表1 响应面分析因素与水平
Table 1 Factors and levels used in response surface analysis
李鸿梅，盖彦红，闵伟红，刘秀奇，张涛铄
（吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118）
摘 要：以玉米蛋白粉代替玉米醇溶蛋白为原料，采用拉伸法制备低成本的阻油玉米蛋白粉源膜；以抗拉强度为指标，通过响应面法确定最佳成膜工艺为：乙醇体积分数84.5%、浸提温度62 ℃、pH 7.7。此条件下制得的玉米蛋白粉源膜最大抗拉强度为20.77 MPa。研究表明，膜厚度对膜抗拉强度、断裂伸长率、溶解率、热稳定性无显著影响，但与透油系数及透光率有相关性，当膜厚度为0.021 mm时，透油系数最小为0.018 9（g·mm）/（m2·d），透光率最大为82.33%；当膜厚度为0.101 mm时，透油 系数最大为0.159 8（g·mm）/（m2·d），透光率最小为65.53%。扫描电子显微镜结果显示，所有样品表面光滑，无明显颗粒、气泡或凸起，但膜表面有 线状条纹，且随拉力的增大，由不规则线条状变为直径较大的椭圆形，分布由密集转为稀疏，且逐渐减少。拉伸作用减少了蛋白质凝聚在膜表 面所形成的条纹结构，利于形成结构稳定且致密的玉米蛋白粉源膜，对其阻油性产生了积极影响。
关键词：玉米蛋白粉；拉伸法；抗拉强度；透油系数
引文格式：
李鸿梅, 盖彦红, 闵伟红, 等. 响应面试验优化拉伸法制备低成本玉米蛋白粉源膜工艺[J]. 食品科学, 2016, 37(12):
LI Hongmei, GAI Yanhong, MIN Weihong, et al. Response surface optimization of preparation of low-cost film from corn gluten meal by str etching method[J]. Food Science, 2016, 37(12): 76-82. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201612013. http://www.spkx.net.cn
塑料包装制品因具有质量轻、运输方便等特点而被人类长期使用，其生产过程中通常加入增塑剂、抗静电剂、热稳定剂、印刷染料等物质。在一定条件下，这些添加剂可能通过吸收、溶解、扩散等过程迁移进入被包装食品中，影响食品的安全与品质，同时造成环境污染[1-2]。因此，为解决石油基塑料包装引发的安全性问题，人们不断地研究利用蛋白质、多糖和脂质等可再生资源为原料，制成绿色、无毒、可降解、且对食品本身性质影响最小的新型包装膜[3]。
玉米蛋白粉是玉米籽粒经湿磨法生产淀粉时产生的副产物，其中醇溶蛋白约占蛋白总量（干基）的68%。目前，玉米蛋白粉主要用作动物饲料或随废液直接排放，浪费资源且污染环境[4]。仅少部分用于提取玉米醇溶蛋白[5]和色素[6]、制备蛋白膜[7-8]及活性肽[9]。合理利用玉米蛋白粉，提高附加值，对玉米产业发展具有重要意义。且玉米醇溶蛋白具有良好的成膜性、疏水性、阻油性等，用其制备的薄膜可应用于果蔬及方便食品的包装与保鲜等领域[10-11]。常用的制膜方法是流延法和涂布法：先利用有机溶剂提取出玉米蛋白粉中的醇溶蛋白，而后将干燥的玉米醇溶蛋白再溶于乙醇制成成膜溶液，添加增塑剂，倾倒于成膜材质上或直接涂布于被包裹物体表面，加热干燥成膜[12]。流延法工艺繁琐、溶剂用量大，不适合工业化生产，增塑剂虽能提高蛋白膜机械性能，却使膜的耐水性及安全性降低。因此，寻求工艺简单、成本低廉、安全性高的制备方法十分必要。
本实验采用拉伸法制备玉米蛋白粉源膜，直接以玉米蛋白粉为原料，省去醇溶蛋白干燥及复溶步骤，节约有机溶剂并缩短制膜时间。不添加增塑剂条件下膜机械性能良好，可最大程度地确保被包装食品的品质及安全性。可将其代替塑料制品包装，直接包裹含油量较高的食品或尝试将其作为油炸食品纸质包装的内膜材料，充分发挥其较好的阻油特性。拉伸法可简化生产工艺，有效降低制膜成本并提高蛋白膜阻油性，拓展蛋白膜应用范围，为其工业化生产提供理论依据。
1.1 材料与试剂
玉米蛋白粉 黄龙食品工业有限公司；金龙鱼大豆油 嘉里粮油（中国）有限公司。
所用试剂均为国产分析纯。
1.2 仪器与设备
SUPRA55型扫描电子显微镜 德国卡尔·蔡司公司；TA-XT2i型质构仪 英国Stable Micro System公司；HP-50数显推拉力计 乐清市艾德堡仪器有限公司；DSC4000型差示扫描量热仪 美国PerkinElmer公司；FG2-便携式pH计 梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司；TDL-4低速台式离心机 上海安亭科学仪器厂；WFJ 2100型可见分光光度计 尤尼科（上海）仪器有限公司；K9860全自动凯氏定氮仪 济南海能仪器股份有限公司；HH-8水浴锅 国华电器有限公司；干燥器 长春市玻璃仪器厂。
1.3 方法
1.3.1 原料主要成分分析
分别按照GB 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》[13]、GB/T 14772—2008《食品中粗脂肪的测定》[14]、GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的测定》[15]、GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》[16]、GB 5009.4—2010《食品中灰分的测定》[17]测定玉米蛋白粉中粗蛋白、粗脂肪、淀粉、水分及灰分含量，结果取3 次平均值。
1.3.2 拉伸法制备玉米蛋白粉源膜
在传统流延法制膜[18]基础上加以改进，称取50 g玉米蛋白粉，按料液比1∶9（g/mL）加入一定体积分数的乙醇溶液。搅拌均匀后，调节pH值，置于恒温水浴锅中处理1 h。调节乙醇体积分数至60%，静置30 min，5 000 r/min离心15 min。上清液加入等体积质量分数1% NaCl溶液，4 ℃放置6 h后搅匀，5 000 r/min离心15 min，取出离心杯底部的橘黄色胶状物置于40 ℃水浴1 min后取出，置于数显推拉力计夹具两端，设定一定拉力值后匀速摇动手柄使夹具移动。多方向进行拉伸，直至将橘黄色胶状物拉伸成淡黄色、均匀且透明的薄膜。
1.3.3 抗拉强度的测定
抗拉强度由TA-XT2i型质构仪测定，记录玉米蛋白粉源膜破裂时的力，计算抗拉强度（MPa）。响应面优化过程均采用拉力平均厚度为0.030 mm的膜进行测试。
1.3.4 制备条件对玉米蛋白粉源膜抗拉强度的影响
按1.3.2节方法使用推拉力计以20.00 N制备平均厚度为0.030 mm的蛋白粉源膜。考察乙醇体积分数、浸提温度、pH值对膜抗拉强度的影响。乙醇体积分数设定为75%、80%、85%、90%、95%，浸提温度设定为50、55、60、65、70 ℃，pH值设定为4、6、8、10、12。进行某一单因素试验时，其他不变因素条件分别为：乙醇体积分数90%、浸提温度50 ℃、pH 8。
1.3.5 响应面法优化玉米蛋白粉源膜制备条件
选取乙醇体积分数、浸提温度、pH值3个因素作为自变量，根据Box-Behnken设计建立三因素三水平试验，以玉米蛋白粉源膜抗拉强度为响应值，确定最佳制膜条件。试验因素与水平设计如表1所示。
表1 响应面分析因素与水平
Table 1 Factors and levels used in response surface analysis
1.3.6 不同厚度玉米蛋白粉源膜性质测定及比较
按照最佳工艺制膜，设定拉推力计上限值23.59、18.34、12.76、10.03、7.17 N，分别制备出厚度为0.021、0.042、0.060、0.081、0.101 mm的膜，编号1～5，测定其抗拉强度、断裂伸长率、溶解性、透油系数、透光率及热稳定性并进行比较。
1.3.6.1 机械性能的测定
将膜裁成5 cm×1 cm条状，置于（15±2）℃、相对湿度（50±5）%条件下平衡48 h备用。采用物性测定仪进行抗拉力测试，选用A/TG探头，拉伸速率为1.0 mm/s，初始夹距为40 mm，记录10 个平行样品破裂时的最大拉力和位移，取平均值。样品的机械性质按照式（1）、（2）进行计算：
式（1）、（2）中：F为样品断裂时的力/N；W为样品宽度/mm；D为样品厚度/mm；L为试样拉伸后位移/mm；L0为试样原长度/mm。
1.3.6.2 溶解率的测定
将膜裁成3 cm×3 cm大小，40 ℃干燥至质量恒定记为m1，将干燥后的样品置于（15±2）℃的200 mL蒸馏水中浸泡12 h后取出，50 ℃干燥至质量恒定，冷却后称质量记为m2，按式（3）计算溶解率[19]。
1.3.6.3 透油系数的测定
将膜裁成5 cm×5 cm大小，取5 mL色拉油，加入直径为1.5 cm的10 mL试管中，用膜封口，将封口的试管倒置于质量恒定滤纸上，每隔24 h称量滤纸质量，平行测定3次，测试周期为30 d。透油系数计算如式（4）所示：
式中：Δm为滤纸质量变化/g；L为膜厚度/mm；S为试管口面积/m2；t为测试时间/d。
1.3.6.4 透光率的测定
将膜裁成4 cm×1 cm条状，紧贴于比色皿一侧的内部，以空比色皿做对照，利用可见分光光度计测定其在500 nm波长处的透光率[20]。
1.3.6.5 热力分析
利用差示扫描量热仪进行测定，将最优条件下制备的玉米蛋白粉源膜样品置于（15±2）℃、相对湿度（50±5）%条件下平衡48 h备用。称取10 mg样品于铝盒中压片，以空铝盒做对照。升温速率为10 ℃/min，测试温度范围为20～200 ℃。
1.3.7 不同厚度玉米蛋白粉源膜表面微观结构观察
将膜裁成3 mm×3 mm大小，真空喷金30 s后，置于扫描电子显微镜下观察表面结构，工作条件为：加速电压15 kV、工作距离5.6 mm、放大倍数1 600 倍。
2.1 原料主要成分分析
经测定玉米蛋白粉中含粗蛋白62.84%、淀粉10.23%、粗脂肪6.29%、水分5.03%、灰分4.62%，除水分含量外均为干基。
2.2 单因素试验结果
图1 各单因素对玉米蛋白粉源膜抗拉强度的影响
Fig. 1 Effects of preparation conditions on film tensile strength
a.乙醇体积分数；b.浸提温度；c. pH值。
由图1a可知，随着乙醇体积分数增加，玉米蛋白粉源膜抗拉强度逐渐增大。当体积分数达到85%时，抗拉强度达最大值。这可能是由于此体积分数条件下醇溶蛋白在溶液中的溶解性、分散性好，利于蛋白质网络结构的形成，最终形成结构紧密且均匀的玉米蛋白粉源膜。随着乙醇体积分数的继续增加，玉米醇溶蛋白的溶解度稍降低，即成膜溶液中玉米醇溶蛋白含量减少，膜结构松散不紧致，导致玉米蛋白粉源膜抗拉强度下降。
由图1b可知，随着浸提温度的升高，玉米蛋白粉源膜抗拉强度增大趋势明显。60 ℃时，抗拉强度达到最大值，随后逐渐下降。原因可能是适当提高温度有助于玉米醇溶蛋白的溶解，并且有少量油脂随之溶出，与蛋白结合后可增加膜的机械性和光泽度。但温度过高会导致蛋白质变性，空间构象改变，抗拉强度反而减小。
由图1c可知，当pH 4～10时，抗拉强度逐渐增大。原因是一定范围内的碱性条件可提高玉米醇溶蛋白在乙醇中的溶解性、分散性，且高pH值有助于二硫键的形成。而过高碱性条件导致玉米醇溶蛋白的某些侧链基团解离程度改变，分子空间构象被破坏，最终蛋白质变性，不利于形成结构紧密且均匀的玉米蛋白粉源膜。
2.3 响应面试验结果
在单因素试验结果基础上，根据Box-Behnken设 计进行17 组试验，试验设计与结果见表2。
表2 响应面试验设计及结果
Table 2 Response surface central composite design with experimental results
利用Design-Expert 7.0.1.0软件对表3试验数据进行二次多元回归拟合，得到膜的抗拉强度（Y）对乙醇体积分数、浸提温度和pH值3 个因素的二次多项式回归模型为：Y=21.19－0.59X1＋0.60X2－0.43X3－0.26X1X2－0.030X1X3－1.75X2X3－3.18X12－1.17X22－3.89X32。
表3 回归模型方差分析
Table 3 Analysis of variance for regression model
由表3可知，模型P＜0.01，说明Y与X1、X2和X3回归方程关系极显著，即模型极显著。本试验中模型的决定系数R2=0.996 9，调整决定系数
，说明玉米蛋白粉源膜抗拉 强度的试验值与模型的回归值有较好的一致性。根据结果分析：各因素对玉米蛋白粉源膜抗拉强度的影响顺序为：浸提温度＞乙醇体积分数＞pH值。一次项X1、X2、X3极显著，二次项X2X3、
、
、
极显著，说明该模型的拟合程度较好，可靠性高，利用此模型对制膜工艺进行优化可行。
图2 各因素交互作用对抗拉强度影响的响应面及等高线图
Fig. 2 3D response surface and contour plots showing the interactive effect of preparation conditions on film tensile strength
利用Design-Expert 7.0.1.0软件对表4试验数据进行二元多次回归拟合，得到回归方程的响应面立体图及等高线图，如图2所示，3 个因素交互作用的立体图上都存在极值。乙醇体积分数与浸提温度交互作用图虽接近为椭圆形，但P=0.077 5＞0.05交互作用未达到显著水平。乙醇体积分数与pH值的交互作用图为圆形，交互作用不显著。而乙醇体积 分数与浸提温度的交互作用图为椭圆，交互作用极显著。数据分析表明，回归模型存在最大值，制膜最佳工艺条件为乙醇体积分数84.46%、浸提温度61.85 ℃、pH 7.72，理论最大抗拉强度为21.36 MPa。为方便操作，选择如下条件进行实验：乙醇体积分数84.5%、浸提温度62 ℃、pH 7.7。在此条件下制备的玉米蛋白粉源膜平均抗拉强度为20.77 MPa，达到预测值的97.24%。
2.4 不同厚度玉米蛋白粉源膜性质比较
图3 不同厚度玉米蛋白粉源膜的抗拉强度（a）、断裂伸长率（b）、溶解率（c）、透油系数（d）、透光率（e）及热力分析（f）
Fig. 3 Tensile strength, elongation at break, percentage dissolution, oil permeation coefficient, transmittance and thermal analysis of protein films as a function of film thickness
1～5.玉米蛋白粉源膜厚度0.021、0.042、0.060、0.081、0.101 mm。
由图3a、b可知，5种不同厚度膜的抗拉强度无明显差异，均集中在20.53～20.77 MPa之间。1号样品断裂伸长率最大为8.37%，随膜厚度的增加断裂伸长率稍有降低，5号样品断裂伸长率最小为7.31%，表明其韧性相对较差，发生脆性断裂的可能性大。原因可能与玉米蛋白粉源膜表面结构有关，相互缠绕聚集的蛋白质数量较多，使可形成膜骨架结构的蛋白质减少，且连接蛋白质间的氢键、二硫键及疏水键易断裂，使得膜结构松散不紧密，受外力后可发生的形变较小，易断裂。表明膜厚度对玉米蛋白粉源膜机械性质影响较小，拉伸法可制备出机械性质稳定的玉米蛋白粉源膜。流延法、涂布或喷雾法的原理是使成膜液中溶剂挥发、薄膜脱水干燥，蛋白质浓度增大凝聚形成网络 结构成膜[21]，杜悦[22]采用流延法制备无添加剂的玉米蛋白粉源膜拉伸强度为14 MPa。张婷婷[23]采用流延法通过响应面优化确定最佳条件参数为山梨醇0.19 g/g、半乳糖0.17 g/g、油酸0.32 g/g，此条件下玉米蛋白粉源膜的拉伸 强度为16.95 MPa。这表明，采用拉伸法制备的玉米蛋白粉源阻油膜，其抗拉强度优于传统方法制备的玉米蛋白粉源膜。
图3c表明，5种样品的溶解率变化无明显差异，均集中在5.7%～6%之间。虽然5种样品厚度不同，但可能由于相同面积膜所含蛋白及油脂含量相同，使其在水中的溶解度也相似。表明膜厚度对膜成分含量无明显影响，拉伸法制备的玉米蛋白粉源膜成分含量一致。
由图3d可知，以30 d作为测试周期，5种样品的透油系数差异较显著。1号样品透油系数最小为0.018 9（g·mm）/ （m2·d），随着膜厚度增大，其透油系数也逐渐变大，5号样品透油系数最大为0.159 8（g·mm）/（m2·d）。其原因可能是样品的表面结构在拉伸过程中发生改变，从而影响玉米蛋白粉源膜的阻油效果。鲁亚楠[24]采用流延法按乙醇体积分数80%、甘油添加量0.3 g/g、聚乙二醇-400添加量0.2 g/g、单甘酯添加量0.3 g/g工艺条件制备玉米醇溶蛋白膜，其透油系数为9.34（g·mm）/（m2·d），是5号样品透油系数的58.45 倍，与传统流延法相比，拉伸法可显著提高玉米蛋白粉源膜的阻油效果。
图3e表明，透光率随样品厚度的增大而逐渐降低。随着拉伸过程的进行，膜厚度逐渐变小，肉眼可直接观察出膜颜色由橘色变为淡黄色。经测定透光率逐渐增大，变化范围在65.53%～82.33%，透光率良好。
图3f表明，5种样品的热分析结果无显著差异，曲线基本重合，在相同温度条件下所吸收的热量相同。均在20～25 ℃有非常明显的吸热过程，应该是玉米蛋白粉源膜中含有少量水分所致；峰值均出现在97.5 ℃，即厚度对于玉米蛋白粉源膜的热稳定性无显著影响。经过计算，玉米蛋白粉源膜的平均起始熔融温度为56.96 ℃，峰面积为1 377.91 mJ，ΔH为142.49 J/g。
2.5 不同厚度玉米蛋白粉源膜表面微观结构
图4 不同厚度玉米蛋白粉源膜表面微观结构
Fig. 4 Scanning electron micrographs of protein films with different thickness
A～E.玉米蛋白粉源膜厚度0.021、0.042、0.060、0.081、0.101 mm（×1 600 倍）。
由图4可知，所有样品表面光滑，无明显颗粒、气泡和凸起。厚度最大的样品E表面呈现大量线状条纹，且分布密集。样品D表面的条形波纹逐渐变为不规则线团状，且排列紧密，单位面积内数量较多，分布均匀。随着膜厚度逐渐减小，厚度最小的样品A表面形成的线团结构接近圆形，直径较大，单位面积内数量极少，且排列稀疏。
利用响应面法确定玉米蛋白粉源膜最佳制膜条件为：乙醇体积分数84.5%、浸提温度62 ℃、pH 7.7。结果表明，拉伸过程对膜表面结构影响较大，可有效提高其阻油效果，厚度为0.021 mm膜的透油系数最小仅为0.018 9（g·mm）/（m2·d），厚度0.101 mm膜的透油系数最大为0.159 8（g·mm）/（m2·d）；拉伸过程对膜的机械性能、溶解性及热稳定性无显著影响，而透光率与膜厚度呈负相关。拉伸法适合应用于制备厚度可控、机械性质良好、具备阻油性质的低成本玉米蛋白粉源膜。
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Response Surface Optimization of Preparation of Low-Cost Film from Corn Gluten Meal by Stretching Method
LI Hongmei, GAI Yanhong, MIN Weihong, LIU Xiuqi, ZHANG Taoshuo
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)
Abstract: Low-cost film without oil permeation was prepared from corn gluten meal instead of zein by stretching method. Using tensile strength as the response, the optimal processing parameters was determined by response surface methodology as follows: ethanol concentration, 84.5%; temperature, 62 ℃; and pH, 7.7. Under these conditions, the maximum tensile strength of the film of 20.77 MPa was obtained. It was shown that film thickness had no significant influence on tensile strength, elongation at break, percentage dissolution or thermostability. However, there was a positive correlation between film thickness and either oil permeation coefficient or transmittance. At a film thickness of 0.021 mm, the minimum oil permeation coefficient of 0.018 9 (g·mm)/(m2·d) and the maximum transmittance of 82.33% were achieved, whereas oil permeation coefficient was maximum, 0.159 8 (g·mm)/(m2·d), and tra nsmittance was minimum, 65.53%, when the film thickness was 0.101 mm. The scanning electron microscopy (SEM) results showed that the surface of all prepared films was smooth without obvious particles, bubbles or bumps. However, there were li near stripes on the surface of the films. The irregular linear stripes turned into an oval with a large diameter, sparse when the tension was increased. Stretching action obstructed protein aggregating on the surface of the films, which had a positive effect on the formation of stable and compact films.
Key words: corn gluten meal; stretching method; tensile stren gth; oil permeation coefficient
收稿日期：2015-10-14
作者简介：李鸿梅（1971—），女，教授，博士，研究方向为制糖工程。E-mail：rainbowly71@sina.com
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201612013 76-82. 10.7506/spkx1002-6630-201612013. http://www.spkx.net.cn
中图分类号：TS210.9
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2016）12-0000-07