张 乾，王亚迪，成德伟，颜 彦，汪陈洁

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院,山东 淄博 255049)

马铃薯(Solanum tuberosum L.)是我们生活中最常见的一种粮食作物，又名土豆、地蛋、荷兰豆、洋芋等，属于茄科茄属一年生块茎草本植物[1]。其中马铃薯蛋白作为马铃薯淀粉工业的副产品[2]，具有丰富的人体必需氨基酸，营养价值高，极具开发潜力。

近年来，食品行业的发展越来越迅速，在给人们生活带来便捷的同时也给环境带来了很大压力。为了更好地保存食品，人们开始大量使用安全无污染的保鲜包装薄膜。利用包装薄膜对食品进行保鲜，可以控制食品所处环境的氧气、水气或各种溶质的渗透达到保鲜的目的；同时，食品中丰富的营养往往是微生物的天然培养基，因此需要控制其微生物的生长，即要求其具有一定的抗菌性能。纳米氧化锌是一种新型多功能绿色材料，具有良好的抗菌性能，可作为食品包装材料[3]，研究表明，添加纳米氧化锌的薄膜会增强薄膜的机械性能和抑菌性能[4-5]。当前,保鲜薄膜的种类有很多，大体上可分为4种：多糖类、蛋白质类、复合型和类脂类可食性膜。其中壳聚糖因具有良好的抗菌性能和成膜特性而被广泛研究[6-7]；用于制备薄膜的蛋白质类主要有乳清蛋白[8]、酪蛋白[9]、玉米蛋白[10]等，而目前国内外对马铃薯蛋白基抗菌薄膜的研究很少。目前，马铃薯蛋白大多随淀粉加工的废水排出，最多可作为动物饲料应用，因此利用马铃薯蛋白制备抗菌薄膜对其高值化利用具有重要意义。

本文采用单因素试验和响应面试验获得制备壳聚糖-马铃薯蛋白-纳米氧化锌复合抗菌膜的最佳条件，并对其机械性能进行考察，以期为马铃薯蛋白的高值化利用提供新的视角，也为新型食品包装材料的开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验所需马铃薯购于山东淄博本地市场，挑选个体匀称圆润有光泽、成熟度颜色均一致、没有机械损伤、无病虫害迹象的马铃薯作为试验材料。纳米氧化锌、甘油均来自于上海麦克林生化科技有限公司；壳聚糖、乙酸、氢氧化钠、无水亚硫酸钠等均来自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

易斯顿全营养破壁料理机；DHG-9240电热鼓风干燥箱：龙口市先科仪器公司；DL-5-B离心机：上海安亭科学仪器厂；KQ-500B型超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；AL-1D4型分析天平：梅特勒-托尔多仪器有限公司；冷冻干燥机FD-1：北京博医康实验仪器有限公司；TA.XTPLUS物性测试仪：英国Stable Micro Systems公司；UV-2102PC紫外分光光度计：上海光学仪器五厂有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 马铃薯蛋白的提取

将新鲜马铃薯去皮、切碎、打浆，迅速放入配置好的亚硫酸钠(0.4%)溶液中并用1 mol/L氢氧化钠溶液将pH调到9，静置2 h，然后在3 000 r/min下离心10 min，离心所得上清液用双层滤布过滤，将滤液pH调到4.2，磁力搅拌10 min后静置1 h。再次在相同条件下离心取沉淀，并将pH调到7，然后用透析袋透析，将马铃薯蛋白中的中性盐除去，再用冷冻干燥机进行干燥成粉。

1.3.2 复合膜的制备工艺

将壳聚糖溶于体积分数2%的乙酸溶液中，配制成质量分数为3%的壳聚糖溶液。将马铃薯蛋白溶于蒸馏水，将上述壳聚糖溶液与蛋白质溶液按一定比例混合，加入1.5%甘油和不同比例的纳米氧化锌，并加以不同时间的超声震荡，去除气泡后取25 mL成膜液流延于聚乙烯培养皿内，在55 ℃的条件下干燥24 h，移出后揭膜。将膜置于盛有饱和硝酸镁溶液的干燥器中，25 ℃条件下，保持相对湿度(50±3)%，平衡48 h后测定膜的各项性能指标。

1.3.3 单因素试验

马铃薯蛋白的单因素试验浓度梯度为0、0.1%、0.3%和0.5%；纳米氧化锌的单因素水平分别为0、0.05%、0.1%和0.2%；超声时间设置为10 min、20 min和30 min，以不经超声处理组为对照组。测定不同单因素条件下制备出的复合膜破断力和断裂伸长率。

1.3.4 响应面试验优化

根据单因素实验结果，选择最优的马铃薯蛋白含量、纳米氧化锌含量和超声时间进行三因素三水平的响应面试验设计(见表1)，评价指标为破断力和断裂伸长率。

表1 响应面试验设计因素水平表Tab.1 Design factor level of response surface test

1.3.5 机械性能的测定

按文献[11]的方法，采用质构仪TA-XT Plus测定各膜的抗拉伸强度(Breaking force)和断裂拉伸率(Elongation)。探头：A/MTG；测试条件：测试速度为0.20 mm/s，测试距离为35 mm。每种膜测定5个平行样，每个样品大小为1 cm×5 cm。

1.3.6 数据处理与统计分析

采用IBM SPSS Statistics 19进行数据统计分析(P<0.05)，采用Origin 9.0作图，响应面试验设计与分析采用Design Exper v8.0.6软件。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 马铃薯蛋白含量对复合膜机械性能的影响

破断力和断裂伸长率可以反映复合膜的机械强度和延伸韧性。马铃薯蛋白含量对复合膜机械性能的影响如图1所示。由图1可知，不同含量的马铃薯蛋白对膜的机械强度有显著影响(P<0.05)。其中，马铃薯蛋白含量为0.30%时复合膜的破断力和断裂伸长率达到最大值，显著优于其它组(P<0.05)，具有良好的机械性能。这可能与马铃薯蛋白的添加增强了复合膜分子之间的黏结强度，导致复合膜的机械性能增强有关。因此，可考虑选择马铃薯蛋白含量为0.30%作为后续优化的中间水平。

图1 马铃薯蛋白含量对复合膜机械性能的影响Fig.1 Effects of different potato protein contents on the mechanical properties of the composite film

2.1.2 纳米氧化锌含量对膜机械性能的影响

纳米氧化锌含量对复合膜机械性能的影响如图2所示。由图2可知，随着纳米氧化锌含量的增加，复合膜的破断力逐渐增强，断裂伸长率显著下降(P<0.05)，添加的量高于0.10%时，破断力和断裂伸长率较对照组有显著差异(P<0.05)，膜的抗拉强度增加，韧性减弱。当纳米氧化锌含量达0.20%时，膜的断裂伸长率急剧下降(P<0.05)。这可能是由于复合膜中纳米氧化锌含量增多时，壳聚糖和蛋白质分子之间以及分子内部的氢键作用减弱，而在纳米氧化锌和大分子之间形成新的氢键，阻碍了分子的运动，从而使大分子的活动受到影响，造成膜的断裂伸长率下降，复合膜变得更脆[12]。综合考虑两个指标，可选择纳米氧化锌含量为0.10%。

图2 纳米氧化锌含量对复合膜机械性能的影响Fig.2 Effects of different nano ZnO contents on the mechanical properties of the composite film

2.1.3 超声时间对复合膜的机械性能的影响

超声时间对复合膜机械性能的影响如图3所示。由图3可知，超声处理对复合膜的破断力影响显著(P<0.05)，经超声震荡处理20 min后，复合膜的破断力显著增加(P<0.05)，断裂伸长率与超声10 min处理组无显著差异(P>0.05)。但当超声时间继续增加到30 min时，复合膜的破断力与20 min处理组并无显著性差异(P>0.05)，但断裂伸长率显著低于20 min处理组(P<0.05)。结果表明，一定时间的超声处理有利于成膜液更加均匀地分布，从而增加膜的机械性能。可以看出，选择20 min左右的超声时间较为合适。

图3 超声时间对复合膜机械性能的影响Fig.3 Effects of different ultrasonic time on the mechanical properties of the composite film

2.2 响应面实验结果分析

由单因素实验结果，运用Design Expert v8.0.6软件设计三因素三水平的响应面实验，将破断力和断裂伸长率作为试验的响应值，结果见表2。

表2 响应面试验方案及结果Tab.2 Scheme and results of response surface test

采用软件进行数据处理，以断裂伸长率为例，得到断裂伸长率值(Y2)的三元二次回归方程为：Y2=33.99 -0.67X1-0.93X2-0.17X3+ 0.40X1X2-0.22X1X3+0.07X2X3-0.87X12-1.57X22-0.67X32。由表3可知，响应面优化模型极其显著，失拟项不显著，说明该模型拟合良好，可以应用。同时，根据P值可以看出，超声时间对断裂伸长率的影响相对小一些，马铃薯蛋白和纳米氧化锌含量对膜的性能影响都很大。

表3 断裂伸长率的响应面二次模型方差分析Tab.3 Variance analysis of elongation at break

断裂伸长率值响应面图如图4所示。由图4可得，当马铃薯蛋白含量在0.29%～0.33%、纳米氧化锌含量在0.09%～0.11%、超声时间17～21 min时，复合膜的断裂伸长率较大。而超出此范围的断裂伸长率降低，使得复合膜的韧性变差、脆性增加。其中马铃薯蛋白与纳米氧化锌交互作用的响应面图中的曲面弧度较其他两个响应面大，说明马铃薯蛋白与纳米氧化锌交互作用较明显，且表3中X2X3交互项也显示极显著，其他交互项不显著。即马铃薯蛋白与纳米氧化锌含量交互作用显著(P<0.01)，而马铃薯蛋白含量与超声时间、纳米氧化锌含量与超声时间的交互作用不显著(P>0.05)。

图4 断裂伸长率值响应面图Fig.4 Response surface of elongation at break

经过响应面优化后的各因素最优条件分别是马铃薯蛋白含量0.32%、纳米氧化锌含量0.10%、超声时间19.52 min，经模型优化得到的破断力和断裂伸长率分别为1 106.50 g、33.62%。通过验证试验，测得破断力值是1 109.78 g、断裂伸长率为33.39%，与模型优化值接近。所以，本优化模型拟合良好。

2.3 不同复合膜性能比较

不同薄膜的破断力和断裂伸长率如图5所示。由图5可知，不同添加物质的膜破断力有显著差异(P<0.05)，CS膜的破断力最小，但断裂伸长率显著优于添加纳米氧化锌组(P<0.05)；从膜的表观特征来看，CS膜较柔软，延展性较好。加入纳米氧化锌之后，复合膜的破断力较对照组显著增加，断裂伸长率下降(P<0.05)。同时添加纳米氧化锌和马铃薯蛋白的复合膜破断力最大，断裂伸长率较壳聚糖纳米氧化锌组略高但无显著差异(P>0.05)。综上所述，CS-PP-ZnO NPs复合膜具有较好的机械性能，可用作食品的包装材料。

图5 不同薄膜的破断力和断裂伸长率Fig.5 Breaking force and elongation at break of different films

3 结论

1)通过单因素试验得出马铃薯蛋白、纳米氧化锌及超声时间的中间水平分别为：0.30%、0.10%、20.00 min。

2)响应面试验优化结果表明，马铃薯蛋白含量为0.32%、纳米氧化锌含量为0.10%以及超声时间为19.52 min的条件下，复合膜的机械性能最好，验证试验结果与预测值相接近。

3)纳米氧化锌的加入会显著提高复合膜的破断力，但韧性较差，而马铃薯蛋白的加入会改善其韧性，最终使CS-PP-ZnO NPs复合膜具有较好的机械性能，具有较高的应用价值。