改性聚丙烯薄膜防黏性能驗(yàn)證及包裝應(yīng)用

隋 越 楊福馨 - 程 龍 徐 韜

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

酸奶是一種備受歡迎的保健食品[1]，生產(chǎn)商家想要在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的酸奶產(chǎn)業(yè)中脫穎而出，除了要對(duì)酸奶的風(fēng)味進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，在價(jià)格方面進(jìn)行調(diào)整外，也要在其用來(lái)提高附加值的酸奶包裝上進(jìn)行改革和創(chuàng)新，因此，各商家將重點(diǎn)放在酸奶的外包裝上[2-3]。包裝的創(chuàng)新包括包裝設(shè)計(jì)和包裝材料的研發(fā)，日常生活中，連杯酸奶在飲用后仍會(huì)有大量粘附在杯壁，不僅降低了購(gòu)物體驗(yàn)，還會(huì)造成浪費(fèi)。如何解決酸奶包裝材料使酸奶剩余量減少是亟待解決的問(wèn)題[4]。吳小鳴等[5]研制出人工仿生荷葉薄膜，這種薄膜實(shí)際上是一種人造高分子薄膜，具有不沾水和不沾油的性質(zhì)，但制作工藝繁瑣，且未與其他薄膜進(jìn)行對(duì)比；郝利榮[6]研究了有機(jī)氟、硅油改性聚苯乙烯，但對(duì)薄膜防黏效果的驗(yàn)證方法介紹甚少。

試驗(yàn)擬驗(yàn)證改性薄膜的防黏連效果，檢驗(yàn)改性薄膜的安全性以及測(cè)量并記錄用改性薄膜包裝后的酸奶的營(yíng)養(yǎng)成分及品質(zhì)變化等，在追求安全的基礎(chǔ)上使酸奶殘留量更少，將防黏效果的驗(yàn)證簡(jiǎn)單有效化，旨在為酸奶提供有效的包裝，為防黏薄膜提供有效驗(yàn)證方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

PPMDP5樹(shù)脂、聚丙烯樹(shù)脂：中國(guó)石油天然氣股份有限公司；

聚四氟乙烯改性聚丙烯薄膜、硅油改性聚丙烯薄膜、未改性聚丙烯薄膜：上海膜益信息科技有限公司；

酸奶：蒙牛風(fēng)味酸牛奶(樣品a)、光明碧悠酸牛奶(樣品b)、伊利原味發(fā)酵乳；

乙酸、乙醇、高錳酸鉀、硫化鈉、甘油、氫氧化鈉、草酸、草酸鈉：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

轉(zhuǎn)矩流變儀：XSS-300型，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)：LSSJ-20型，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司；

流延機(jī)：LYJ-300型，上海科創(chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司；

切粒機(jī)：SG-20型，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司；

接觸角測(cè)量?jī)x：JC2000D1型，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；

超低溫冰箱：DW-86L286型，—80 ℃，青島海爾股份有限公司；

真空冷凍干燥機(jī)：FD-2D-80壓蓋掛瓶型，上海繼譜電子科技有限公司；

分析天平：SZGA30002型，蘇州博泰偉業(yè)電子科技有限公司；

塑料薄膜封口機(jī)：FR-300A型，上海翔一包裝機(jī)械有限公司；

恒溫水浴鍋：DF-101S型，上海繼譜電子科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1 試驗(yàn)用薄膜 將改性劑聚四氟乙烯、硅油以表1中比例與母粒聚丙烯充分混合均勻，將其加入到已預(yù)熱好的雙螺桿擠出機(jī)中，通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)的共混，熔融擠出，用切粒機(jī)將其切斷獲得大小合適的顆粒，獲得所需的改性不黏聚丙烯樹(shù)脂母粒，其中雙螺桿擠出機(jī)的參數(shù)為：1～7區(qū)的溫度分別為165，170，175，180，180，175，170 ℃；雙螺桿轉(zhuǎn)速30 r/min。將制備好的改性母粒直接加入到已預(yù)熱好的流延機(jī)中，流延成膜，其中流延機(jī)1～7區(qū)的溫度分別為165，170，180，185，185，175，170 ℃，轉(zhuǎn)速60 r/min。

1.2.2 酸奶包裝

(1)包裝袋的準(zhǔn)備:將未改性的聚丙烯薄膜和表1中除市售薄膜外的所有改性薄膜以8 cm×6 cm的尺寸裁剪后，用熱封機(jī)熱封成袋，每一編號(hào)的薄膜準(zhǔn)備6個(gè)備用。

表1 試驗(yàn)用薄膜組合

(2)酸奶裝袋：各稱(chēng)取40 g酸奶樣品a和樣品b，裝入已準(zhǔn)備好的包裝袋中，標(biāo)記后將已包裝好的樣品放入與原杯酸奶所處條件相同的冷藏室中貯藏。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 接觸角的測(cè)定(CAM) 參照文獻(xiàn)[7]的方法并略作修改。以酸奶為介質(zhì)，通過(guò)測(cè)量酸奶與薄膜表面接觸角的大小來(lái)初步檢測(cè)薄膜的防黏性能。選取試驗(yàn)用薄膜裁剪成3 cm×2 cm的樣品，用注射器滴2 μL酸奶(伊利原味發(fā)酵乳)于薄膜表面，采用接觸角測(cè)量?jī)x固定圖像并任意選取5點(diǎn)進(jìn)行接觸角的計(jì)算[8]，以未改性的聚丙烯PP薄膜為對(duì)照，每個(gè)圖像測(cè)量5次，取平均值[9-10]。

1.3.2 防黏效果驗(yàn)證 以酸奶在薄膜上的剩余量為直觀表現(xiàn)，分別采用兩種不同的方法測(cè)量殘留量進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。方法一結(jié)束后評(píng)選效果最優(yōu)的薄膜，將其采用方法二與原杯膜再次進(jìn)行防黏效果驗(yàn)證。

(1)方法一：① 將未改性聚丙烯片材與試驗(yàn)所制得片材裁剪成4 cm×6 cm的樣品，稱(chēng)量每個(gè)片材樣品的質(zhì)量(X)，備用；② 從冰箱中取出酸奶樣品a，開(kāi)蓋后稱(chēng)量酸奶杯及酸奶的質(zhì)量(Y)，將剪裁好的樣品垂直全部沒(méi)入酸奶中，并旋轉(zhuǎn)3圈使片材表面充分接觸酸奶，垂直靜置1 min取出，稱(chēng)量剩余酸奶質(zhì)量(Y1)；③ 將取出后的粘有酸奶的片材垂直靜置1 min，稱(chēng)取靜置后片材及其附著酸奶的總質(zhì)量(T)；連續(xù)測(cè)量7 d，每個(gè)樣品測(cè)量3次，按式(1)計(jì)算酸奶殘留量。

(1)

式中：

潛水軸流泵和傳統(tǒng)水泵相比，輔助設(shè)備少，能大大減少故障出現(xiàn)概率，提高設(shè)備可靠性；操作程序也相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于提高設(shè)備自動(dòng)化程度；同時(shí)由于潛水軸流泵散熱效果好，也有效延長(zhǎng)了泵機(jī)組的使用壽命。

R——酸奶殘留量，%；

T——酸奶的總質(zhì)量，g；

X——片材質(zhì)量，g；

Y——開(kāi)蓋后未引用酸奶杯及酸奶質(zhì)量，g；

Y1——剩余酸奶質(zhì)量，g。

(2)方法二：① 按市面上聯(lián)杯酸奶的尺寸加工成酸奶杯，灌裝酸奶低溫冷藏7 d后，打開(kāi)食用，保證酸奶殘留量均為3.00 g；② 將食用后有殘留酸奶的酸奶杯分別使其從1 m高處做自由落體運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖1)，跌落5次，稱(chēng)重，按式(2)計(jì)算跌落前后酸奶質(zhì)量比，每個(gè)包裝平行3次。

(2)

式中：

f——跌落前酸奶質(zhì)量，g；

t——跌落后酸奶質(zhì)量，g。

1.3.3 改性薄膜衛(wèi)生性能測(cè)量 按GB/T 5009.60—2003執(zhí)行。試驗(yàn)樣品為經(jīng)防黏效果測(cè)量后優(yōu)選的薄膜。

圖1 酸奶自由落體試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

2 結(jié)果與分析

2.1 酸奶接觸角測(cè)試結(jié)果

由圖2可知，A、B、C 3組的接觸角隨硅油含量的增加而增大，由81.38°增大到85.97°，是由于增加硅油含量，薄膜的表面能越來(lái)越低[11]，酸奶越不易粘附于薄膜表面，薄膜接觸角越大，說(shuō)明添加硅油使疏水性增大。D、E、F、G的接觸角隨PTFE含量的增加呈先增大后減小趨勢(shì)，由88.15°先增大到99.84°再減小至85.33°，可能是PTFE含量增多使得薄膜表面粗糙度增加，研究[12-13]表明，薄膜表面粗糙度的增大會(huì)導(dǎo)致接觸角增大，說(shuō)明酸奶在由PTFE改性的薄膜上的附著力變小，薄膜的防黏連性能較好。綜上，C組和E組改性薄膜的接觸角最優(yōu)，可作為酸奶的包裝使用。

2.2 不同包裝條件下酸奶殘留量測(cè)試結(jié)果

由表2可知，改性薄膜A、B、C、D、E、F、G經(jīng)試驗(yàn)后的薄膜不粘效果均比未改性的聚丙烯薄膜的好，其中薄膜E的不粘效果最好，酸奶殘留量為26.61%，其次為薄膜C，其酸奶殘留量為28.67%；市面上已應(yīng)用的防黏連薄膜的酸奶殘留量為30.65%，故經(jīng)改性的薄膜C和薄膜E的不粘效果比未改性的聚丙烯薄膜的好，且更優(yōu)于市面上已應(yīng)用的其他同性能的薄膜，由于聚四氟乙烯和硅油表面能很低，使薄膜具有更好的防黏連效果，能有效地減少酸奶與薄膜間的黏附性。

由表3可知，經(jīng)方法一驗(yàn)證后效果最優(yōu)的薄膜C和薄膜E在跌落試驗(yàn)后殘留的平均質(zhì)量比明顯低于原杯膜的，平均質(zhì)量比越小即酸奶殘留量越少，表明經(jīng)薄膜C和薄膜E包裝后的酸奶殘留量遠(yuǎn)小于原杯膜，進(jìn)一步說(shuō)明改性后的薄膜的防黏連性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原杯膜，證明此研究達(dá)到效果且可足夠應(yīng)用于實(shí)踐與生產(chǎn)。

圖2 薄膜的接觸角測(cè)試結(jié)果

表2 薄膜的防黏效果(方法一)

表3 自由落體后酸奶殘留量(方法二)

2.3 改性薄膜的衛(wèi)生性能

由表4可知，經(jīng)改性后的薄膜C和薄膜E的各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB/T 5009.71—2003的規(guī)定，說(shuō)明改性后最優(yōu)組合的薄膜C和薄膜E在最大程度地降低酸奶殘留量的同時(shí)也沒(méi)有安全隱患，可以放心用于食品包裝。

表4 安全性能檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

酸奶在改性薄膜和未改性薄膜上的接觸角表明，改性防黏薄膜的接觸角大于未改性聚丙烯薄膜的，疏水性極佳，且防黏連性能測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了改性薄膜的最佳配方為7%硅油+93%聚丙烯和8%聚四氟乙烯+92%聚丙烯；經(jīng)兩種方法測(cè)試酸奶在改性薄膜的殘留量得出：改性薄膜的性能均優(yōu)于市面已有防黏薄膜的，且最佳配方的薄膜的防黏效果優(yōu)于原杯膜；薄膜的衛(wèi)生性能表明，改性薄膜符合GB/T 5009.71—2003的規(guī)定，其安全性高，對(duì)包裝物無(wú)影響，可應(yīng)用于實(shí)際食品的包裝。后續(xù)可將改性薄膜進(jìn)行多次造粒流延，使改性劑更加充分地與聚丙烯母粒進(jìn)行融合；可將改性薄膜應(yīng)用于酸奶的包裝，并與原杯酸奶進(jìn)行風(fēng)味比較及酸奶成分的變化等。