哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院哈爾濱 黑龍江 150028

0 引言

可食性生物聚合材料以原料來(lái)源廣泛、可食用且對(duì)環(huán)境無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品和藥品包裝中[1-3]。近幾年，以蔬菜為基材的蔬菜紙包裝材料悄然興起，逐漸成為研究熱點(diǎn)[4]。黃紫娟等[5]以芹菜、卷心菜及冬瓜為原料制備蔬菜包裝紙，并探討其制作工藝條件。孫婕等[6]以韭菜為原料制備蔬菜包裝紙，并對(duì)加工工藝進(jìn)行了研究。隋明等[7]以魔芋、蓮花白為原料制備可食用蔬菜包裝紙，并探討了蔬菜包裝紙的制作工藝。T. H. Mchugh等[8]以椰菜和胡蘿卜為原料制備蔬菜紙，以蘋果、草毒和桃子為原料制備水果紙，并分析了各種紙的透水性。Pan Z.L.等[9]的研究結(jié)果表明，遠(yuǎn)紅外熱燙是最適合加工蔬菜紙的漂燙方法。

因此，本課題組擬以富含膳食纖維的芹菜為基材，以羧甲基纖維素鈉（carboxymethyl cellulose sodium，CMC）為黏合劑，以甘油為增塑劑，制備可食用蔬菜包裝紙，并分析添加劑的添加量對(duì)包裝紙的斷裂伸長(zhǎng)率和抗張強(qiáng)度的影響，進(jìn)而優(yōu)化芹菜包裝紙的制備工藝，以期為蔬菜包裝紙的生產(chǎn)提供參考[10]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

1）原料。芹菜購(gòu)買于哈爾濱市松北區(qū)大潤(rùn)發(fā)超市；明膠，沈陽(yáng)市試劑三廠；海藻酸鈉，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；羧甲基纖維素鈉，天津市福晨化學(xué)試劑廠；甘油，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

2）儀器。電子天平，I 2000型，東莞市南城長(zhǎng)協(xié)電子制品廠；九陽(yáng)多功能榨汁機(jī)，C93T型，九陽(yáng)天津電器廠；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，KY-5KN型，上海凱晏檢測(cè)儀器有限公司；增力電動(dòng)攪拌器，JJ-1型，江蘇省金壇市恒豐儀器制造有限公司；電子數(shù)顯外徑千分尺0～25 mm，211-101型，日本株式會(huì)社三豐；USB數(shù)碼顯微鏡，500X型，深圳市金恒宇科技有限公司；恒溫恒濕控制儀，GSD-150型，蘇州易維儀器設(shè)備有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，101-0型，上海喆鈦機(jī)械制造有限公司；電熱恒溫水浴鍋，HH-11-2型，上海助藍(lán)儀器科技有限公司；電子紙張耐折度測(cè)定儀，ZZD-50型，長(zhǎng)春市月明小型試驗(yàn)機(jī)有限公司。

1.2 芹菜包裝紙的成型原理與制備

蔬菜纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有很多親水基團(tuán)，如羥基等，因而蔬菜的吸水能力較強(qiáng)，吸水后其容易膨脹[11]。芹菜纖維在打漿過(guò)程中被分絲帚化，使纖維呈細(xì)絲狀，因而纖維具有較好的可塑性[12]。絲狀纖維素通過(guò)氫鍵等相互交織，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加入的黏結(jié)劑、增塑劑等進(jìn)一步加快了各蔬菜成分間的膠黏，使蔬菜紙具有紙的各種性能[13]。

先制備芹菜漿料，準(zhǔn)備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%, 0.6%,0.9%, 1.2%, 1.5%的黏結(jié)劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%, 4%, 6%,8%, 10%的增塑劑，將黏結(jié)劑或增塑劑加入漿料中攪拌均勻，流延成型于300目的篩網(wǎng)上，并在65 ℃的烘干箱中恒溫干燥 5～6 h，干燥后用濕布浸潤(rùn)篩網(wǎng)，揭片，得到厚度約為0.174 mm的芹菜包裝紙。將芹菜包裝紙裁剪為20 mm×100 mm的條狀，并置于溫度為25 ℃、相對(duì)濕度為50%的恒溫恒濕箱中預(yù)處理24 h，隨后對(duì)芹菜包裝紙的性能進(jìn)行分析。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 斷裂伸長(zhǎng)率

斷裂伸長(zhǎng)率是指材料從產(chǎn)生張力到斷裂時(shí)長(zhǎng)度變化與試樣原長(zhǎng)度的比值[14]。芹菜包裝紙的斷裂伸長(zhǎng)率采用抗張強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)定。斷裂伸長(zhǎng)率越高，則韌性越好。斷裂伸長(zhǎng)率E公式為

式中：L1為試樣斷裂時(shí)的長(zhǎng)度，mm；L0為試樣測(cè)試前的長(zhǎng)度，mm。

1.3.2 抗張強(qiáng)度

抗張強(qiáng)度是指蔬菜紙單位橫截面所受的抗張力，也表示抵抗外力拉伸的能力[13]，其單位是MPa。

根據(jù)GB 13022—1991《塑料 薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法》，采用電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)定芹菜包裝紙的抗張強(qiáng)度?？箯垙?qiáng)度Ts計(jì)算公式為

式中：F為試樣斷裂時(shí)受到的最大張力，N；A為試樣的面積，m2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 黏結(jié)劑對(duì)包裝紙機(jī)械性能的影響

不同黏結(jié)劑（CMC、明膠、海藻酸鈉）對(duì)芹菜包裝紙機(jī)械性能的影響如圖1所示。

由圖1可知：隨著黏合劑添加量的增加，斷裂伸長(zhǎng)率呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于黏結(jié)劑的加入提高了包裝紙的強(qiáng)度，使斷裂伸長(zhǎng)率隨之增加，但當(dāng)黏結(jié)劑的的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.9%時(shí)，紙漿的黏度增大，使芹菜包裝紙的成型性變差、韌性減弱，斷裂伸長(zhǎng)率也隨之降低[15]?？箯垙?qiáng)度隨著黏合劑的添加量也是呈先增大后減小的趨勢(shì)，其原因是黏合劑使芹菜纖維間的作用力增大，提高了纖維的穩(wěn)定性。不同的黏合劑和纖維之間產(chǎn)生氫鍵的能力是不同的，這導(dǎo)致增加的抗張強(qiáng)度存在差異。3種黏合劑對(duì)芹菜包裝紙抗張強(qiáng)度的影響由大到小為CMC、明膠、海藻酸鈉。

2.1.2 增塑劑對(duì)包裝紙機(jī)械性能的影響

不同添加量的甘油對(duì)包裝紙機(jī)械強(qiáng)性能的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著甘油添加量的增加，包裝紙的斷裂伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)甘油的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，包裝紙的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，3.01 MPa和15.05%，可見(jiàn)甘油的加入對(duì)芹菜包裝紙的機(jī)械性能影響不顯著，這是因?yàn)楦视椭饕歉纳萍垙埖难诱剐院晚g性；當(dāng)甘油的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6%時(shí)，甘油會(huì)在紙漿中飽和、沉淀，并在包裝紙的表面形成晶體，從而降低包裝紙的機(jī)械性能。

根據(jù)上述單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)CMC的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%時(shí)，芹菜包裝紙的抗張強(qiáng)度最大，為7.02 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為28.55%；當(dāng)甘油的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，包裝紙的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，為3.01 MPa和15.05%。可見(jiàn)，僅僅加入黏合劑或增塑劑，包裝紙的機(jī)械性能還存在不足，無(wú)法滿足包裝工業(yè)生產(chǎn)的要求。因此，本文考慮在芹菜包裝紙中加入復(fù)合添加劑，通過(guò)黏合劑和增塑劑的相互作用，以提高紙張的機(jī)械性能。

2.2 復(fù)合添加劑的添加量?jī)?yōu)化

2.2.1 復(fù)合添加劑與包裝紙抗張強(qiáng)度的回歸方程

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，黏合劑對(duì)芹菜包裝紙抗張強(qiáng)度的影響由大到小依次為CMC、明膠、海藻酸鈉。因此，本課題組選擇CMC和明膠作為黏合劑、甘油作為增塑劑，以芹菜包裝紙的抗張強(qiáng)度為目標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。各實(shí)驗(yàn)因素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置如下：CMC 0.3%～0.9%、明膠0.3%～0.9%、甘油2%～6%（如表1所示）。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 1 Experimental design and results

根據(jù)表1，建立添加劑與包裝紙抗張強(qiáng)度的回歸方程，即

式中：Y為包裝紙的抗張強(qiáng)度；X1為CMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X2為明膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X3為甘油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

對(duì)本回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示。

表2 方差分析表Table 2 Variance analysis

方差分析結(jié)果表明，所建立的抗張強(qiáng)度回歸方程為極顯著（P=0.0008<0.01），因素X1、X3為極顯著（P<0.01），X2為不顯著（P>0.05），相關(guān)系數(shù)R=0.95，趨近于1，這說(shuō)明本回歸方程的擬合度良好，可以較好地說(shuō)明復(fù)合添加劑與紙張抗張強(qiáng)度之間的關(guān)系。

2.2.2 復(fù)合添加劑的添加量與包裝紙抗張強(qiáng)度的響應(yīng)面和等高線

根據(jù)所建立的回歸方程，本課題組得到不同復(fù)合添加劑對(duì)包裝紙抗張強(qiáng)度的響應(yīng)面和等高線，如圖3～5所示。

由圖3～5可知：響應(yīng)面的斜率均較大，這表明復(fù)合添加劑對(duì)紙張的抗張強(qiáng)度影響顯著；等高線呈橢圓形，這表明兩因素的交互作用比較明顯。由Design-Expert軟件得出，當(dāng)復(fù)合添加劑各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為CMC 0.68%、明膠0.62%、甘油3.3%時(shí)，包裝紙的抗張強(qiáng)度達(dá)到最大，為26.13 MPa。與單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，復(fù)合添加劑的加入使芹菜包裝紙的機(jī)械強(qiáng)度得到大幅提高。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題組分析了以CMC、明膠和海藻酸鈉作為黏結(jié)劑、甘油作為增塑劑的芹菜包裝紙的機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)黏合劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%時(shí)，包裝紙的抗張強(qiáng)度最大為7.02 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為28.55%；當(dāng)增塑劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，包裝紙的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，分別為3.01 MPa和15.05% ；當(dāng)CMC、明膠和甘油的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.68%, 0.62%, 3.3%時(shí)，芹菜包裝紙的抗張強(qiáng)度達(dá)到最大值，為26.13 MPa，與用單一添加劑制備的紙張相比，機(jī)械強(qiáng)度有顯著提高。