張 璐 ， 孫建明 ， 朱亞琦 ， 楊 雪 ， 蔣云飛 ， 曹夢(mèng)炫

(河南科技大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院 ， 河南 洛陽(yáng) 471023)

隨著生活水平的提高，人們開始注重食品多樣性和食品安全，導(dǎo)致生活中產(chǎn)生了大量用于食品包裝的塑料廢棄物。這種廢棄物不僅污染環(huán)境，其分解的微塑料還具有生物毒性和蓄積性，可以通過(guò)食物鏈遷移到更高級(jí)別的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，甚至轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)，嚴(yán)重危害人體健康[1]。在這種背景下，人們努力研究可以替代塑料的可降解包裝膜。目前，熱度最高的可降解材料為生物可降解材料，它可以自然降解為二氧化碳和水，對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生任何壓力；而生物可降解材料分為化學(xué)和天然可降解兩大類，市面上常見(jiàn)的聚乳酸、聚乙烯醇等可降解材料屬于化學(xué)可降解材料，不僅制備工藝復(fù)雜，而且成本較高，故更傾向于采用天然可降解材料進(jìn)行薄膜的制備[2]。

本文旨在以天然可再生的高直鏈玉米淀粉為基材，加入殼聚糖和甘油，制備一種可生物降解的食品包裝薄膜并研究其性能，不僅有利于提高食品安全性、減少環(huán)境污染，還可以提高農(nóng)林副產(chǎn)品的附加值，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的雙贏。

1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

高直鏈玉米淀粉，食品級(jí)，山東鑫洪燕新材料有限公司；殼聚糖，脫乙酰度≥90，江蘇古貝生物科技有限公司；甘油，分析純，山東新文化工有限公司；乙酸，分析純，冠蘇實(shí)力工廠。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

培養(yǎng)皿，90 mm，泰州市唐人康醫(yī)療器械有限公司培養(yǎng)皿；DKS11水浴鍋，單孔300 mm×192 mm×195 mm，嘉興市中新醫(yī)療儀器實(shí)力工廠；歐萊博FA2204B分析天平，濟(jì)南程騰生物技術(shù)有限公司；CHY-CA測(cè)厚儀，濟(jì)南賽成電子科技有限公司；PT-301拉伸試驗(yàn)機(jī)，昆山北斗精密儀器有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

甘油的增塑效果最佳，以高直鏈玉米淀粉、殼聚糖為基材，甘油為增塑劑制備可降解包裝薄膜[3-4]。在薄膜中，淀粉與殼聚糖以分子間氫鍵的形式結(jié)合，甘油在分子間充當(dāng)潤(rùn)滑劑[5-6]。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

淀粉/殼聚糖膜液的制備流程見(jiàn)圖1。

采用溶液流延法制備淀粉/殼聚糖薄膜。先靜置膜液，待氣泡消除后，將一定量的膜液倒入已均勻涂抹脫膜劑的培養(yǎng)皿中流延；再將培養(yǎng)皿放在干燥箱中干燥，干燥后將薄膜從培養(yǎng)皿上剝離，在室溫下放置24 h后，進(jìn)行性能測(cè)定[7]。

圖1 淀粉/殼聚糖膜液的制備方法

3 測(cè)定項(xiàng)目

對(duì)制備薄膜的厚度、斷裂伸長(zhǎng)率、疏水性等物理性能進(jìn)行測(cè)試，并選擇10位研究員對(duì)薄膜進(jìn)行感觀評(píng)價(jià)。

3.1 淀粉/殼聚糖薄膜物理性能測(cè)定

3.1.1厚度測(cè)定

將薄膜裁剪成10 cm×10 cm的正方形后，用測(cè)厚儀對(duì)其四個(gè)頂點(diǎn)及中間的厚度進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算平均值作為薄膜厚度。

3.1.2斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)定[8]

將薄膜裁剪成10 cm×3 cm的長(zhǎng)條后，夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)節(jié)速度和拉力，讀取試驗(yàn)機(jī)兩側(cè)刻度示數(shù)，開始試驗(yàn)至薄膜斷裂，再次讀取試驗(yàn)機(jī)兩側(cè)刻度，計(jì)算公式如(1)所示。

(1)

式中：E為斷裂伸長(zhǎng)率，%；L0為測(cè)量夾距，mm；L為試樣斷裂后長(zhǎng)度，mm。

3.1.3滲水時(shí)間測(cè)定[9]

將薄膜裁剪成直徑為30 mm的圓形，置于錐形瓶的瓶口，取1 mL的蒸餾水置于薄膜表面，記錄下第一滴水滲透薄膜滴入錐形瓶的時(shí)間WPT(min)。

3.2 單變量試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以玉米淀粉(5 g)為主要原料，殼聚糖含量、干燥溫度、干燥時(shí)間為試驗(yàn)變量，設(shè)置12個(gè)試驗(yàn)，對(duì)薄膜的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)定。

4 結(jié)果與分析

4.1 感官評(píng)價(jià)

由10位研究員對(duì)薄膜的色澤、味道、柔韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 淀粉/殼聚糖可生物降解薄膜感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4.2 單變量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于淀粉/殼聚糖薄膜具有親水性，在滲水時(shí)間測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，薄膜中淀粉分子與殼聚糖分子間的氫鍵會(huì)受到水分子的吸引而被奪去一部分氫鍵，導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)疏松發(fā)生分解，無(wú)法測(cè)定具體滲水時(shí)間。在60 ℃，干燥13 h的條件下，殼聚糖含量對(duì)薄膜性能的影響見(jiàn)表2。

表2 殼聚糖含量對(duì)薄膜性能的影響

由表2可以看出，隨著殼聚糖含量的增加，薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減小。殼聚糖與淀粉分子間作用力可以提高薄膜斷裂伸長(zhǎng)率，但殼聚糖含量超過(guò)0.4 g/(g淀粉)時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率開始減小，因?yàn)闅ぞ厶呛吭黾訒?huì)提高薄膜中淀粉的結(jié)晶度[10]。此外，殼聚糖具有親水性，殼聚糖含量越高，薄膜疏水性越差。因此，0.4 g/(g淀粉)的殼聚糖含量最佳。

4.3 殼聚糖含量對(duì)薄膜透明性能的影響

4.3.1干燥溫度對(duì)薄膜性能的影響

在殼聚糖含量為0.4 g/(g淀粉)、干燥13 h的條件下，干燥溫度對(duì)薄膜性能的影響見(jiàn)表3。

表3 干燥溫度對(duì)薄膜性能的影響

由表3可知，隨著干燥溫度的升高，薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減少。當(dāng)干燥溫度低時(shí)，薄膜難以完全干燥，出現(xiàn)四周干燥、中間未干的現(xiàn)象；當(dāng)干燥溫度為80 ℃時(shí)，薄膜邊緣會(huì)產(chǎn)生焦化卷曲現(xiàn)象。因此，60 ℃的干燥溫度最佳。

4.3.2干燥時(shí)間對(duì)薄膜性能的影響

在殼聚糖含量為0.4 g/(g淀粉)、60 ℃干燥的條件下，干燥時(shí)間對(duì)薄膜性能的影響見(jiàn)表4。

表4 干燥時(shí)間對(duì)薄膜性能的影響

由表4可知，隨著干燥時(shí)間的增加，薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減小。因?yàn)樵谝欢囟认?，較長(zhǎng)時(shí)間的干燥有利于增強(qiáng)淀粉的分子間作用力，使淀粉結(jié)構(gòu)緊密有序，薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率增大;干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使淀粉分子間作用力過(guò)強(qiáng)，分子鏈段不容易滑動(dòng)，薄膜斷裂伸長(zhǎng)率減小[9]。因此，13 h的干燥溫度最佳。

5 結(jié)論

本文通過(guò)流延成膜法成功制備了淀粉/殼聚糖可生物降解包裝薄膜，在殼聚糖含量為0.4 g/(g淀粉)、60 ℃干燥13 h的條件下，薄膜性能最佳，無(wú)色透明、韌性好、均勻光滑、邊緣不卷曲、無(wú)異味，具有作為薯片、雪米餅、蝦條等膨化食品內(nèi)外包裝材料的潛在應(yīng)用價(jià)值，對(duì)后續(xù)淀粉基可生物降解薄膜的研究及應(yīng)用具有一定的參考意義。