張孟琦，梁蓮花，崔歆悅，任梓嫣，蔣 革

大連大學(xué)生命健康學(xué)院，遼寧 大連 116622

全球每年的塑料使用量接近4 億t，占據(jù)了大部分吸管市場。塑料因具有成本低、透明度高、耐久性強等優(yōu)良性能而深受市場的青睞，然而強耐久性的塑料也會給環(huán)境帶來巨大污染。塑料吸管是一次性用品，降解所需時間長，回收利用難度系數(shù)很大，會給生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害。隨著經(jīng)濟社會不斷發(fā)展和環(huán)保意識的迅速提高，人民對生活質(zhì)量的要求日益提高，環(huán)保意識逐漸增強，迫切需要發(fā)現(xiàn)更多可降解的原材料。為解決自然與人類的需求，目前主要采用木漿作為主要原料制作紙吸管，其具有可降解、熱塑性強等優(yōu)點，故而被廣泛應(yīng)用于生物能源和儲能等領(lǐng)域。但紙吸管的耐用性較差且成本更高[1]，硬度相較于塑料吸管偏低，容易損壞，很多時候無法戳開飲料包裝，且為三層覆蓋式構(gòu)造，在使用過程中可能會出現(xiàn)軟化進而影響使用體驗[2]。因此，急需一種可降解、成本低、耐用性能強的環(huán)保吸管。魔芋主要含有魔芋葡甘聚糖（Konjac Glucomannan，KGM），黏度較高且具有優(yōu)良的成膜性，是一種很好的制膜材料，其天然可降解性對環(huán)境非常友好，可以被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。海藻酸鈉（Sodium Alginate ，SA）是一種從天然產(chǎn)物海帶中分離出的含有大量羥基的多糖，在自然界中可以完全降解，并且不會對環(huán)境造成污染，具有很好的成膜性和增稠性[3]，同時與魔芋有很好的相容性。因此可以將魔芋與SA 復(fù)配，以制備一種性能良好的可降解吸管。

1 材料與儀器

KGM（上海源葉生物有限公司）、SA（上海源葉生物有限公司）、甘油（國藥試劑化學(xué)有限公司）、無水CaCl2（天津科密歐化學(xué)試劑有限公司）、NaOH（江蘇強盛功能化學(xué)股份有限公司）、H2SO4（天津市華東試劑廠）、DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（上海力辰邦西儀器科技有限公司）、真空干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）、電腦拉力試驗機（東莞市東日儀器有限公司）。

2 實驗步驟

2.1 可降解魔芋葡甘聚糖吸管的制備

稱取一定質(zhì)量的KGM 溶于70 ℃的去離子水中，攪拌狀態(tài)下緩慢加入SA，確保兩種物質(zhì)在水中分散均勻不易結(jié)塊，在40 r/min 的轉(zhuǎn)速下連續(xù)攪拌并加入甘油，至完全溶解后停止，利用真空干燥箱多次去除氣泡。趁熱倒入聚四氟乙烯板，待表面平整后，烘干10 h 成膜。將膜卷曲成管后用1%的CaCl2溶液固化并烘干，得到魔芋葡甘聚糖吸管。

2.2 可降解魔芋葡甘聚糖吸管的性能研究

2.2.1 性能檢測

耐熱性能的測定：將制備好的KGM∶SA（分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）的魔芋葡甘聚糖吸管裁剪成同樣大小和形狀，放入70 ℃的恒溫水中1 h，每隔10 min 記錄吸管的軟硬程度[4]。

耐水性能的測定：為評估魔芋葡甘聚糖吸管的耐水性能，將制備成型的5 組比例吸管浸入水中1 h，記錄吸管的離散程度。

力學(xué)拉伸性能的測定：采用電腦拉力試驗機，拉伸速度設(shè)定為10 mm/min，測定魔芋葡甘聚糖5 組比例吸管數(shù)據(jù)。

耐酸堿性能的測定：用滴管將硫酸緩慢滴入去離子水中，邊滴加邊攪拌，配置成pH 為2 的酸性溶液；稱取一定質(zhì)量的氫氧化鈉，溶解在去離子水中，配置成pH 為11 的堿性溶液；用去離子水配置pH為7 的中性溶液并將制備成型的質(zhì)量為0.15 g 的5組比例魔芋葡甘聚糖吸管放入其中，浸泡2 h，然后用鑷子取出吸管，烘干至質(zhì)量不再發(fā)生變化后稱重。

2.2.2 生物降解性能

將魔芋葡甘聚糖吸管和普通塑料吸管每隔5 d分別放入土壤中，共8 次，將吸管從土壤中取出，沖洗干凈并擦干后稱重，與掩埋前的重量進行對比。

3 結(jié)果分析

3.1 性能檢測

3.1.1 耐熱性能

檢測結(jié)果如表1 所示。從數(shù)據(jù)表格分析來看，魔芋葡甘聚糖吸管制混合比例KGM∶SA 為1∶1和3∶1 的吸管耐熱性都符合要求，但混合比例為1∶1 的吸管耐熱性最好，軟硬程度適中，在加熱60 min 時才開始變軟。

表1 可降解魔芋葡甘聚糖吸管耐熱軟硬程度

3.1.2 耐水性能

檢測結(jié)果如表2 所示。5 組比例的魔芋葡甘聚糖吸管在耐水方面全部保存完好，僅KGM∶SA 為1∶3 的吸管在40 min 后發(fā)生部分松散，故而可以將其應(yīng)用于食品包裝行業(yè)。

表2 可降解魔芋葡甘聚糖吸管耐水離散程度

3.1.3 力學(xué)拉伸性能

針對可降解魔芋葡甘聚糖吸管力學(xué)拉伸的性能檢測，本研究分別從斷裂延伸率和抗拉強度方面檢查了吸管的性能。檢測結(jié)果如表3 所示。在斷裂延伸率方面，比例為1∶1 和1∶2 的吸管斷裂延伸率最高，吸管延展性更強，表面更加光滑[5]。在抗拉強度方面，比例為1∶1 和1∶2 的吸管性能最好，吸管韌性較好，吸管抵抗拉伸能力更強，使吸管不易因外力而發(fā)生變形。綜合以上數(shù)據(jù)，1∶1 的吸管的力學(xué)延伸性較好。

表3 可降解魔芋葡甘聚糖吸管拉伸度

3.1.4 耐酸堿性能

在相同浸泡時間條件下，根據(jù)5 種比例吸管在酸性溶液、堿性溶液及中性溶液中的殘余質(zhì)量，計算得到表4 可降解魔芋葡甘聚糖吸管耐酸堿性能測定實驗數(shù)據(jù)。通過對比5 種比例吸管的耐酸度、耐堿度和中性度，發(fā)現(xiàn)比例為3∶1 的可降解魔芋葡甘聚糖吸管在三種溶液浸泡下剩余質(zhì)量最高，完整性最好。

表4 可降解魔芋葡甘聚糖吸管耐酸堿性能測定

本實驗以KGM 和SA 為原材料，制備了5 組不同配比的吸管進行性能檢測，得出以下結(jié)論：耐熱性最好的吸管的混合比例是KGM∶SA 為1∶1，耐水性能除混合比例1∶3 外均較好，力學(xué)拉伸性能最好的吸管混合比例為1∶1，耐酸堿性能最好的吸管是混合比例為1∶3。綜合各項性能，選用1∶1 的比例作為制備魔芋葡甘聚糖吸管的材料配比。

3.2 生物降解檢測

根據(jù)實驗方案，對兩種吸管掩埋前后的質(zhì)量進行比較，發(fā)現(xiàn)魔芋葡甘聚糖吸管形態(tài)發(fā)生萎縮，重量發(fā)生變化，分解率為59.5%；而普通塑料吸管的形態(tài)幾乎沒有改變，質(zhì)量只有輕微減少，分解率僅為8.4%。因此魔芋與海藻酸鈉均為可降解物質(zhì)[6]，相較于傳統(tǒng)吸管具有極好的生物降解性能。

4 結(jié)語

本文以魔芋與海藻酸鈉為主要原材料制備的魔芋葡甘聚糖吸管兼顧環(huán)保和實用性能，既保留了塑料吸管耐高溫、高韌性的特點，又解決了高分子材料吸管存在的一些缺陷，具有可降解性，對環(huán)境十分友好，是一種可生產(chǎn)利用吸管。近年來，越來越多的科研人員投身于可降解材料的研究中，創(chuàng)新性的技術(shù)也在不斷推出，可降解魔芋葡甘聚糖吸管對于中國可降解材料的發(fā)展具有重要意義。在環(huán)保要求日益提高的未來，希望可降解魔芋葡甘聚糖吸管可以占據(jù)食品包裝行業(yè)的一席之地，并得到創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。