成型條件對(duì)模壓大豆蛋白塑料碟子性能的影響研究

朱 雙

(北海職業(yè)學(xué)院海洋食品研發(fā)中心，廣西 北海 536000)

0 引言

隨著食品外賣行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)塑料餐具在食品包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛，但傳統(tǒng)塑料餐具產(chǎn)生的大量垃圾卻一直無(wú)法得到妥善解決。例如傳統(tǒng)塑料餐具在自然環(huán)境中很難降解，對(duì)其進(jìn)行填埋和焚燒等常規(guī)處理會(huì)浪費(fèi)大量土地資源并極易造成環(huán)境污染，因此尋找環(huán)境友好的生物降解材料替代品已迫在眉睫[1-4]。大豆蛋白塑料是以大豆蛋白為原料，通過(guò)一系列的改性處理，采用模壓、擠出等方法制備而成的可再生、可降解的植物資源降解材料，因此國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中有大量關(guān)于大豆蛋白塑料的研究報(bào)道[1]。但通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，關(guān)于模壓大豆蛋白塑料碟子制備及其成型條件優(yōu)化的研究，鮮有報(bào)道。

鑒于此，本論文中以商業(yè)化大豆分離蛋白為原料，經(jīng)丙三醇增塑改性處理后，采用模壓成型工藝制備出模壓大豆蛋白塑料碟子，并研究了成型溫度和成型時(shí)間對(duì)模壓大豆蛋白塑料碟子的力學(xué)性能和吸水率的影響，為模壓大豆蛋白塑料餐具的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 原料與試劑

大豆分離蛋白、丙三醇、氫氧化鈉、鹽酸等。

1.1.2 儀器設(shè)備

電腦伺服系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)、平板模壓硫化機(jī)、電子天平、冰箱、烘箱、自制模具、裁樣機(jī)等。

1.2 方法

1.2.1 模壓豆大豆蛋白塑料碟子的制備

將商業(yè)化大豆分離蛋白和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇在研缽中充分研磨30 min后，取出后裝入聚乙烯袋中密封，之后置于低溫冰箱冷藏室內(nèi)靜置48 h，冷藏室溫度設(shè)定為4 ℃[1]。稱取靜置后的商業(yè)化大豆分離蛋白和丙三醇混合物，放入自制模壓碟子模具中，設(shè)置平板硫化機(jī)模壓溫度、模壓時(shí)間和模壓壓力。當(dāng)平板硫化機(jī)上、下模壓板達(dá)到設(shè)定溫度且穩(wěn)定時(shí)，將裝有已稱入商業(yè)化大豆分離蛋白和丙三醇混合物的自制模具，移至平板硫化機(jī)上下板之間，啟動(dòng)模壓程序。不同成型溫度參數(shù)條件為：128 ℃，134 ℃，140 ℃，146 ℃，152 ℃，成型時(shí)間6 min，成型壓力20 Mpa。不同成型時(shí)間參數(shù)條件為：3 min，4 min，5 min，6 min，7 min，成型溫度140 ℃，成型壓力20 MPa。模壓成型結(jié)束后，將模具冷卻后脫模，得到模壓大豆蛋白塑料碟子實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。最后，將在不同成型溫度和成型時(shí)間條件下經(jīng)模壓成型得到的模壓大豆蛋白塑料碟子產(chǎn)品，用拆樣機(jī)裁樣，然后用剪刀去除在模壓過(guò)程中產(chǎn)生的多余邊角，用100目、600目的砂紙將其打磨成長(zhǎng)75 mm，寬5 mm，厚1.2 mm，形狀為啞鈴型的測(cè)試樣條，待力學(xué)性能測(cè)試和吸水性能測(cè)試時(shí)使用。

1.2.2 力學(xué)性能測(cè)試

為測(cè)試大豆蛋白塑料碟子的力學(xué)性能，將待測(cè)試模壓大豆蛋白塑料碟子樣條放置在溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為50%的干燥器中達(dá)48 h進(jìn)行靜置處理。測(cè)試前，使用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測(cè)量每根樣條的長(zhǎng)度、寬度，并將所測(cè)數(shù)值輸入電腦伺服系統(tǒng)拉力機(jī)的測(cè)試軟件中，測(cè)試時(shí)十字頭速度設(shè)置為10 mm/min。之后，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，力學(xué)性能測(cè)試以5個(gè)樣為一組，得到樣品的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂能數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果取5個(gè)樣的平均值[2]。

1.2.3 吸水率的測(cè)定

按照ASTMD570- 81(1993)，將模壓大豆蛋白塑料碟子樣條置于烘箱中，溫度設(shè)置為50 ℃，連續(xù)烘24 h后取出并立即放入干燥器中冷卻片刻，用電子天平準(zhǔn)確稱量(N1)，然后分別在25 ℃水中浸泡2 h和24 h，到達(dá)時(shí)間時(shí)用鑷子迅速取出并用干燥的白砂布擦干塑料樣條表面附著的水分，再次用電子天平準(zhǔn)確稱量樣條(浸泡2 h時(shí)為N2，浸泡24 h時(shí)為N3)[4]。模壓大豆蛋白塑料碟子2 h吸水率和24吸水率的計(jì)算公式參考鄒文中等人的文獻(xiàn)[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型溫度對(duì)模壓大豆蛋白塑料碟子力學(xué)性能的影響

在模壓成型溫度分別為128 ℃、134 ℃、140 ℃、146 ℃、152 ℃溫度時(shí)(成型時(shí)間6 min，成型壓力20 MPa)，將對(duì)經(jīng)丙三醇增塑的商業(yè)化大豆分離蛋白用自制碟子模具進(jìn)行模壓成型，制成模壓大豆蛋白塑料碟子，所得成型溫度對(duì)大豆蛋白塑料碟子拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂能的影響見表1。由表1所示，隨著成型溫度從128 ℃升到140 ℃，模壓大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂能分別從4.18 MPa、126.64%和0.98 kJ/m2升至5.04 MPa、166.25%和1.55 kJ/m2，達(dá)到最大值。此后，隨著成型溫度增加，大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂能下降。

表1 成型溫度對(duì)大豆蛋白塑料碟子力學(xué)性能的影響

2.2 成型溫度對(duì)大豆蛋白塑料碟子吸水率的影響

在模壓成型溫度分別為128 ℃、134 ℃、140 ℃、146 ℃、152 ℃溫度時(shí)，所得成型溫度對(duì)模壓大豆蛋白塑料碟子的2 h和24 h吸水率的影響見表2。由表2可見，隨著成型溫度從128 ℃升到140 ℃，模壓大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率分別從173.09%和260.97%降至151.79%和220.78%。此后，隨著成型溫度增加，大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率下降。綜合考慮力學(xué)性能和吸水率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知成型溫度為140 ℃時(shí)，模壓大豆蛋白塑料碟子具有最佳的力學(xué)性能和耐水性。

表2 成型溫度對(duì)大豆蛋白塑料碟子吸水率的影響

2.3 成型時(shí)間對(duì)大豆蛋白塑料碟子力學(xué)性能的影響

在模壓成型時(shí)間分別為3 min、4 min、5 min、6 min和7 min時(shí)(成型溫度140 ℃，成型壓力20 MPa)，所得成型時(shí)間對(duì)大豆蛋白塑料碟子拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂能的影響見表3。由表3所示，隨著成型時(shí)間從3 min延長(zhǎng)到5 min，模壓大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂能分別從4.49 MPa、112.20%和1.08 kJ/m2升至5.11 MPa、158.90%和1.74 kJ/m2，達(dá)到最大值。此后，隨著成型時(shí)間延長(zhǎng)到7 min，大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂能下降。

表3 成型時(shí)間對(duì)大豆蛋白塑料碟子力學(xué)性能的影響

表4 成型時(shí)間對(duì)大豆蛋白塑料碟子吸水率的影響

2.4 成型時(shí)間對(duì)大豆蛋白塑料碟子吸水率的影響

在模壓成型時(shí)間分別為3 min、4 min、5 min、6 min和7 min時(shí)(成型溫度140 ℃，成型壓力20 MPa)，所得成型時(shí)間對(duì)大豆蛋白塑料碟子2 h和24 h吸水率的影響見表4。由表4可見，隨著成型時(shí)間從3 min延長(zhǎng)到5 min，模壓大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率分別從176.84%和320.66%降至158.81%和239.14%。此后，隨著成型時(shí)間延長(zhǎng)到7 min，大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率下降。綜合考慮力學(xué)性能和吸水率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知成型時(shí)間為5 min時(shí)，模壓大豆蛋白塑料碟子具有最佳的力學(xué)性能和耐水性。

3 結(jié)論

1)當(dāng)成型溫度為140 ℃時(shí)，模壓大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂能分別為5.04 MPa、166.25%和1.55 kJ/m2，達(dá)到最大值；此時(shí)，模壓大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率分別為151.79%和220.78%，達(dá)到最小值。

2)當(dāng)成型時(shí)間為5 min時(shí)，模壓大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂能分別為5.11 MPa、158.90%和1.74 kJ/m2，達(dá)到最大值；此時(shí)，模壓大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率分別為158.81%和239.14%，達(dá)到最小值。

3)綜上所述，制備模壓大豆蛋白塑料碟子的最佳成型條件為成型溫度140 ℃、成型時(shí)間5 min。