• 《食品安全導刊》刊號:CN11-5478/R 國際:ISSN1674-0270

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    方便食品可食性調料包裝性能研究

    2021-08-08 21:46:54 來源: 食品安全導刊

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    謝彩玲1,梅小虎2*,郭艷峰1
    (1.中山火炬職業技術學院,廣東中山 528436;
    2.廣東嶺南職業技術學院,廣東廣州 510663)
    摘 要:本文測定了以醬油渣、淀粉為主要原料制備的方便食品可食性調料包的性能,系統研究了該膜的熱封工藝、封合強度、溶解率、調料溶出時間、阻油性、水蒸氣透過性和阻氧性等性能及其影響因素。結果表明,淀粉含量6.5%、醬油渣含量1.5%、甘油含量27%、76 ℃下制備的可食膜,抗拉強度為14.22 MPa、斷裂伸長率6.81%,在封合溫度160 ℃、時間 5 s、壓強0.6 MPa條件下,膜的封合強度最大3.11 N/15 mm。該調料包在沸水中泡1.5 min后調料溶出,2.5 min后膜的自然溶解度大于32.38%。內裝食用油脂料包在15 d后油脂質量僅損失0.19%,基本滿足方便食品調料包裝性能要求,具有廣闊的市場前景。
    關鍵詞:調料包;方便食品;醬油渣;可食膜;可溶性膜

    方便食品是指需簡單處理即可食用的產品,隨著食品加工技術的深入,方便食品的種類也越來越多。我國是方便食品消費大國,據統計,2018年我國方便食品消費占比已達全球市場的38.85%[1],2020年,各種方便食品銷量持續增加,單方便面一種方便食品,銷售額同比增長11.5%[2]。方便食品消費量持續升高的同時,方便食品的包裝消耗量也不斷增加。方便食品一般有3個以上調料包,通常采用塑料薄膜包裝。塑料醬包雖小,但使用量大,同時塑料醬包在拆包時容易黏手,既不方便衛生也不環保,是塑料污染的重要因素之一。塑料包裝降解一直是困擾環境治理的難題,因此開發免撕可食調料包裝袋,不僅可以改良當前塑料醬包拆包易黏手的問題,還可以減少塑料污染,具有廣闊的市場
    前景。
    生物高分子膜材料的研究是當下熱點,具有綠色環保、可再生等優點,淀粉是制膜常用多糖類材料,但僅用淀粉制膜往往力學強度不夠,容易破損。大豆發酵后的醬油渣含有豐富的營養物質[3-7],尤其是膳食纖維含量很高。將醬油渣與淀粉共混制膜,加入甘油,采用流涎法,可得到具有一定力學強度的可食膜材料。本文在前期研究的基礎上,對制備膜的氧氣阻隔性、水蒸氣透過性、溶解性、熱封性、阻油性、阻氧性等指標進行測定,為進一步在方便食品調料包中的應用提供依據。
    1 材料與方法
    1.1 材料與試劑
    醬油渣(佛山海天調味食品公司);食用玉米淀粉(廣州福正東海食品公司);丙三醇(分析純,天津富宇精細化工有限公司);α-淀粉酶(美國Sigma公司);蛋白酶(上海源聚生物科技有限公司);葡萄糖苷酶(美國Sigma公司)。
    1.2 儀器與設備
    DHG-9055A型電熱鼓風干燥箱,上海一恒有限公司;WH-A150型多功能粉碎機,南京好又多電器有限公司;HH-2型數顯恒溫水浴鍋,常州澳華有限公司;高速數顯攪拌機,廈門博士達有限公司;CHY-C1型測厚儀,濟南蘭光機電有限公司;MED-01型包裝性能測試儀,濟南蘭光機電有限公司;BMT-60A型透濕杯,承德科承試驗機有限公司;CP114分析天平,美國奧豪斯公司;NOVA NANO SEM 450型掃描電子顯微鏡,美國FEI公司;GBB-A型熱封儀,廣州標際包裝設備有限公司。
    1.3 方法
    1.3.1 醬油渣預處理與可食膜制備
    對醬油渣進行預處理,脫除油脂和鹽后干燥,再用打粉機粉碎過200目篩備用。根據梅小虎等[8]的實驗方法,按照配方100 mL蒸餾水中淀粉質量分數6.5%、醬油渣質量分數1.5%、甘油質量分數27%、76 ℃干燥制膜,于干燥皿中平衡待測。
    1.3.2 熱封工藝試驗
    (1)可食膜熱封工藝單因素試驗。將可食膜裁剪成
    10.0 cm×10.0 cm,熱封初始條件為時間4 s、壓力0.4 MPa、溫度160 ℃,分別對溫度(120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃和200 ℃)、時間(3 s、4 s、5 s、6 s和7 s)、壓力(0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa和0.6 MPa)設計單因素試驗。單因素試驗以封合強度為指標,每個因素平行5次。
    (2)可食膜熱封工藝正交試驗。根據單因素試驗結果設計正交試驗,見表1,每組實驗平行5次。
    (3)驗證試驗。根據正交實驗所得熱封最佳工藝封合可食膜,驗證封合強度。實驗重復3次。
    1.3.3 性能檢測指標
    (1)溶解性。將醬油渣可食膜裁為10.0 cm×10.0 cm,置于100 ℃熱水中測試溶解度。
    (2)內容物流出時間。將醬油渣可食膜裁為10.0 cm×
    10.0 cm,封合為包裝袋,內裝10.00 mL粉狀食品,將油包放置于100 ℃熱水中,測試包裝物從包裝釋放時間。
    (3)阻油性。將醬油渣可食膜裁為10.0 cm×10.0 cm,封合為包裝袋,內裝10.00 mL食用植物油,稱量記錄質量。將油包下墊濾紙置于RH 50%的干燥器中,分別在1 d、3 d、5 d、7 d、9 d、12 d、15 d后稱量油包質量。
    (4)水蒸氣透過性。根據GB 1037—1988[9]方法,將干燥劑無水氯化鈣放置于30 mm×50 mm的稱量瓶中,膜試樣用密封蠟封口后稱重,將稱量瓶放于底部裝有去離子水的玻璃干燥器中平衡12 h取出稱量,再放回干燥器中,之后每間隔2 h稱量1次,共稱量5次。
    (5)阻氧性。采用GB/T 5009.227—2016食品中過氧化值的測定[10],通過測定包裝內食用植物油過氧化值來表征膜的阻氧性能。醬油渣可食膜內裝食用植物油后熱封,25 ℃ 50% RH環境下保存7 d后取出袋內油脂,用硫代硫酸鈉標準溶液滴定。
    以上每組實驗平行5次。
    1.3.4 性能測試
    (1)醬油渣可食包裝膜的力學性能測定。以國標GB/T 1040.3—2006[11]規定方法測試膜的抗拉強度和斷裂伸長率。將試樣裁成長150 mm、寬12 mm的條狀,于包裝性能測試儀上測量,夾具間初始距離90 mm,試驗速度100 mm/min。計算公式為:
                                
    (2)醬油渣可食包裝膜的掃描電鏡分析。將待測樣品于平臺固定,表面噴金,掃描電鏡放大300倍,觀察膜表面結構。樣品測試前在RH 53%干燥皿中平衡48 h。
    (3)醬油渣可食包裝膜的水蒸氣透過性能測定。水蒸氣透過性以水蒸氣透過系數表示,公式為:
     
    (m2·h·kPa);Δm為樣品質量穩定后增量;d為樣品厚度,單位為mm;A為封口面積,單位為m2;Δt為測試時間間隔,單位為h;ΔP為樣品兩邊水蒸氣壓力差,單位為kPa。
    (4)醬油渣可食包裝膜的溶解性能測定。將10 cm×10 cm的可食膜包裝袋于105 ℃干燥至恒重,稱量記錄,溶于200 mL去離子水中,水溫90 ℃溶解1 h后過濾干燥至恒重,稱量記錄計算樣品溶解度。公式為:
          
    (5)醬油渣可食包裝膜的封合強度測定。將封口處理后的醬油渣可食包裝袋裁剪,以封口處為中心,使試樣條展開長為100 mm、寬為15 mm。試樣條固定在包裝性能測試儀夾具上,間距60 mm,夾具移動速度300 mm/min,直至試樣條被拉斷,此時記錄的最大拉力(N/15 mm)即為醬油渣可食包裝膜的封合強度。
    1.3.5 數據處理
    采用Origin軟件作圖,SPSS軟件對數據進行正交實驗設計及結果統計分析。
    2 結果與分析
    2.1 醬油渣可食包裝膜力學性能
    根據制膜工藝得到醬油渣可食包裝膜,力學性能見表2。
    2.2 掃描電鏡分析
    醬油渣可食包裝膜掃描電鏡結果如圖1所示。圖1a是醬油渣可食包裝膜的樣品,醬油渣可食包裝膜呈棕黃色且表面有小顆粒觸感;圖1b是掃描電鏡300倍下的膜表面,可見分散不均勻物質,造成膜表面不平整,其余部分膜更加平整致密,表現出力學強度大于一般純淀粉膜[12]。由于纖維素與淀粉分子存在相同的結構單元,相互間可以通過氫鍵作用連接,同時纖維素也能改變淀粉分子內部的氫鍵作用強度,但由于粉碎過篩后的醬油渣纖維不能完全溶解,因此影響淀粉分子網狀結構,溶解部分醬油渣纖維加強了與淀粉分子間連接,導致包裝膜在水蒸氣阻隔和氧氣阻隔性能表現不佳。

    2.3 熱封工藝單因素試驗分析
    2.3.1 熱封溫度對封合強度的影響
    熱封溫度對包裝膜封合強度的影響如圖2所示,在封合時間4 s,封合壓強0.4 MPa下,隨溫度升高,封口處強度先增大后減小,在160 ℃條件達到最大值(1.98±0.12)N/15 mm,溫度超過180 ℃封口處被燒焦斷根,無法測定封合強度。醬油渣可食包裝膜以淀粉為成膜基材,由于淀粉不具有熱塑性,兩界面不能像傳統塑料通過熔融-融結過程封合[12],可食膜的封合是依靠在高溫條件下,水分轉移至封合界面中間的縫隙,封口處淀粉吸水產生黏性,外加壓力使可食膜的兩面黏合,待溫度降低,封口凝固產生一定的封合強度??梢?,適宜的溫度是封口處粘合的關鍵,溫度太低,水分不足以充分轉移到封合界面,溫度太高,水分來不及轉移就被蒸發,導致封合處燒焦斷裂。因此選擇160 ℃作為包裝膜熱封溫度。
    2.3.2 熱封時間對封合強度的影響
    熱封時間對包裝膜封合強度的影響如圖3所示,封合溫度160 ℃,壓強0.4 MPa條件下,隨封合時間的延長,封口處強度先增大后減小,封合5 s時強度最大,為(2.11±0.14)N/15 mm。膜中的水分及時轉移至封合界面是封合的關鍵,時間過短時,水分轉移不充分封合界面黏度不夠;隨時間延長,足夠的水分使膜兩面產生足夠黏度,施加外力后冷卻凝固,封口強度更高;但時間過長,封口處的水分不斷蒸發產生氣泡和皺褶,導致強度降低。因此熱封時間選擇5 s。
    2.3.3 熱封壓力對封合強度的影響
    在封合溫度160 ℃,封合5 s條件下,不同壓強下膜的封合強度如圖4所示。隨著封合時壓強增大,封口處強度不斷增大,在0.6 MPa時達到最大3.20 N/15 mm,0.7 MPa時壓強過大,封口處破裂。外加壓力是膜封合的另一關鍵因素,膜中水分在高溫下轉移至封合界面產生粘性,若不加外力,兩面膜暫時被粘在一起并不牢固,隨著壓力增大,兩面膜充分接觸,冷卻后封合強度逐漸增大,過高的壓強使封口受到機械作用過大而破裂。因此,選擇0.6 MPa作為封合壓強。
    2.4 熱封工藝正交試驗分析
    根據單因素實驗結果,選擇封合時的溫度、時間、壓強為因素A、B、C,以封合強度為指標,進行L9(33)正交試驗得到醬油渣可食膜的最佳熱封工藝條件,結果和分析見表3。
    分析表3中極差R值大小可知,影響可食膜封合強度的3個因素中主次順序為溫度>時間>壓強;比較值大小確定影響熱封強度的因素最優組合為A2B2C3,即溫度160 ℃、時間5 s、壓強0.6 MPa,經方差分析可知熱封溫度和時間對可食膜的封合強度有顯著性影響(<0.05)。綜合直觀分析和方差分析結果,選擇熱封溫度160 ℃、時間5 s、壓強
    0.6 MPa為最佳熱封條件。
    根據試驗得到最佳熱封工藝做驗證試驗,得到可食膜的封合強度分別為3.10 N/15 mm、2.78 N/15 mm、3.44 N/15 mm,
    平均值3.11 N/15 mm,包裝膜順利封合,且封合處平整牢固。
    2.5 溶解性與內容物溶出時間分析
    表4是醬油渣可食膜在沸水中溶解情況??梢园l現,膜在沸水中吸水溶脹,施加外力即可輕易戳破,而隨時間延長,可食膜在水中的自然溶解度不斷增加,2.5 min后達到32.38%,剩余物質可以食用也可用餐具撈出。將裝有內容物的包裝袋置于沸水中,1.5 min后內容物即可自然溶出。
    2.6 水蒸氣透過性分析
    可食膜材料的水蒸氣透過系數與包裝內油脂的過氧化值如圖5所示。由圖可知,醬油渣可食膜的水蒸氣透過系數為(1.087±0.078)g·mm/(m2·h·kPa),水蒸氣透過性是評價膜材料阻隔性能的重要指標,值越大表示膜的水蒸氣阻隔性能越差,醬油渣可食包裝膜中存在未充分溶解的醬油渣纖維,影響淀粉分子間相互作用,導致阻隔性能變差。對貨架期較短的方便食品,膜的阻隔性基本滿足要求。對長貨架期方便食品,這一問題可通過將所有調料包密封在高阻隔性復合材料包裝袋內來解決,食用時只需要撕開一個調料外包裝即可,減少了塑料材料的用量,同時也更加方便衛生。
    2.7 阻油性分析
    醬油渣可食膜內裝食用植物油封合后的質量損失如圖6所示。由圖可知,包裝膜封裝食用油15 d后質量損失(16.8±0.60)mg,損失率為0.19%,外表無油滲出,包裝完好。淀粉與醬油渣纖維的多羥基在成膜過程中通過氫鍵作用發生重排,由于羥基是極性基團,膜結構具有較好的阻油性。
    3 結論
    本文系統研究了淀粉基醬油渣可食膜的包裝性能。研究表明,在160 ℃、5 s、0.6 MPa條件下,封合強度最大可達3.11 N/15 mm,封口平整牢固。醬油渣可食膜在沸水中
    2.5 min,自然溶解率32.38%,內裝食品1.5 min可自然溶出,剩余包裝材料食用無異感,亦可用餐具撈出丟棄;內裝食用植物油封合15 d質量損失率為0.19%,外表無油脂滲出,封口完好,可用于油性醬料包裝??墒衬さ乃魵馔高^系數為(1.087±0.078)g·mm/(m2·h·kPa),水蒸氣阻隔性能較差,只適合作為短期方便食品使用,若需用于長貨架期食品調料包裝,則可通過將所有調料包放入高阻隔包裝袋來解決。
    該包裝膜具有方便、衛生、減少塑料膜用量等優點,具有廣闊的應用市場。但包裝膜氣體和水蒸氣阻隔性能、力學性能與封口強度都還有待提高,需要通過進一步的配方改進與工藝優化來解決與完善。
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    基金項目:中山火炬職業技術學院2020年度校級產學研專項課題立項項目(202006CXYZD10);2019年廣東省高職教育教學研究與實踐項目(GDJG2019480);廣東省高等教育學會實驗室管理專業委員會2019年度基金項目(GDJ2019166);廣東省普通高校重點科研平臺和科研項目(2018GKQNCX001)。
    作者簡介:謝彩玲(1977—),女,漢族,湖南邵陽人,本科,講師、工程師、高級技師。研究方向:食品科學。
    通信作者:梅小虎(1992—),男,漢族,安徽蚌埠人,碩士,助理講師。研究方向:食品包裝。
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