皮明胶－壳聚糖可食性复合膜为规模化生产提供了理论依据。

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Optim izing edible fish skin gelatin，chitosan membrane preparation by Response Surface M ethod

XU Meng，BAO Jian-qiang，HUANGWen，WANG Jin-mei
（ShanghaiOcean University，Shanghai Ocean University Aquatic Animal Breeding Center，Shanghai 201306，China）

The response surface methodology was applied to optimize an edible composite film made from Chinese channel catfish skin collagen glycerol and chitosan.On the basis of single factor tests，the response surface experimentwas designed by the software of Design-Expertand the comprehensive effects of skin gelatin content，heat treatment temperature and the addition of glycerol content on the tensile strength were used to optimize the properties of edible composite film，the predicted andmeasured valueswere also compared for the consistency test.The results showed that the optimal extraction conditions were as follows：the skin gelatin contentwas 60%，while heat treatment temperature was 70℃.Under these conditions，the tensile strength was 24.2 MPa.The validation resultwas 23.44 MPa，and the relative error was 3.2%，which was consistent with the predicted value.It showed that the experimentwas effective.

response surfacemethodology；fish skin；gelatin；edible film

TS 254.9

A

1004－2490（2017）04－0463－08

2016－01－25

上海海洋大学水产动物遗传育种中心项目（ZF1026）

徐 萌（1989－），男，江苏盐城人，在读硕士研究生，研究方向为食品科学与工程。

E-mail：crosswinter＠126.com

包建强，教授。E-mail：baojq＠shou.edu.cn