玉米秸稈淀粉可降解薄膜生產(chǎn)工藝研究

代安娜　劉清波　陳曉偉等

[摘要]本研究選取玉米秸稈淀粉、聚乙烯醇、甘油為基礎(chǔ)材料制備玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜，并對(duì)薄膜進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和變形率測(cè)試，通過(guò)單因素試驗(yàn)分析各原料添加含量對(duì)薄膜的影響，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果選取恰當(dāng)因素水平進(jìn)行L₉（3⁴）正交試驗(yàn)，得出玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜最佳配方。試驗(yàn)可知，當(dāng)玉米秸稈淀粉添加量為3%、甘油添加量為1.5%、聚乙烯醇添加量為3.5%時(shí)，此時(shí)薄膜的抗拉強(qiáng)度為22.78MPa，變形率為73.71%，確定為玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜最佳工藝參數(shù)。

[關(guān)鍵詞]玉米秸稈淀粉；聚乙烯醇；薄膜制備；配方優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TS209 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20180809

食源性腐敗是影響食品安全和質(zhì)量最主要的因素之一，食品包裝是在食品流通領(lǐng)域抑制腐敗和如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等致病微生物的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，作為食品加工生產(chǎn)過(guò)程的最后一個(gè)步驟，其包裝材料對(duì)于食品安全有著至關(guān)重要的影響。目前市面上所采用的絕大多數(shù)是塑料包裝材料，這種包裝材料雖然制作便捷、成本低廉、易于運(yùn)輸，但其本身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以至于在生物降解性上存在著極大的劣勢(shì)，如汪洋等發(fā)現(xiàn)日常使用的PE塑料膜中的鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)會(huì)有遷移量超標(biāo)的情況，膜上的有害物質(zhì)遷移到與其接觸的食品中，并且該類型污染物50%是環(huán)境類激素，即對(duì)同處于同一環(huán)境的人或動(dòng)物產(chǎn)生性激素作用，對(duì)人體生殖功能造成影響。陳浩等調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國(guó)城市固體廢棄物從1998年的1.796億噸上升到2016年的19.1億噸，其中食品包裝廢棄物占到了2/3，對(duì)塑料廢棄物的不當(dāng)處理也會(huì)對(duì)環(huán)境以及人體健康帶來(lái)不同程度的影響，甚至增加癌癥的發(fā)病率。因此為緩解所面臨的能源、環(huán)境以及身體健康的威脅，對(duì)可降解的包裝材料的研究具有重要意義。

可降解包裝材料是指在如陽(yáng)光、微生物等一定自然條件下，塑料的分子量轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿踊蛟谖⑸镒饔孟峦耆纸獾牟牧?。根?jù)環(huán)保、來(lái)源、產(chǎn)量以及價(jià)格等多方面的綜合考慮，以淀粉為主的動(dòng)植物天然高分子包裝材料成為新型環(huán)保材料的首選。玉米秸稈等木質(zhì)纖維素是最豐富的可再生碳水化合物資源，利用儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉的秸稈生產(chǎn)淀粉進(jìn)行可降解膜生產(chǎn)工藝的研究，既節(jié)約了能源又大幅減少了環(huán)境污染，降低了食品包裝薄膜的生產(chǎn)成本。本試驗(yàn)選取玉米秸稈淀粉、聚乙烯醇、甘油為基礎(chǔ)材料制備玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜，并對(duì)薄膜進(jìn)行測(cè)試，選出薄膜配方的最佳優(yōu)化條件。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

玉米秸稈淀粉：自制；聚乙烯醇：西隴科學(xué)股份公司；甘油：哈爾濱市金麗化學(xué)試劑有限公司。

1.2儀器設(shè)備

HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋：金壇市科興儀器廠；JJ-1精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；101-2A型電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；玻璃成膜器，20×20cm：實(shí)驗(yàn)室自制；XLW智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)：濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1薄膜制備方法

選取新割下的玉米秸稈（陳秸稈含水低且不易剝皮），剝?nèi)ビ财ず螅瑢⒍拑?nèi)的白瓤切成細(xì)片，用清水浸泡至充分吸水泡脹為止，用蒸鍋蒸透，加適量水?dāng)嚦珊隣?，再煮片刻，得糊狀漿料，加適量清水?dāng)嚢杈鶆蚝笥眉?xì)篩過(guò)濾，去除粗纖維和皮渣，將濾液裝入濾袋內(nèi)即得濕淀粉。每100kg玉米秸稈可得濕淀粉80kg，烘干得玉米秸稈淀粉。

稱取一定量的玉米秸稈淀粉、聚乙烯醇，量取適量蒸餾水于燒杯中混合，加入一定量甘油攪拌均勻并將其放入60℃水浴鍋中，用電動(dòng)攪拌器高速攪拌15min，升溫至75℃攪拌15min，將水浴鍋設(shè)置為90℃繼續(xù)攪拌60min后停止，使用蒸餾水定容200mL并用玻璃棒進(jìn)行快速攪拌，靜置脫氣10min，稱取150g的膜液倒至20×20cm的玻璃平板中，于50%電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干12h后取出，待薄膜冷卻后揭下并儲(chǔ)存于室溫下。試驗(yàn)重復(fù)3次得到試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.2薄膜抗拉強(qiáng)度和變形率的測(cè)定

將玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜裁切成長(zhǎng)70mm、寬20mm的長(zhǎng)條，使用ZUS-4型紙張測(cè)定儀隨機(jī)在薄膜上取5點(diǎn)測(cè)量厚度，智能拉力試驗(yàn)機(jī)以50mm/min的速度測(cè)定膜的抗拉伸強(qiáng)度（TS）和變形率（E）。

1.3.3薄膜性能綜合評(píng)分原則

對(duì)玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率用加權(quán)法進(jìn)行綜合評(píng)分，兩組指標(biāo)各占50分，總分為100分。

1.3.4薄膜制備的單因素試驗(yàn)

（1）玉米秸稈淀粉添加量對(duì)膜抗拉強(qiáng)度和變形率的影響。分別稱取玉米秸稈淀粉添加量2g、4g、6g、8g、10g，再稱取聚乙烯醇6g，加入適量蒸餾水后再量取4mL甘油于燒杯中，其他試驗(yàn)操作順序按照1.3.1和1.3.2中的試驗(yàn)流程進(jìn)行。

（2）甘油添加量對(duì)膜抗拉強(qiáng)度和變形率的影響。稱取玉米秸稈淀粉和聚乙烯醇添加量各6g，加入適量蒸餾水后再依次量取2mL、3mL、4mL、5mL、6mL甘油于燒杯中，其他試驗(yàn)操作順序按照1.3.1和1.3.2中的試驗(yàn)流程進(jìn)行。

（3）聚乙烯醇添加量對(duì)膜抗拉強(qiáng)度和變形率的影響。稱取玉米秸稈淀粉添加量6g，再依次稱取聚乙烯醇2g、4g、6g、8g、10g，加入適量蒸餾水后再量取4mL甘油于燒杯中，其他試驗(yàn)操作順序按照1.3.1和

1.3.2中的試驗(yàn)流程進(jìn)行。

1.3.5正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈淀粉添加量、聚乙烯醇添加量以及甘油添加量的改變對(duì)薄膜抗拉強(qiáng)度和變形率有著不同程度的影響，在此基礎(chǔ)上選取適當(dāng)因素水平，以薄膜的綜合評(píng)分為指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1薄膜制備的單因素試驗(yàn)

2.1.1玉米秸稈淀粉添加量對(duì)薄膜抗拉強(qiáng)度和變形率的影響

玉米秸稈淀粉添加量對(duì)薄膜的抗拉強(qiáng)度和變形率的影響如圖1所示。

據(jù)圖1可知，當(dāng)玉米秸稈淀粉添加量在1%～5%逐漸增加的過(guò)程中，玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜的抗拉強(qiáng)度總體上呈先上升再下降的趨勢(shì)，變形率總體上呈下降趨勢(shì)。當(dāng)玉米秸稈淀粉添加量為3%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，變形率相對(duì)較低；當(dāng)玉米秸稈淀粉添加量為1%～3%時(shí)，膜液偏稀，成膜質(zhì)地偏軟，抗拉強(qiáng)度低，極易變形；當(dāng)玉米秸稈淀粉添加量大于3%時(shí)，抗拉強(qiáng)度和變形率開(kāi)始下降，因?yàn)殡S著玉米秸稈淀粉添加量增加，聚乙烯醇濃度相對(duì)減少，膜液逐漸濃稠甚至導(dǎo)致烘干過(guò)程干裂現(xiàn)象，成膜干硬且柔韌性差，容易拉斷。根據(jù)以上分析，綜合考慮薄膜抗拉強(qiáng)度和變形率確定玉米秸稈淀粉添加量為3%。

2.1.2甘油添加量對(duì)薄膜抗拉強(qiáng)度和變形率的影響

甘油添加量對(duì)薄膜的抗拉強(qiáng)度和變形率的影響如圖2所示。

據(jù)圖2可知，當(dāng)甘油添加量在1%～3%逐漸增加的過(guò)程中，玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜的抗拉強(qiáng)度總體上呈下降的趨勢(shì)，變形率總體上呈上升趨勢(shì)。隨著甘油添加量的增加，與水的結(jié)合增多，淀粉間分子作用力減小，因此成膜黏度大，柔軟光滑，有韌性，測(cè)試過(guò)程中極易變形，抗拉能力弱。根據(jù)以上分析，綜合考慮薄膜抗拉強(qiáng)度和變形率確定甘油添加量為2%。

2.1.3聚乙烯醇添加量對(duì)薄膜抗拉強(qiáng)度和變形率的影響

聚乙烯醇添加量對(duì)薄膜的抗拉強(qiáng)度和變形率的影響如圖3所示。

據(jù)圖3可知，當(dāng)聚乙烯醇添加量在1%～5%逐漸增加的過(guò)程中，玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜的抗拉強(qiáng)度總體上呈上升的趨勢(shì)，變形率總體上呈先上升再下降的趨勢(shì)。當(dāng)聚乙烯醇添加量為1%～2%時(shí)，由于PVA與玉米秸稈淀粉相互作用，改變類淀粉分子原本的氫鍵，形成聚合物，結(jié)合力增強(qiáng)且改善了薄膜柔韌性，薄膜抗拉強(qiáng)度和變形率會(huì)隨聚乙烯醇添加量的增加而升高；當(dāng)聚乙烯醇添加量為2%時(shí)，其變形率達(dá)到最大后開(kāi)始下降，抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高，隨后逐漸升高，這是因?yàn)榫垡蚁┐继砑恿吭黾拥揭欢ㄖ岛?，同玉米秸稈淀粉的交?lián)達(dá)到最佳，再繼續(xù)增加影響分子鏈的延展性，導(dǎo)致成膜質(zhì)地干硬，不易變形。根據(jù)以上分析，綜合考慮薄膜抗拉強(qiáng)度和變形率確定聚乙烯醇添加量為3%。

2.2正交試驗(yàn)

2.2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

2.2.2正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

L⁹（3₄）正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見(jiàn)表2。根據(jù)表2結(jié)合綜合評(píng)分進(jìn)行分析可知，聚乙烯醇添加量對(duì)玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜抗拉強(qiáng)度和變形率綜合影響最大，其次是甘油添加量，玉米秸稈淀粉添加量對(duì)薄膜的抗拉強(qiáng)度和變形率綜合影響較小。正交試驗(yàn)處理的最優(yōu)組合是A₃B₁C₃，正交試驗(yàn)表中綜合評(píng)分最高的是第7組A₃B₁C₃，因此綜合考慮，確定玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜的最優(yōu)配方為玉米秸稈淀粉添加量3%、甘油添加量1.5%、聚乙烯醇添加量3.5%。

2.2.3驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)正交試驗(yàn)得出的薄膜最優(yōu)配方進(jìn)行驗(yàn)證，重復(fù)3次得到試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)表3結(jié)果可知，所選最優(yōu)配方的玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜抗拉強(qiáng)度為22.78MPa，變形率為73.71%，綜合評(píng)分84.4，同正交試驗(yàn)結(jié)論一致，可證實(shí)玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇可薄膜的最優(yōu)配方為玉米秸稈淀粉添加量3%、甘油添加量1.5%、聚乙烯醇添加量3.5%。

3結(jié)論

本研究通過(guò)試驗(yàn)確定了玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜的最佳配方，并測(cè)試了抗拉強(qiáng)度和變形率，研究了選材的添加量對(duì)薄膜的影響。該配方適用于制作食品包裝薄膜，有助于使玉米秸稈得到充分利用，減少對(duì)食品的污染，并且安全環(huán)保，可以降低制作成本，減少?gòu)U棄物，保護(hù)環(huán)境。