基于淀粉/壳聚糖的可降解包装膜制备及性能研究

张 璐 ， 孙建明 ， 朱亚琦 ， 杨 雪 ， 蒋云飞 ， 曹梦炫

(河南科技大学 艺术与设计学院 ， 河南 洛阳 471023)

随着生活水平的提高，人们开始注重食品多样性和食品安全，导致生活中产生了大量用于食品包装的塑料废弃物。这种废弃物不仅污染环境，其分解的微塑料还具有生物毒性和蓄积性，可以通过食物链迁移到更高级别的营养级，甚至转移到人体内，严重危害人体健康[1]。在这种背景下，人们努力研究可以替代塑料的可降解包装膜。目前，热度最高的可降解材料为生物可降解材料，它可以自然降解为二氧化碳和水，对环境不会产生任何压力；而生物可降解材料分为化学和天然可降解两大类，市面上常见的聚乳酸、聚乙烯醇等可降解材料属于化学可降解材料，不仅制备工艺复杂，而且成本较高，故更倾向于采用天然可降解材料进行薄膜的制备[2]。

本文旨在以天然可再生的高直链玉米淀粉为基材，加入壳聚糖和甘油，制备一种可生物降解的食品包装薄膜并研究其性能，不仅有利于提高食品安全性、减少环境污染，还可以提高农林副产品的附加值，实现经济发展与环境保护的双赢。

1 实验材料与仪器

1.1 实验药品

高直链玉米淀粉，食品级，山东鑫洪燕新材料有限公司；壳聚糖，脱乙酰度≥90，江苏古贝生物科技有限公司；甘油，分析纯，山东新文化工有限公司；乙酸，分析纯，冠苏实力工厂。

1.2 主要实验仪器

培养皿，90 mm，泰州市唐人康医疗器械有限公司培养皿；DKS11水浴锅，单孔300 mm×192 mm×195 mm，嘉兴市中新医疗仪器实力工厂；欧莱博FA2204B分析天平，济南程腾生物技术有限公司；CHY-CA测厚仪，济南赛成电子科技有限公司；PT-301拉伸试验机，昆山北斗精密仪器有限公司。

2 实验

2.1 实验原理

甘油的增塑效果最佳，以高直链玉米淀粉、壳聚糖为基材，甘油为增塑剂制备可降解包装薄膜[3-4]。在薄膜中，淀粉与壳聚糖以分子间氢键的形式结合，甘油在分子间充当润滑剂[5-6]。

2.2 实验方法

淀粉/壳聚糖膜液的制备流程见图1。

采用溶液流延法制备淀粉/壳聚糖薄膜。先静置膜液，待气泡消除后，将一定量的膜液倒入已均匀涂抹脱膜剂的培养皿中流延；再将培养皿放在干燥箱中干燥，干燥后将薄膜从培养皿上剥离，在室温下放置24 h后，进行性能测定[7]。

图1 淀粉/壳聚糖膜液的制备方法

3 测定项目

对制备薄膜的厚度、断裂伸长率、疏水性等物理性能进行测试，并选择10位研究员对薄膜进行感观评价。

3.1 淀粉/壳聚糖薄膜物理性能测定

3.1.1厚度测定

将薄膜裁剪成10 cm×10 cm的正方形后，用测厚仪对其四个顶点及中间的厚度进行测定，计算平均值作为薄膜厚度。

3.1.2断裂伸长率测定[8]

将薄膜裁剪成10 cm×3 cm的长条后，夹在拉伸试验机上，调节速度和拉力，读取试验机两侧刻度示数，开始试验至薄膜断裂，再次读取试验机两侧刻度，计算公式如(1)所示。

(1)

式中：E为断裂伸长率，%；L0为测量夹距，mm；L为试样断裂后长度，mm。

3.1.3渗水时间测定[9]

将薄膜裁剪成直径为30 mm的圆形，置于锥形瓶的瓶口，取1 mL的蒸馏水置于薄膜表面，记录下第一滴水渗透薄膜滴入锥形瓶的时间WPT(min)。

3.2 单变量试验设计

以玉米淀粉(5 g)为主要原料，壳聚糖含量、干燥温度、干燥时间为试验变量，设置12个试验，对薄膜的各项性能进行测定。

4 结果与分析

4.1 感官评价

由10位研究员对薄膜的色泽、味道、柔韧性进行评价，评价标准见表1。

表1 淀粉/壳聚糖可生物降解薄膜感官评价标准

4.2 单变量实验结果与分析

由于淀粉/壳聚糖薄膜具有亲水性，在渗水时间测定实验时，薄膜中淀粉分子与壳聚糖分子间的氢键会受到水分子的吸引而被夺去一部分氢键，导致薄膜结构疏松发生分解，无法测定具体渗水时间。在60 ℃，干燥13 h的条件下，壳聚糖含量对薄膜性能的影响见表2。

表2 壳聚糖含量对薄膜性能的影响

由表2可以看出，随着壳聚糖含量的增加，薄膜的断裂伸长率先增大后减小。壳聚糖与淀粉分子间作用力可以提高薄膜断裂伸长率，但壳聚糖含量超过0.4 g/(g淀粉)时，断裂伸长率开始减小，因为壳聚糖含量增加会提高薄膜中淀粉的结晶度[10]。此外，壳聚糖具有亲水性，壳聚糖含量越高，薄膜疏水性越差。因此，0.4 g/(g淀粉)的壳聚糖含量最佳。

4.3 壳聚糖含量对薄膜透明性能的影响

4.3.1干燥温度对薄膜性能的影响

在壳聚糖含量为0.4 g/(g淀粉)、干燥13 h的条件下，干燥温度对薄膜性能的影响见表3。

表3 干燥温度对薄膜性能的影响

由表3可知，随着干燥温度的升高，薄膜的断裂伸长率先增大后减少。当干燥温度低时，薄膜难以完全干燥，出现四周干燥、中间未干的现象；当干燥温度为80 ℃时，薄膜边缘会产生焦化卷曲现象。因此，60 ℃的干燥温度最佳。

4.3.2干燥时间对薄膜性能的影响

在壳聚糖含量为0.4 g/(g淀粉)、60 ℃干燥的条件下，干燥时间对薄膜性能的影响见表4。

表4 干燥时间对薄膜性能的影响

由表4可知，随着干燥时间的增加，薄膜的断裂伸长率先增大后减小。因为在一定温度下，较长时间的干燥有利于增强淀粉的分子间作用力，使淀粉结构紧密有序，薄膜的断裂伸长率增大;干燥时间过长，会使淀粉分子间作用力过强，分子链段不容易滑动，薄膜断裂伸长率减小[9]。因此，13 h的干燥温度最佳。

5 结论

本文通过流延成膜法成功制备了淀粉/壳聚糖可生物降解包装薄膜，在壳聚糖含量为0.4 g/(g淀粉)、60 ℃干燥13 h的条件下，薄膜性能最佳，无色透明、韧性好、均匀光滑、边缘不卷曲、无异味，具有作为薯片、雪米饼、虾条等膨化食品内外包装材料的潜在应用价值，对后续淀粉基可生物降解薄膜的研究及应用具有一定的参考意义。