基于淀粉/殼聚糖的可降解包裝膜制備及性能研究

張 璐 ， 孫建明 ， 朱亞琦 ， 楊 雪 ， 蔣云飛 ， 曹夢炫

(河南科技大學 藝術(shù)與設計學院 ， 河南 洛陽 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，可以通過食物鏈遷移到更高級別的營養(yǎng)級，甚至轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)，嚴重危害人體健康[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，對環(huán)境不會產(chǎn)生任何壓力；而生物可降解材料分為化學和天然可降解兩大類，市面上常見的聚乳酸、聚乙烯醇等可降解材料屬于化學可降解材料，不僅制備工藝復雜，而且成本較高，故更傾向于采用天然可降解材料進行薄膜的制備[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，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的雙贏。

1 實驗材料與儀器

1.1 實驗藥品

高直鏈玉米淀粉，食品級，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，冠蘇實力工廠。

1.2 主要實驗儀器

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)療儀器實力工廠；歐萊博FA2204B分析天平，濟南程騰生物技術(shù)有限公司；CHY-CA測厚儀，濟南賽成電子科技有限公司；PT-301拉伸試驗機，昆山北斗精密儀器有限公司。

2 實驗

2.1 實驗原理

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，甘油在分子間充當潤滑劑[5-6]。

2.2 實驗方法

淀粉/殼聚糖膜液的制備流程見圖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，進行性能測定[7]。

圖1 淀粉/殼聚糖膜液的制備方法

3 測定項目

對制備薄膜的厚度、斷裂伸長率、疏水性等物理性能進行測試，并選擇10位研究員對薄膜進行感觀評價。

3.1 淀粉/殼聚糖薄膜物理性能測定

3.1.1厚度測定

將薄膜裁剪成10 cm×10 cm的正方形后，用測厚儀對其四個頂點及中間的厚度進行測定，計算平均值作為薄膜厚度。

3.1.2斷裂伸長率測定[8]

將薄膜裁剪成10 cm×3 cm的長條后，夾在拉伸試驗機上，調(diào)節(jié)速度和拉力，讀取試驗機兩側(cè)刻度示數(shù)，開始試驗至薄膜斷裂，再次讀取試驗機兩側(cè)刻度，計算公式如(1)所示。

(1)

式中：E為斷裂伸長率，%；L0為測量夾距，mm；L為試樣斷裂后長度，mm。

3.1.3滲水時間測定[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間WPT(min)。

3.2 單變量試驗設計

以玉米淀粉(5 g)為主要原料，殼聚糖含量、干燥溫度、干燥時間為試驗變量，設置12個試驗，對薄膜的各項性能進行測定。

4 結(jié)果與分析

4.1 感官評價

由10位研究員對薄膜的色澤、味道、柔韌性進行評價，評價標準見表1。

表1 淀粉/殼聚糖可生物降解薄膜感官評價標準

4.2 單變量實驗結(jié)果與分析

由于淀粉/殼聚糖薄膜具有親水性，在滲水時間測定實驗時，薄膜中淀粉分子與殼聚糖分子間的氫鍵會受到水分子的吸引而被奪去一部分氫鍵，導致薄膜結(jié)構(gòu)疏松發(fā)生分解，無法測定具體滲水時間。在60 ℃，干燥13 h的條件下，殼聚糖含量對薄膜性能的影響見表2。

表2 殼聚糖含量對薄膜性能的影響

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率，但殼聚糖含量超過0.4 g/(g淀粉)時，斷裂伸長率開始減小，因為殼聚糖含量增加會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 殼聚糖含量對薄膜透明性能的影響

4.3.1干燥溫度對薄膜性能的影響

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

表3 干燥溫度對薄膜性能的影響

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

4.3.2干燥時間對薄膜性能的影響

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

表4 干燥時間對薄膜性能的影響

由表4可知，隨著干燥時間的增加，薄膜的斷裂伸長率先增大后減小。因為在一定溫度下，較長時間的干燥有利于增強淀粉的分子間作用力，使淀粉結(jié)構(gòu)緊密有序，薄膜的斷裂伸長率增大;干燥時間過長，會使淀粉分子間作用力過強，分子鏈段不容易滑動，薄膜斷裂伸長率減小[9]。因此，13 h的干燥溫度最佳。

5 結(jié)論

本文通過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，無色透明、韌性好、均勻光滑、邊緣不卷曲、無異味，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用價值，對后續(xù)淀粉基可生物降解薄膜的研究及應用具有一定的參考意義。