可食性豆渣包裝紙膜的研究

李佩燚， 張美云， 常會(huì)軍， 張 楠， 高元申, 馬 蘭， 丁 凱

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021; 2.中國(guó)輕工業(yè)西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710048)

0 引言

目前食品包裝仍大量采用塑料包裝，然而塑料不易自然降解，塑料垃圾難以處理，因此，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已部分限制塑料包裝的使用.作為食品的“保衛(wèi)者”,食品包裝材料的質(zhì)量直接影響食品的質(zhì)量安全.為此，開發(fā)綠色、環(huán)保、安全的食品包裝材料已成為食品和包裝行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1].目前可食性包裝紙可以分為兩大類：一種是以蔬菜為主要原料，另一種是將淀粉、糖類糊化，或者將可食用的無毒纖維進(jìn)行改性并加入其它食品添加劑，從而得到一種像紙那樣薄的材料，既可以食用又可用作包裝[2].可食用膜對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康無害，能重復(fù)使用或再生利用，是一種“綠色包裝”[3,4].其成分主要以天然可食用物質(zhì)蛋白質(zhì)、多糖、脂肪為原料，通過分子間相互作用或交聯(lián)形成膜[5,6].豆渣是豆腐的加工副產(chǎn)品，豐富且廉價(jià)，用豆渣制取食用紙，是集環(huán)保、經(jīng)濟(jì)且實(shí)用于一體，解決了大豆食品加工工業(yè)中的副產(chǎn)品(豆渣)的處理與利用問題，具有較高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.利用大豆提煉的蛋白質(zhì)，制造出類似塑料的薄膜基料，與甘油、山梨醇等對(duì)人體無害的增塑劑相混合，制造成有多種用途的可食性包裝膜用于食品包裝，它們具有良好的強(qiáng)度、彈性和防潮性，有的還具有一定的抗菌消毒能力[7,8].美國(guó)農(nóng)業(yè)研究局南部地區(qū)研究中心研究開發(fā)了大豆蛋白研制可食性包裝紙.它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如既能保持水分，又能阻止氧氣進(jìn)入，還能確保脂肪類食品的原味，食用后營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，同時(shí)易于處理，完全符合環(huán)保要求.國(guó)內(nèi)張恒、譚慧子、趙玉巧、吳偉[9-12]等研究了不同工藝條件對(duì)可食性豆渣紙性能的影響，但仍存在成紙脆性較大，柔韌性差的缺點(diǎn)，因而開發(fā)出一種強(qiáng)度高、韌性好的可食性豆渣包裝紙是十分具有現(xiàn)實(shí)意義的.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑

豆渣來自于我國(guó)東北地區(qū)的某豆制品公司，豆渣先經(jīng)超微粉碎至粉狀，再利用脂肪酶、蛋白酶處理后得到纖維素含量85%的豆渣纖維，放在密封儲(chǔ)物袋中備用.羧甲基纖維素(CMC)、卡拉膠、明膠、瓊脂、魔芋葡甘聚糖(KGM)、蜂蠟、甘油、糊精均為食品級(jí).

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9053A，上海一恒科技有限公司；循環(huán)水式真空泵SHB-3，鞏義市予華儀器責(zé)任有限公司；精密增力電動(dòng)攪拌器JJ-1，上海浦東物理光學(xué)儀器廠；紙頁成型器BBS-3，德國(guó)Ernsthaage公司；鋼化玻璃板自制.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將豆渣進(jìn)行超微粉碎(超微粉碎機(jī))至100目，加水配成10%的溶液，加熱混合均勻纖維溶液，并煮沸2～3 min，使纖維充分溶脹；依次加入一定量的蜂蠟和增稠劑，攪拌10 min，以減少漿料中氣泡對(duì)成紙的影響，冷卻后加入甘油；將配制好的纖維膜液放入真空干燥箱中，將其在25 ℃真空度0.08 MPa時(shí)脫氣1～2 h；利用涂膜棒在玻璃板上緩慢涂布一層均勻的膜液，控制濕膜厚度2 mm；將涂好的膜放入60 ℃的恒溫干燥箱中，干燥4～5 h；將干燥后的纖維膜在相對(duì)濕度較高的水浴鍋鍋口處，均濕4～5 min，揭紙膜.

1.4 抗張應(yīng)力檢測(cè)

用裁紙機(jī)將膜裁成長(zhǎng)15 cm、寬1.5 cm的長(zhǎng)條，置于紙張拉力機(jī)上，讀取膜破裂時(shí)的抗拉力，δ-抗拉應(yīng)力，MPa；F-試樣破裂時(shí)的抗拉力，N；S-檢驗(yàn)前試樣的截面積，m2.試樣的抗拉應(yīng)力按下式計(jì)算：δ=F/S.

1.5 透油系數(shù)檢測(cè)

將1 mL的金龍魚調(diào)和油加入試管中，取一定面積待測(cè)紙，蓋住試管口，用皮筋扎緊，倒置于濾紙，放置2 d，稱量濾紙質(zhì)量的變化.PO-透油系數(shù)，g·mm/(m-2·d)；△W-濾紙質(zhì)量的變化，g；FT-膜厚，mm；S-紙面積，m2；T-放置時(shí)間，d，本試驗(yàn)為2 d.計(jì)算公式：

1.6 水滴漏時(shí)間檢測(cè)

將紙膜覆蓋于燒杯口上,在紙膜上滴加水后立即記時(shí),到紙膜下有第一滴水滴下為止即為水滴漏時(shí)間.

1.7 水溶解速度檢測(cè)

稱取一定量的紙膜放入30 ℃、100 mL水中，快速攪拌至溶液中無碎片為止，記錄溶解單位質(zhì)量膜所需的時(shí)間，以表示溶解速度(s/g).

1.8 折痕檢測(cè)

將紙膜對(duì)折,依據(jù)折痕嚴(yán)重與否分為5個(gè)等級(jí),級(jí)數(shù)越大,折痕越高.1級(jí)無明顯折痕,2級(jí)稍有折痕,3級(jí)有明顯折痕,4級(jí)有部分?jǐn)嗔?5級(jí)全部斷裂.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同增稠劑對(duì)成膜性能的影響

本實(shí)驗(yàn)研究了卡拉膠、明膠、羧甲基纖維素、瓊脂、魔芋葡甘聚糖、糊精等不同的增稠劑對(duì)膜液性狀的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所示.

表1 增稠劑對(duì)成膜性能的影響

由表1可知，卡拉膠、明膠、瓊脂、糊精的成膜效果差，CMC、KGM的成膜效果好.原因可能是卡拉膠、明膠在熱溶之后，冷卻過程中依靠分子結(jié)構(gòu)中的3,6-醚鍵在分子之間形成作用力非常強(qiáng)的橋鍵，發(fā)生凝固，隨著溫度的再度下降，形成冷凝膠.糊精具有黏度較低，溶解性好等優(yōu)點(diǎn)，有利于流延制膜，但隨水解程度的加深，其膜的機(jī)械強(qiáng)度逐漸減弱[13,14].瓊脂在熱溶后的冷卻過程中會(huì)依靠次級(jí)鏈形成三位立體結(jié)構(gòu)的富有彈性的凍膠[15,16].CMC、KGM能形成均勻纖維膜液而且不會(huì)隨著溫度的下降形成凝膠現(xiàn)象，在成膜過程中會(huì)形成外觀均勻、性能優(yōu)良的纖維膜.因此，本實(shí)驗(yàn)中選用CMC和魔芋葡甘聚糖為增稠劑.

2.2 CMC用量對(duì)紙膜性能的影響

CMC是紙膜成型的主要高分子材料，其加入量對(duì)膜性能有很大影響，添加量過小，膜強(qiáng)度不高，添加量過大，則膜的韌性較差[17].不同CMC用量對(duì)紙膜性能的影響如表2所示.

表2 CMC用量對(duì)紙膜性能的影響

注：豆渣2%，KGM 0.5%，蜂蠟0.5%，甘油1%.

由表2可知，隨著CMC用量的增加，紙膜的抗拉性能逐漸增強(qiáng)，這可能是因?yàn)镃MC與KGM及豆渣共同形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)均勻[16].紙膜的抗水性隨著CMC用量的增加逐漸上升，而抗油性能逐漸下降.當(dāng)CMC添加量小于0.75%時(shí)，紙膜的抗拉強(qiáng)度較低；當(dāng)CMC添加量大于0.75%時(shí)，膜的強(qiáng)度雖高但易折斷，且膜的溶解速度明顯降低.因此，當(dāng)CMC用量為0.75%時(shí)，紙膜的抗拉強(qiáng)度、折痕指標(biāo)均較好，且產(chǎn)品中氣泡較少.

2.3 豆渣用量對(duì)紙膜性能的影響

豆渣用量對(duì)紙膜性能的影響見表3所示.

表3 豆渣用量對(duì)紙膜性能的影響

注：CMC 0.75%，KGM 0.5%，蜂蠟0.5%，甘油1%

大豆膳食纖維在均質(zhì)的過程中發(fā)生末端“帚化”現(xiàn)象，形成大量游離親水性基團(tuán)，如羥基，這些基團(tuán)通過氫鍵等作用力與其他物質(zhì)相互作用，起到構(gòu)建骨架的作用，使紙膜具有致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).不同比例的纖維料液含有大豆纖維的量不同，因此所形成的膜的性能也不同.豆渣的用量對(duì)紙膜的抗張性能有較大的影響.由表3可知，隨著豆渣添加量的增加，紙膜的抗拉性能先增加后減小，其中當(dāng)豆渣的添加量為2.5%時(shí)，紙膜的抗拉應(yīng)力最大，且其他各項(xiàng)性能指標(biāo)均較好，同時(shí)，豆渣的添加量對(duì)豆渣紙膜的阻油及阻水性能影響不大，但隨著豆渣用量的增加其水溶解速度有所提升.綜上，豆渣用量2.5%時(shí)紙膜的各項(xiàng)性能較好.

2.4 魔芋葡甘聚糖用量對(duì)紙膜性能的影響

魔芋葡甘聚糖(又稱KGM)為多聚糖類生物物質(zhì),其增稠性能優(yōu)越，但因成本較高,故一般不單獨(dú)使用,需和CMC配合使用,從而降低成本.魔芋葡甘聚糖用量對(duì)紙膜性能的影響如表4所示.

表4 KGM用量對(duì)紙膜性能的影響

注：豆渣2.5%，CMC 0.75%，蜂蠟0.5%，甘油1%

由表4可知，隨著KGM用量的增加，紙膜的抗張性能先增加后降低.KGM的加入量對(duì)紙膜的抗拉強(qiáng)度影響很大，可能是由于KGM中的大量游離羥基可以和豆渣纖維的游離羥基之間形成氫鍵，增加了纖維間的結(jié)合力.當(dāng)其加入量為0.75%時(shí)抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到30.22 MPa，且其它各項(xiàng)指標(biāo)都較好.因此，KGM用量為0.75%紙膜性能較好.

2.5 甘油用量對(duì)紙膜性能的影響

甘油存在于大分子聚合鏈之間，增大了體系的自由體積，能夠削弱纖維與增稠劑分子間的次價(jià)鍵，強(qiáng)化體系中的氫鍵與分子間作用力，減少鄰近聚合鏈間的相互作用，降低彈性模量和斷裂拉伸強(qiáng)度，降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，改善紙膜的熱封性能，改進(jìn)潤(rùn)滑性能和減少摩擦，改進(jìn)紙膜的表面光澤和外觀.甘油用量對(duì)紙膜性能的影響如表5所示.

表5 甘油用量對(duì)紙膜性能的影響

注：豆渣2.5%，CMC 0.75%，KGM 0.75%，蜂蠟0.5%

甘油對(duì)紙膜的阻水、阻油性能影響較大.由表5可知，隨著甘油用量的添加，紙膜的阻水性逐漸降低；紙膜的阻油性能先增加后下降，甘油的添加量在1%到1.5%時(shí)較好.隨著甘油加入量的增大,膜的溶解速度增加，說明甘油的添加對(duì)膜的溶解速度有一定影響.當(dāng)甘油用量較小時(shí),揭膜性差、膜干燥, 甘油用量加大時(shí),雖揭膜性好,但膜較軟,且抗拉強(qiáng)度較低.故而選擇添加甘油1.5%較為適宜.

2.6 蜂蠟用量對(duì)紙膜性能的影響

蜂蠟用量對(duì)紙膜性能的影響見表6所示.

表6 蜂蠟用量對(duì)紙膜性能的影響

注：豆渣2.5%，CMC0.75%，KGM 0.75%，甘油1.5%

由表6可知，蜂蠟對(duì)紙膜的阻水性能及透油系數(shù)亦有較大的影響.隨著蜂蠟用量的增加，紙膜的阻水性能逐漸提高,透油系數(shù)也不斷降低.當(dāng)蜂蠟用量為0.5%時(shí),紙膜抗拉強(qiáng)度、溶解速度及耐折性均較好, 因而蜂蠟最佳用量為0.5%.

2.7 正交試驗(yàn)研究

以紙膜的抗拉強(qiáng)度為主要指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行L9( 34)正交試驗(yàn)，因素水平表見表7所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8所示.

表7 正交試驗(yàn)因素水平

表8 正交試驗(yàn)結(jié)果

由極差分析可知，可食性豆渣紙膜中的各種成分對(duì)可食性膜性能的影響的主次順序?yàn)椋憾乖?羧甲基纖維素> 甘油> KGM，各因素對(duì)可食性紙膜的抗拉強(qiáng)度影響差別不大，都比較顯著，說明上述四個(gè)因素均為影響可食性紙膜強(qiáng)度大小的主要因素，相對(duì)而言KGM影響最小.

綜上所述，當(dāng)豆渣用量2.5%，CMC用量0.75%、KGM用量0.75%、增塑劑甘油用量1.5%、蜂蠟用量0.5%時(shí)，所得紙膜性能最好，達(dá)到了食品包裝紙的性能要求[18].

3 結(jié)論

當(dāng)豆渣用量2.5%、CMC用量0.75%、KGM用量0.75%、甘油用量1.5%、蜂蠟用量0.5%時(shí)，所得可食性豆渣食品包裝紙性能最優(yōu)，其抗拉應(yīng)力為31.09 MPa，溶解速度為3.88 mg·s-1，透油系數(shù)為7.31 g·mm/(m-2·d)，折痕為一級(jí)，表面光滑.

以豆渣為原料通過添加增稠劑、阻油劑和阻水劑等助劑可研制可食性包裝紙膜，所得紙膜強(qiáng)度高，韌性好，達(dá)到食品包裝紙的物理性能要求，并且具有較好的抗水、抗油性能.

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