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        可生物降解PVA膜及其復(fù)合改性研究進(jìn)展

        2020-06-21 15:36:56魏風(fēng)軍劉瑞超
        今日印刷 2020年6期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合膜丁酸殼聚糖

        魏風(fēng)軍 劉瑞超

        當(dāng)前,國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得全民的各類需求猛漲,相當(dāng)大的一部分人喜歡網(wǎng)上購物,各式各樣的購物APP為消費者提供了多種選擇,無論是海內(nèi)外的產(chǎn)品還是各式的產(chǎn)品如生鮮、水果一類都可以滿足我們的消費需求。而對于生鮮與果蔬類的產(chǎn)品而言無論是短期儲存還是長期運輸儲存,如何保證產(chǎn)品的新鮮度是廠商們均需要考慮的問題。PVA是一種阻隔性能十分優(yōu)異的材料,用聚乙烯醇膜作為保鮮包裝的材料,能大大延長食品的儲存時間。本文就PVA膜在保鮮包裝材料中的應(yīng)用做以探討。

        包裝市場上保鮮包裝材料的現(xiàn)狀

        保鮮,顧名思義就是保持新鮮,就今天而言一般指的是蔬菜、肉食的保鮮。作為日常必需品的它們,往往具有需求量大、儲存期較短的特性。因此需要對它們做出特殊的處理和保護(hù),來延長它們的新鮮度,使它們不至于在運輸、儲存、銷售等一系列途徑中受到損傷,降低價值,而實現(xiàn)這一目的包裝就是保鮮包裝。但是在現(xiàn)實生活中,外界條件十分復(fù)雜并且不同的產(chǎn)品也有不同的性能,因此不同產(chǎn)品采用的保鮮手段也各不相同。就目前市場中依據(jù)不同的保鮮手段可以把保鮮分為以下幾類:①利用低溫儲藏或使用保鮮膜的普通保鮮;②采用真空技術(shù)的真空保鮮;③使用納米級材料的納米保鮮。在現(xiàn)有的保鮮材料市場中,保鮮材料大致可以分為3類:硬材、軟材和散材。硬材是指具有一定剛度的板材,在現(xiàn)在的保鮮材料市場中,通用的硬材是塑料、瓦楞紙板以及金屬板等片材,它們普遍具有高強(qiáng)度,能承受各種壓力。軟材一般指的是具有一定柔度的片材,一般是指各種薄膜或者紙張等。現(xiàn)在保鮮材料市場中應(yīng)用廣泛的薄膜類一般是以PE為基材制成的各類薄膜,如PVC膜、PVDC膜和PE膜。散材主要是指粉劑或顆粒劑,它們一般是由具有氧化效應(yīng)、吸水性以及抑菌能力的化學(xué)物質(zhì)組成,在使用時這些顆粒劑需要嚴(yán)格把控,謹(jǐn)防危害食品。

        PVA的降解原理

        利用可生物降解PVA膜來對食品進(jìn)行保鮮就是軟材保鮮中的一種。PVA是聚乙烯醇的簡稱,由PVA為基體制成的薄膜具有很多非常優(yōu)良的性能,尤其是它的可生物降解性以及良好的保鮮性能,因此PVA薄膜在保鮮材料市場中具有廣泛的前景。

        現(xiàn)如今,已經(jīng)有許多的科學(xué)家對PVA做了大量的研究,對PVA的降解機(jī)理做出了解釋。PVA是在18世紀(jì)20年代的一位德國科學(xué)家最先發(fā)現(xiàn)的,這位科學(xué)家經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在PVA的分子結(jié)構(gòu)中含有許多羥基,并且經(jīng)過多年的發(fā)展研究證明了PVA是人類至今發(fā)現(xiàn)的唯一的具有水溶性的高分子聚合物,并且它還具有很多其他的優(yōu)良性能,如:高阻隔性能有效地阻隔氣體、水分以及油性物質(zhì),同時還有良好的化學(xué)和物理性能。

        PVA的降解是通過一些降解酶來實現(xiàn)的。現(xiàn)代的科學(xué)研究表明PVA的降解酶主要有3種,降解過程主要分兩步進(jìn)行。3種PVA降解酶分別是聚乙烯醇氧化酶、聚乙烯醇脫氫酶、氧化型聚乙烯醇水解酶,這3種酶在不同的條件下對PVA進(jìn)行水解反應(yīng)。如今公認(rèn)的PVA水解反應(yīng)主要有兩步,其中第二步存在一些不同的看法。PVA的第一步水解是PVA氧化酶起作用,在一定的條件下,這種酶會將PVA脫氫氧化為酮基化合物。在水解的第二步反應(yīng)中,一些科學(xué)家認(rèn)為PVA先被PVA氧化鎂或PVA脫氫酶催化氧化為氧化型PVA后,再被氧化型聚乙烯醇水解酶催化裂解;而另一些科學(xué)家則認(rèn)為氧化型PVA的水解反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的。

        PVA復(fù)合改性的研究進(jìn)展一覽

        PVA憑借自身的優(yōu)良性能,現(xiàn)已成為保鮮材料中的潛力股。由于PVA具有良好的成模性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、以及高強(qiáng)度的機(jī)械性能,從而使PVA制成的膜非常受歡迎,在保鮮材料中大放異彩?,F(xiàn)在市場中的保鮮膜大致都是由聚乙烯為基體制成的,就目前而言,由聚乙烯制成的膜的性能也是十分不錯的,但是開發(fā)新的材料也非常必要。

        通過研究發(fā)現(xiàn)在PVA的分子結(jié)構(gòu)中含有許多羥基,羥基是一種能被氧化的親水基團(tuán),這使得PVA具有較高的吸水性以及降解能力。但是過高的吸水能力會影響PVA薄膜的阻隔能力?,F(xiàn)在已經(jīng)有研究數(shù)據(jù)表明PVA薄膜的阻隔能力受環(huán)境濕度的影響,環(huán)境的相對濕度越大,PVA薄膜的阻隔能力越差。同時,PVA的熱穩(wěn)定性不是很高以及生物降解能力也有待加強(qiáng),這些缺點都影響PVA在保鮮材料市場中的應(yīng)用。所以我們需要對PVA進(jìn)行復(fù)合改性以改正它的這些缺點。目前的研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種方法來改變PVA的性能,這些方法基本是使用化學(xué)手段,利用PVA與其他分子基團(tuán)反應(yīng)以獲得新的擁有優(yōu)良性能的產(chǎn)物。通過這些方法,我們可以獲得性能更加優(yōu)良的PVA薄膜。

        現(xiàn)如今,科學(xué)家們已經(jīng)通過一些手段,獲得了巨大的成果,已經(jīng)研究出一些經(jīng)過復(fù)合改性后的性能更加優(yōu)良的PVA膜。本文將介紹一些改性后的PVA膜。

        1.利用淀粉與PVA進(jìn)行復(fù)合改性

        淀粉在日常生活中隨處可見,是一種清潔、便宜的材料。淀粉分子是一種具有極性的結(jié)晶分子,利用淀粉對PVA進(jìn)行復(fù)合改性能獲得可生物完全降解的淀粉/PVA復(fù)合膜??茖W(xué)家們通過對淀粉分子與PVA分子復(fù)合物中添加一些改性基團(tuán),來改變復(fù)合物的性質(zhì)以獲得具有更加優(yōu)良性能的分子基團(tuán)。截止到現(xiàn)在,世界上性能最好的淀粉/PVA復(fù)合膜是意大利的一家公司研發(fā)的。他們研發(fā)的Mater-Bi淀粉/PVA復(fù)合膜具有非常棒的性能,如良好的成型加工性和完全生物降解性能。我們國內(nèi)中科院的院士們所研究出的淀粉/PVA復(fù)合膜采用三元體系構(gòu)成,也具有良好的性能。

        2.利用殼聚糖與PVA復(fù)合改性

        殼聚糖是一種具有多種優(yōu)良性能的多糖,具有止血、抗菌等優(yōu)良醫(yī)學(xué)能力,以它為基材制成的醫(yī)療用品在人們的日常生活中應(yīng)用廣泛。與此同時,殼聚糖還具有良好的化學(xué)性能,在實驗室中被科學(xué)家們廣泛研究使用,利用殼聚糖對PVA進(jìn)行復(fù)合改性能獲得可生物完全降解的殼聚糖/PVA復(fù)合膜。至今為止,國內(nèi)外的科學(xué)家們對殼聚糖/PVA共混做了多項實驗。像我國的一些科學(xué)家如劉兵兵、章汝平等人通過在實驗室中對殼聚糖與PVA進(jìn)行共混,得到的新的共混膜比單一的PVA膜的性能更加優(yōu)良。他們研發(fā)的共混膜的滲透性以及可生物降解性與單一PVA薄膜相比提高了大約1.5倍。

        3.利用聚乳酸與PVA共混改性

        經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)聚乳酸是一種具有多種優(yōu)良性能的清潔無毒的原料,所以利用聚乳酸來對PVA進(jìn)行共混改性將會提高PVA膜的性能,獲得性能更加優(yōu)良的PVA膜。利用聚乳酸良好的生物降解性可以提高PVA的生物降解性能,使PVA膜在自然環(huán)境中被生物更快、更徹底地降解。外國科學(xué)家Gajria的研究數(shù)據(jù)表明聚乳酸與PVA的相容性良好,在他的研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)PVA含量低于50%時,聚乳酸與PVA共混體系的生物降解性能非常好,同時它們的生物阻隔性能也有明顯的提升。

        4.利用聚β-羥基丁酸(PHB)與PVA共混改性

        多項試驗數(shù)據(jù)表明聚β-羥基丁酸是一種可生物降解的分子基團(tuán)。作為一種高分子聚合物,聚β-羥基丁酸(PHB)具有多種優(yōu)良的物理化學(xué)性能,在實驗中被廣泛地應(yīng)用。聚β-羥基丁酸在一定的條件下可以被微生物分解為無污染的物質(zhì)如CO2和水,因此聚β-羥基丁酸與PVA的共混物被微生物分解后的產(chǎn)物也是清潔物質(zhì),不會對環(huán)境產(chǎn)生危害。目前,國內(nèi)的科學(xué)家們對聚β-羥基丁酸與PVA的共混改性的研究比較少,相對的國外的科學(xué)家們現(xiàn)已取得一些研究成果。他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)聚β-羥基丁酸與PVA共混改性后的薄膜的性能較單一的PVA膜好,混合改性的薄膜的熱穩(wěn)定性有了明顯的提高,并且可生物降解性也有了一些提高。

        5.利用納米材料SiO2與PVA共混改性

        納米SiO2是一種性能非常優(yōu)良的無毒、無污染的納米材料,在與大分子復(fù)合改性的實驗中應(yīng)用廣泛,現(xiàn)已被科學(xué)家們用于PE、PS、PVC、殼聚糖等高分子的復(fù)合改性,并且取得了很好的結(jié)果。如今已經(jīng)有許多科學(xué)家利用納米SiO2對PVA進(jìn)行改性,以便改變PVA的性能,擴(kuò)大其在保鮮材料領(lǐng)域的應(yīng)用。我國的梁蘭花等研究利用酯化劑對二者的共混物進(jìn)行復(fù)合改性,并且實驗數(shù)據(jù)表明二者的共混改性產(chǎn)物:SiO2/PVA膜的阻隔能力得到顯著提高。孟祥生等的復(fù)合改性實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)SiO2/PVA膜的機(jī)械性能顯著提高,透視率明顯下降,并且成膜性能顯著提高。實驗結(jié)果表明納米SiO2與PVA共混時納米SiO2改變了水分子在混合膜中的滲透路徑,因此增強(qiáng)了復(fù)合膜的阻隔性,擴(kuò)大了復(fù)合膜的濕度適應(yīng)范圍,使復(fù)合膜的保鮮能力得到顯著加強(qiáng)。

        6.利用檸檬酸與PVA共混改性

        檸檬酸是一種常見的存在于多種水果中的一種含有多羥基的化合物,具有良好的化學(xué)性能,被科學(xué)家們廣泛地應(yīng)用在復(fù)合改性實驗中??茖W(xué)家們通過大量的實驗研究得到檸檬酸的分子結(jié)構(gòu),證實檸檬酸具有可生物降解性,并且能夠與PVA進(jìn)行復(fù)合改性。外國科學(xué)家Marcela Chiumarelli經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)由于檸檬酸呈現(xiàn)酸性,因此可以殺死細(xì)菌,保護(hù)產(chǎn)品。同時發(fā)現(xiàn)檸檬酸與PVA的酯化產(chǎn)物隨著檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其吸水能力和溶解能力呈下降趨勢,并且還具有一定的抑菌能力。因此檸檬酸/PVA抗菌薄膜在保鮮材料中將被廣泛使用。

        結(jié)語

        雖然PVA具有很多優(yōu)良性能,并且已經(jīng)通過與多種高分子反應(yīng)來改良缺陷,獲得性能更加優(yōu)良的薄膜,但是就目前而言我們對PVA膜的研究還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。受限于當(dāng)前的加工方法、技術(shù)條件以及生產(chǎn)成本等方面,我們現(xiàn)在研究出的各種的PVA復(fù)合膜在保鮮材料市場中的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的PE、PP膜。但是為了資源的可持續(xù)利用以及保護(hù)我們的環(huán)境,對于可完全降解的、無危害的PVA膜的研究是十分有必要的。

        作者單位:河南科技大學(xué)包裝工程系

        責(zé)任編輯:王蕾 wl@cprint.cn

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