MIT防霉聚乙烯保鲜膜研究

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(1.天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457;2.中华全国供销合作总社济南果品研究院,山东济南 250014)

PE(聚乙烯)是塑料中产量最大、用途极广的热塑性塑料。目前,市场上销售的保鲜膜大多是以PE为原料制造的保鲜膜,这种保鲜膜由于不添加任何增塑剂,被公认是最安全的。聚乙烯的优点是具有抗震性能和耐腐蚀性能。

蔬菜水果用保鲜膜包装时,果蔬产生的水蒸气在膜内面结露时,不仅使其透明性变差,而且水滴聚集,使得霉菌增殖快,造成果蔬腐败。要解决这个问题,通常要进行各种处理,如对PE表面改性或交联、对PE接枝改性、低温等离子辐射、电子束发射、紫外线照射等。但是这些方法工艺复杂、成本较高,实现困难。MIT能有效杀灭藻类、细菌和真菌,可广泛用于工业冷却水、油田回罐水、造纸行业、管道、涂料等多种工业行业。MIT在低浓度下能有效杀灭多种细菌,抑菌效果显著,添加量少,无毒,无污染,极易混合在各类配方(配方的pH范围广泛)中,很容易被生物降解为无毒无污染物质。并且其毒性低,无残留,与各种乳化剂、表面活性剂及蛋白质成份配伍性好[1]。聚乙烯保鲜膜配方中添加具有防霉功能的MIT分子,减少微生物增殖造成的果蔬腐败,以达到保鲜的目的。

本论文研究了MIT防霉聚乙烯保鲜膜的防霉效果,同时研究了MIT防霉聚乙烯保鲜膜的机械性能、热合强度、膜的透光率以及膜的保鲜性能等。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

LLDPE(线性低密度聚乙烯)、LDPE(低密度聚乙烯) 中国石化北京燕化石油化工股份有限公司;油菜 天津金元宝农贸市场;MIT 潍坊拓达化工有限公司。

SJSZ-8B型微型锥形同向双螺杆挤出机 武汉市瑞鸣塑料机械制造公司;FYC-25型小型实验吹膜机 佛山市顺德区均富机电设备有限公司;CH-1-S千分手式薄膜测厚仪 上海六菱仪器厂;SRJX-4-9型马弗炉 天津市继红五金机电厂;CMT4503型微机控制电子万能实验机 深圳新三思材料检测有限公司;UV-2550PC型紫外可见分光光度计 日本岛津公司;SU-1510型扫描式电子显微镜 日本日立公司。

1.2 实验方法

将LLDPE和LDPE树脂以3∶1的比例与不同添加量(0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%)的MIT充分混合,将混合好的物料用双螺杆挤出机熔融共混(五段温度分别为195、200、200、200、195℃)、挤出造粒,将母粒加入到小型吹膜机中吹塑成膜,四段温度分别为145、150、150、145℃,制成厚度为0.016～0.017mm,灰分含量为0.20%～0.24%的薄膜[2]。

添加MIT的防霉聚乙烯保鲜膜样品生产工艺流程见图1。

图1 保鲜膜的制备工艺流程 Fig.1 The technological process of the preparation of cling film

1.3 测定方法

1.3.1 防霉性能 将0.3g MIT固体颗粒溶于100g无水乙醇中,溶解完全后(浓度为0.3%)注入接满灰霉菌培养基的牛津杯中,观察其抑菌情况[3]。

保鲜膜的防霉性能的测试按照QB/T2591-2003[4]进行,并略作修改,样品长霉等级如表1所示。将样品裁成30mm×30mm的正方形,按0.5%氯化汞、75%乙醇、无菌水的顺序分别浸泡保鲜膜1h进行灭菌,在接满灰霉菌的培养基上覆盖上膜,观察其抑菌情况。

表1 样品长霉等级Table 1 The mildew level of samples

1.3.2 机械性能 MIT防霉聚乙烯保鲜膜样品的拉伸实验在电子拉力机上进行,拉伸强度和断裂伸长率按GB/T1040.2-2006[5]进行。用长(100±1)mm×宽(15±0.1)mm的长方形模具裁膜,环境温度为(23±2)℃,相对湿度为45%～55%,拉伸速度为150mm·min-1。

1.3.3 热合强度 MIT防霉聚乙烯保鲜膜样品的热合强度在电子拉力机上进行,热合强度按QB/T2358-1998进行[6]。裁取长(100±1)mm×宽(15±0.1)mm的试样,在环境温度为(23±2)℃,相对湿度为45%～55%中调节状态不少于4h,拉伸速度为(300±20)mm·min-1。

1.3.4 透明性 MIT防霉聚乙烯保鲜膜样品的透明性通过紫外可见分光光度计进行全波长扫描(波长范围为200～800nm),其中可见光范围为350～770nm,测定其折射率,折射率越高,其透明度就越高。

1.3.5 形态结构分析 MIT防霉聚乙烯保鲜膜样品在液氮中冷冻、脆断,断面表面喷金,在放大2000倍下用扫描电子显微镜(SEM)观察其断面形貌,加速电压为10kV[7]。

1.3.6 保鲜性能测定 利用MIT防霉聚乙烯保鲜膜对油菜进行包装。测定油菜的黄化率[8]和腐烂率[9],分析其外观变化等。贮藏环境温度8℃,时间为12d[10]。定期随机取样测定油菜的黄化率和腐烂率,计算公式如下:

黄化率(%)=油菜叶黄化面积/油菜叶总面积×100

式(1)

腐烂率(%)=油菜叶腐烂个数/油菜叶总个数×100

式(2)

1.4 数据统计与分析

用Excel2003,SPSS13.0,Origin8.5等软件对测试数据进行制图与统计分析,做三个平行,在p<0.05的条件下进行差异显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 MIT对防霉聚乙烯保鲜膜样品防霉性能的影响

从图2可以看出,注有浓度为0.3%MIT溶液的培养基仅在培养基的边缘有少量灰霉菌生长,空白对照培养基上几乎布满了灰霉菌。由此可以看出,MIT分子具有明显的抑菌效果[11]。

图2 MIT防霉效果图 Fig.2 The anti-mildew effect of MIT

MIT防霉聚乙烯保鲜膜防霉情况如图3所示,MIT防霉聚乙烯保鲜膜长霉等级如表2所示。以表1为标准,从图3和表2中可以看出,在添加MIT防霉聚乙烯保鲜膜覆盖下的培养基上有少量灰霉菌的生长,达到QB/T2591-2003标准的1级水平;对照膜下的培养基上的灰霉菌超过覆盖面积的10%,达到QB/T2591-2003标准的2级水平。说明将MIT加入到聚乙烯树脂中能够达到明显抑菌效果。从图3中还可以看出,随添加量的增多,抑菌效果越明显。主要是因为MIT分子与细胞外膜进行接触并被吸附,通过细胞膜进入到原生质内,干扰霉菌细胞膜的通透性,阻碍细胞膜对氨基酸的吸收,进入细胞内的MIT分子,抑制微生物细胞内的呼吸酶系的活性,从而起到抑菌作用[12]。

图3 PE保鲜膜防霉效果图 Fig.3 The anti-mildew effect picture of PE film

表2 PE保鲜膜长霉等级Table 2 The mildew level of PE films

2.2 MIT对防霉聚乙烯保鲜膜样品机械性能的影响

MIT防霉聚乙烯保鲜膜机械性能如图4所示。由图4可知,随着MIT含量的增加,聚乙烯保鲜膜的拉伸强度升高,断裂伸长率降低。空白保鲜膜的拉伸强度和断裂伸长率分别为20.22MPa和481.19%,当添加0.30%MIT后,聚乙烯保鲜膜的拉伸强度和断裂伸长率分别为23.94MPa和306.87%,分别变化了18.41%和36.23%。由此表明,添加了MIT分子能够有效的改善聚乙烯保鲜膜的机械性能,增加了保鲜膜的韧性[13]。

图4 MIT防霉聚乙烯保鲜膜的机械性能 Fig.4 The mechanical properties of the anti-mildew PE films with MIT

2.3 MIT对防霉聚乙烯保鲜膜样品热合强度的影响

MIT防霉聚乙烯保鲜膜热合强度如图5所示。由图5可知,随着MIT含量的增加,聚乙烯保鲜膜的热合强度呈不同强度的增加。空白保鲜膜的热合强度为5.05N/15mm,添加0.10%的MIT的热合强度(6.71N/15mm)比空白保鲜膜的热合强度明显增加32.87%,而添加0.15% MIT和0.20% MIT的聚乙烯保鲜膜热合强度(分别为6.80N/15mm和6.87N/15mm)较0.10% MIT防霉聚乙烯保鲜膜的热合强度分别增加幅度仅为1.34%和2.38%;当MIT的添加量达到0.25%时,其热合强度(7.67N/15mm)较空白保鲜膜高51.88%。说明MIT分子对聚乙烯的热合强度有明显的加强作用,加强了聚乙烯保鲜膜的热封性能[14]。

图5 MIT防霉聚乙烯保鲜膜的热合强度 Fig.5 The heat seal strength of anti-mildew PE films with MIT

2.4 MIT对防霉聚乙烯保鲜膜样品透明性能的影响

MIT防霉聚乙烯保鲜膜透明性能如图6所示。由图6可知,0.10% MIT/PE、0.15% MIT/PE和0.20% MIT/PE的透明度明显高于0.25%MIT/PE和0.30%MIT/PE的透明度。由此可知,添加MIT分子降低了聚乙烯保鲜膜的透明性能,MIT的添加量在0.20%以内对聚乙烯保鲜膜的透明性影响较小,但添加量在0.25%以上明显降低了聚乙烯保鲜膜的透明性能。

图6 MIT防霉聚乙烯保鲜膜的透明性能 Fig.6 The transparent performance of anti-mildew PE films with MIT

2.5 MIT防霉聚乙烯保鲜膜形态结构分析

MIT防霉聚乙烯保鲜膜断面形态结构如图7所示。由图7可知,在放大2000倍的情况下,添加MIT分子的聚乙烯保鲜膜的断面均平整均匀,没有明显的颗粒聚集情况。说明MIT分子在高温下与聚乙烯树脂熔融充分,混合均匀,MIT分子与聚乙烯树脂完美结合,聚乙烯保鲜膜的防雾分子MIT分布均匀。

图7 MIT防霉聚乙烯保鲜膜的形态结构 Fig.7 The morphology of anti-mildew PE films with MIT

2.6 MIT对防霉聚乙烯保鲜膜样品保鲜性能的影响

2.6.1 黄化率 在8℃条件下贮藏12d后,MIT防霉聚乙烯保鲜膜对油菜黄化率的影响如图8所示。由图8可知,随着MIT含量的增加,油菜的黄化率不断降低。空白保鲜膜的黄化率为13.2%,显著高于添加MIT分子的防霉聚乙烯保鲜膜(p<0.05);添加0.10% MIT的保鲜膜包装的油菜的黄化率为10.5%,比空白保鲜膜包装的油菜的黄化率显著降低了20.45%(p<0.05);同时,添加0.15% MIT的保鲜膜包装的油菜的黄化率(8.8%)显著低于0.10% MIT防霉聚乙烯保鲜膜包装的油菜,降低了16.19%。说明添加MIT分子能够有效地降低包装油菜的黄化率,且当添加量高于0.15%后效果更显著。

图8 MIT对聚乙烯保鲜膜的黄化率的影响 Fig.8 The effect of MIT polyethylene plastic wrap on rate of etiolation

2.6.2 腐烂率 在8℃条件下贮藏12d内,MIT防霉聚乙烯保鲜膜对油菜腐烂率的影响如图9所示。由图9可知,随着MIT含量的增加,油菜的腐烂率不断降低;随着贮藏时间的延长,油菜的腐烂率不断升高。空白保鲜膜贮藏3d后开始出现腐烂,并且贮藏9d后腐烂率显著加快,贮藏12d时油菜的腐烂率(1.36%)比贮藏9d时油菜的腐烂率(0.57%)高1.4倍;0.10% MIT/PE、0.15% MIT/PE、0.20%MIT/PE和0.25% MIT/PE包装的油菜在贮藏6d后开始出现腐烂,0.30%MIT/PE包装的油菜在贮藏9d后才开始出现腐烂,贮藏12d时,0.30%MIT/PE包装油菜的腐烂率(0.56%)比空白保鲜膜包装油菜的腐烂率(1.36%)显著降低,降低了58.82%(p<0.05)。本研究表明聚乙烯保鲜膜中添加MIT分子能明显的降低所包装保鲜的油菜的腐烂率,且添加量为0.30%时效果最显著。

图9 MIT对聚乙烯保鲜膜腐烂率的影响 Fig.9 The effect of MIT polyethylene plastic wrap on rate of decay

3 结论

本文通过向聚乙烯树脂中添加MIT分子,实现了聚乙烯保鲜膜的防霉效果。通过对保鲜膜的防霉性能、机械性能、热合强度、透光率及保鲜效果等的研究,得出如下结论:

a. MIT防霉聚乙烯保鲜膜对灰霉菌的防霉效果均达到QB/T2591-2003标准的1级水平,效果显著。

b. 随着MIT添加量的增多,拉伸强度不断增加,断裂伸长率不断降低。

c. 随着MIT添加量的增多,热合强度增强,透明度反而降低。

d. MIT防霉聚乙烯保鲜膜对油菜的保鲜效果显著,油菜叶片的黄化率和腐烂率均显著降低(p<0.05)。

e. 当MIT浓度为0.30%时,MIT防霉聚乙烯保鲜膜的物理性能和应用效果最佳。

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