玉米苞叶膳食纤维制备可食性包装纸膜的研究

2022-07-25肖艳莫琪王希越黎怡杉黄丽婕

当代化工研究 2022年13期

关键词：苞叶蜂蜡成膜

＊肖艳莫琪王希越黎怡杉黄丽婕*

（1.广电计量检测（南宁）有限公司广西 530000 2.广西大学轻工与食品工程学院广西 530004）

本文旨在充分利用玉米苞叶资源，并用卫生安全的工艺制备可食性包装纸膜[1-2]。综合目前对包装材料的环保要求，采用食品级的成膜剂，制备出一种力学性能优异、绿色环保的可食性包装材料。

1.实验部分

(1)材料

玉米苞叶粉末（自制）；α-淀粉酶，酶活力≥10 万U/g，南宁东恒华道生物科技有限公司；胰蛋白酶，酶活力≥10万U/g，北京索莱宝科技有限公司；HCl，0.01mol/L，实验室配制；碘液，浓度5%，山东临沂永安化验室；茚三酮，分析纯，成都市科龙化工试剂厂；羧甲基纤维素CMC，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；海藻酸钠，食品级，青岛明月海藻集团有限公司；白蜂蜡，分析纯，上海麦克林生物化学有限公司；甘油，分析纯；溴化钾，色谱纯，以上均来自天津市致远化学试剂有限公司。

(2)仪器

电热恒温鼓风干燥箱，DGG-9053AF，上海森信实验仪器有限公司；数显恒温水浴锅，HH-S，常州普天仪器制造有限公司；超声波清洗器，XC-1000C，济宁鑫欣超声电子设备有限公司；电子万能材料试验机，3367，美国英斯特朗公司；扫描电镜，PHENOM WORLD Pro，美国FEI公司；X射线衍射仪，MiniFlex 600，北京嘉德利达科技有限公司；吕克士接触角测量仪，DSA100，德国KRUSS公司；傅里叶红外光谱仪，TENSEOR27型，德国Bruker公司。

(3)膳食纤维的制备

①工艺流程。玉米苞叶→60℃烘干→粉碎，过60目筛→α淀粉酶、胰蛋白酶酶解→酸解→漂洗至中性→抽滤→干燥→研磨→过120目筛→膳食纤维[3]。

②酶处理。称取50.00g干燥的玉米苞叶粉末，加入蒸馏水至液面高于混合物3～5mm。然后在60℃恒温水浴锅中保温30min，随后加入α-淀粉酶0.30g搅拌3min，反应120min。反应完成后，滴碘液，检测淀粉是否残留，若有残留，需继续酶解。再降温至37℃，加胰蛋白酶0.30g搅拌3min，恒温反应150min。反应完成后，滴茚三酮，检测蛋白质是否除尽，若未除尽，需继续酶解。

③化学处理。在1.3.2所得的反应底物中加入10mL盐酸溶液，80℃恒温水浴反应90min。反应完成后，将反应底物完全移入过滤袋，自来水漂洗3min，蒸馏水漂洗3次。取最后一次漂洗液测其pH值，pH值若为7则漂洗结束，反之，则继续漂洗至反应底物为中性。

将过滤所得膳食纤维放于烘箱中105℃烘干，而后用粉碎机粉碎，再过120目筛，最后装袋密封保存[4]（下文提到的膳食纤维均指经此处理的膳食纤维）。

(4)膜的制备

①工艺流程。膳食纤维→水化→均质→煮沸→添加辅料 →超声脱气→涂膜→干燥→恒湿恒温处理→揭膜→成品。

②操作方法。取1g膳食纤维，加入40g蒸馏水，磁力搅拌15min得到均匀的混合液，加热煮沸3min，冷却后加入1.5%的蜂蜡和3.0%的成膜剂（CMC:海藻酸钠质量比=1:2）[5-6]，搅拌均匀。再冷却后加入2.5%的甘油[7]，机械搅拌至均匀分散，添加剂溶解完全[8]。

将膜液在超声清洗器中超声脱气30min[9]，倒入聚四氟乙烯模具，湿膜的厚度控制在2mm。60℃恒温干燥2h，再在自然状态下干燥。干燥后的纤维膜在标准条件下恒湿恒温处理24h，揭膜，密封袋保存备用。

(5)结构表征

①扫描电镜。将1.4中最佳成膜方案制得的样品膜（以下称为样品膜）在标准条件下进行恒温恒湿处理24h。选取少许样品使用扫描电镜观察其形貌特征。

②傅里叶红外光谱。将样品膜放入鼓风干燥箱中60℃烘干到绝干，粉碎后过100目。将样品膜粉末压片后放入傅里叶红外光谱仪测量。

③X射线衍射光谱。取适量的1.5.2中过100目的样品膜粉末放进试样架，用X射线衍射仪测定。

④力学性能。将样品膜裁剪成60mm×25mm（长×宽）的样条，使用电子万能材料试验机测试，测试速率为5mm/min，测量3次取平均值。

2.结果与讨论

(1)制备工艺研究

①料液比。由李佩燚等[10]的研究可知，玉米苞叶膳食纤维在均质过程中可能会形成羟基等游离亲水基团，其通过氢键与其他物质相互作用构建骨架。不同料液比的纤维料液所含纤维的量不同，制得的膜的性能也会不同。

由图1（a）可知，定量选取1g膳食纤维，配以不同质量的蒸馏水，所制得的纸膜力学性能有显著差异。拉伸强度及弹性模量随蒸馏水比例增大而增大，料液比1:40时为最大值。当蒸馏水的配比继续增加时，亲水基团构建的基本骨架变得稀疏，大大降低纸膜的力学性能。

②成膜剂（CMC与海藻酸钠）的组成比例。由谭惠子等[11]对食用膜的研究可知，成膜剂可以通过氢键与其他物质相互作用形成致密的网络结构，辅助构架可食性包装纸膜。

分析图1（b）可知，成膜剂比例对纸膜拉伸强度的影响不大，但对弹性模量有较大影响。当CMC:海藻酸钠的质量比为1:2时，弹性模量的数值显著增大，为折线峰值。

③成膜剂用量。分析图1（c）可知，成膜剂用量对纸膜力学性能的影响较大。其中拉伸强度随着成膜剂用量的增加缓慢增加，但增幅不大，弹性模量随着成膜剂用量的增加而出现较大波动，成膜剂用量3%时弹性模量有最大值，因此成膜剂最佳用量在3%。

④蜂蜡用量。蜂蜡能与纤维形成稳定的乳化液，均匀地分布在纸膜形成的网络结构中，对纸膜的阻隔性、溶解性和抗菌性有影响[12]。

分析图1（d）可知，蜂蜡用量对纸膜力学性能影响较小。随着蜂蜡用量的增加，拉伸强度增加不明显，弹性模量有明显增大。当蜂蜡的添加量增加到1.5%后，继续增大用量，纸膜在干燥过程中会有少量蜂蜡析出，影响纸膜平整。

⑤甘油用量。甘油游离在大分子聚合链之间，减弱邻近聚合链间的相互作用，薄膜热封性能、润滑性能、表面光泽、外观得到改善[13]。

分析图1（e）可知，甘油用量不同对纸膜的力学性能有一定影响。随着甘油用量的增加，纸膜的力学性能先是有一定增强，随后逐渐降低。选定较为偏中的2.5%为甘油的最佳添加量，此时能得到较好的膜的表面光泽和平滑度，既增加膜的韧性，又不会使拉伸强度和弹性模量降低太多。

图1 各因素对纸膜力学性能的影响

(2)可食性包装纸膜结构表征

①扫描电镜。由图2（a）发现膜表面有块状或片状固体颗粒物，这是添加成膜剂以及蜂蜡时溶解不充分及搅拌不均匀导致的。而超声脱气过程中没有完全去除液体里的气泡导致圆形孔洞的出现。

观察放大后的图2（b）可发现膜主要由膳食纤维构成基本骨架，周围的空隙被成膜剂和蜂蜡填充。对纸膜进行克吕士接触角测量，测得接触角平均值θ=121.4°＞90°，说明纸膜表面疏水，验证扫描电镜所观察到的表面结构。

②傅里叶红外光谱。如图3所示，该纸膜在3431cm-1有一个较宽的吸收峰，这是膳食纤维上-OH的伸缩振动引起的[14]。在2919cm-1和2848cm-1有纤维素-CH键的特征吸收峰。在1674cm-1有纤维素的羰基吸收峰。在1044cm-1和1461cm-1的吸收峰以及923cm-1到721cm-1的吸收峰为面外的-CH弯曲振动。从谱图中可以看出纸膜的官能团种类基本上是纤维及添加剂中的官能团，表明在纸膜制备过程中并未改变原料的基本化学结构。