聚乙烯醇為載體的吸濕塑料軟包裝技術

王鳳仙，楊福馨

（上海海洋大學，上海 201306）

0 前言

常見的食品防潮包裝是將裝有干燥劑的小包裝和食品同時置于食品袋中，防止食品變質(zhì)。此類包裝在兒童食品的包裝中最為常用。干燥劑可能導致兒童和老人誤食，影響人身安全。吸濕性包裝材料取代干燥劑可以使食品的可食部分增加，節(jié)省資源［1］。

聚乙烯醇（PVA）具有較好的化學穩(wěn)定性、成膜性和親水性。有關PVA 薄膜的滲透性和應用已有研究報道［2－6］。筆者采用PVA 為原料制備具有吸濕性的薄膜，并研究該薄膜的吸濕性能和力學性能等。

1 實驗

1.1 材料

PVA 17－99，上海美夢佳化工科技有限公司；甘油 分析純，國藥集團化學試劑有限公司；甲基纖維素 化學純，市售。

1.2 儀器設備

GZX－GF 101－3－S－Ⅱ電熱恒溫鼓風干燥箱，上海賀德實驗設備有限公司；DF－101S集熱式磁力攪拌器，鞏義市科瑞儀器有限公司；WGT－S透光／霧度測定儀，上海精科儀器有限公司；DCP－K 2300電腦測控抗張試驗機，四川長江造紙儀器有限責任公司；PERMATRAN－W1／5 水蒸氣透過率測試儀，美國膜康有限公司；JA－B分析天平，上海越平科學儀器有限公司。

1.3 吸濕薄膜的制備

將一定量的成膜原料溶于純水中，在一定溫度下攪拌溶解30min，根據(jù)需要加入一定量的助劑，并不斷攪拌得到膠體，然后流涎成膜，烘箱風干，干燥待用。

1.4 吸濕薄膜的性能測試

1.4.1 薄膜厚度

在需測定的薄膜上任取5個點，用薄膜厚度測定儀測定薄膜厚度，測試結果取其平均值。

1.4.2 薄膜的抗張強度與伸長率［7］將薄膜剪切成15mm×120mm 的長條狀，通過電腦測控抗張試驗機測試抗張強度和伸長率。設定夾距50mm，速度500mm／min。

1.4.3 薄膜的透光度和霧度［8］

每個樣品測試5次，測試結果取其平均值。

1.4.4 薄膜的吸濕性能

將樣品在60 ℃的烘箱中烘至恒重，稱取2g（精確稱量至0.001g），操作盡量迅速，操作環(huán)境相對濕度50%。吸濕率按式（1）計算：

式中：Q 為某一時刻的吸濕量，g／g；m1為樣品干燥時的質(zhì)量，g；m2為吸濕后樣品的質(zhì)量，g。

1.4.5 薄膜水蒸氣透過率

按ASTM E 398［9］測定，相對濕度100%，溫度37.8℃。膜的測試模式continuous，測試時相對濕度50%。

2 結果與分析

2.1 吸濕薄膜成膜材料的選擇

PVA 是一種多羥基水溶性聚合物，具有良好的綜合性能，可完全生物降解。表1是國內(nèi)PVA樹脂系列產(chǎn)品的技術指標。PVA 17－99產(chǎn)品的聚合度高，醇解度較大，黏度和純度也高，適合制備吸濕薄膜。

表1 國內(nèi)PVA樹脂系列產(chǎn)品技術指標［10］

2.2 聚乙烯醇對薄膜性能的影響

分別于100mL 蒸餾水中，加入1、3、5、7.9g PVA17－99顆粒，配制成PVA 膠液，然后流涎成膜，取出后，測試薄膜的性能。加入1g PVA 的膠液黏度較低，在流涎成膜時容易向邊緣移動，在分析時不予討論。表2是PVA 對薄膜的光學性能和力學性能的影響。由表2可見：透光率隨著PVA的質(zhì)量增加而增大，而霧度則相反。純PVA 薄膜的抗張強度較大，但伸長率很低，薄膜較脆，不易加工。

表2 PVA對薄膜性能的影響

2.3 甘油對薄膜性能的影響

于100mL 蒸餾水中，加入7g PVA17－99顆粒，配制成PVA 膠液，加入不同體積的甘油配制成膜液，并流涎成膜。表3為增塑劑甘油對薄膜性能的影響。圖1為甘油對薄膜力學性能的影響。由表3和圖1可見：甘油對PVA 的力學性能影響較大。添加0.1mL甘油對薄膜的性能改變較小，表現(xiàn)出純PVA 薄膜的表面特性，呈現(xiàn)脆和堅硬，不利于加工。大于0.2 mL 甘油制備的薄膜開始呈現(xiàn)有彈性。但是當甘油的添加量大于0.8mL 時，薄膜在剝離時卻發(fā)生卷曲，甚至黏連。

表3 增塑劑對薄膜性能的影響

圖1 甘油對薄膜力學性能的影響

2.4 甲基纖維素對薄膜性能的影響

甲基纖維素（MC）是常用的改性纖維素之一。它的部分羥基轉(zhuǎn)變成疏水基團，削弱了氫鍵，降低了結晶度，增加了水溶性［11－12］。

于100mL 蒸餾水中，加入0.8mL 甘油、7g PVA17－99顆粒，配制成PVA 膠液。在成膜液中添加MC后，溶液的黏度增加；但添加過多，溶液成為凝膠液，且不易消泡。表4為甲基纖維素對薄膜性能的影響。由表4可見：MC 對薄膜霧度的影響較大。圖2為甲基纖維素對薄膜力學性能的影響。由表4和圖2可以看出：當MC 0.18g時，薄膜的力學性能較好。

2.5 薄膜水蒸氣透過率與吸濕性能

薄膜的水蒸氣透過率和吸濕率，如圖3所示。由圖3可知：當MC 0.18g時，薄膜的透氣量和吸濕率較高。這可能是MC 用量在一定范圍內(nèi)，PVA 和MC在水溶液和固態(tài)下呈現(xiàn)良好的可混合性，且隨著混合液中MC量增加，PVA／MC 薄膜的吸水速率和保水性能逐漸提高［13］。

表4 甲基纖維素對薄膜性能的影響

圖2 MC對薄膜性能的影響

圖3 MC對薄膜的透氣量和吸濕率的影響

3 吸濕性塑料軟包裝應用實例

吸濕性塑料軟包裝就是在包裝內(nèi)層表面涂覆了高分子吸濕性塑料，具有包裝內(nèi)水分平衡與調(diào)節(jié)的功能。

水分是影響食品質(zhì)量的重要因素之一。水是一切生物體生命活動不可缺少的成分，微生物需要一定的水分才能進行一系列正常代謝。如果水分控制不好，很容易造成微生物生長，影響食品的質(zhì)量。許多食品的化學變化也與水分有關，例如淀粉老化、脂肪酸敗、蛋白質(zhì)變性和褐變等。因此，食品包裝的阻隔性對于食品的質(zhì)量有相當重要的關系。

阻隔性是食品包裝中重要的性能之一。很多食品在貯藏與包裝中，由于阻隔性差，使食品的風味和品質(zhì)發(fā)生變化，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了滿足食品包裝的阻隔性要求，一般都是通過包裝材料來實現(xiàn)的。因此，具有吸濕功能的薄膜應運而生。

吸濕材料的吸濕動力來自于水的擴散。擴散的本質(zhì)是材料內(nèi)部與表面存在滲透壓。

Y.Diamant等研究認為：水分子向聚合物的內(nèi)部擴散過程主要受兩個因素控制：一個是聚合物網(wǎng)絡結構中與水分子尺寸相仿的微孔；另一個是水分子和聚合物之間的吸引力。聚合物網(wǎng)絡結構中的微孔是由材料的結晶度、交聯(lián)密度、分子鏈的韌性以及非晶態(tài)的堆積密度決定。水分子和聚合物之間的吸引力由聚合物的性質(zhì)決定。含有羧基、羥基、酰胺基等親水基團的聚合物的親水能力強，有利于水分子的吸附?？傊?，如果想改變材料的吸濕特性可以從兩個方面著手：一是材料表面的微孔；二是材料分子中的親水性基團。

高分子保水材料利用高分子樹脂將水分長時間保存在其體內(nèi)，并在一段時間內(nèi)保持水分的平衡。當外界水分低于體內(nèi)水分時，農(nóng)產(chǎn)品或包裝材料載體會釋放出一定水分到周邊環(huán)境中；而當環(huán)境水分高于包裝內(nèi)產(chǎn)品水分，包裝材料將吸收水分，高分子吸濕材料載體使包裝內(nèi)保持一定的濕度。

吸濕性塑料軟包裝具有如下功能：

（1）自動調(diào)節(jié)產(chǎn)品維持生命所需的水分；（2）消除包裝內(nèi)表面的水分，消除露珠和水霧；（3）阻止微生物的潛入；（4）提高軟包裝的透明度。

利用吸濕性塑料軟包裝對鮮生姜進行保鮮包裝試驗，試驗取得了很好的效果，能夠使去皮的生姜保鮮兩個月。兩個月后，去皮的生姜不但不腐爛，反而長出新芽。由此可見，吸濕性塑料軟包裝具有獨特的功能。

4 結論

（1）添加增塑劑甘油后，薄膜的抗張強度隨著甘油添加量的增加而降低；伸長率卻隨著甘油添加量的增加而增大。當甘油添加量超過一定限度后，會出現(xiàn)滲析現(xiàn)象。

（2）甲基纖維素不僅增強了薄膜的力學性能，同時也可以防止薄膜卷曲。

（3）生產(chǎn)吸濕薄膜的適宜工藝參數(shù)：每100 mL純水中，PVA 7g，增塑劑甘油0.8mL，甲基纖維素0.18g。

（4）吸濕性塑料軟包裝應用于生姜保鮮具有良好的效果，能夠使去皮的生姜保鮮兩個月，在包裝內(nèi)自動調(diào)節(jié)生姜維持生命所需的水分。

［1］王偉偉，楊福馨，胡安華.包裝產(chǎn)業(yè)的低碳技術研究與應用［J］.包裝學報，2010，2（4）：42－45.

［2］KUSHWAHA V B.Permeation of molecules through different polymeric membranes［J］.Journal Appled Polymer Science，1999，74（14）：3469－3472.

［3］YEOM C K，LEE K H.Pervaporation separation of water－acetic acid mixtures through pol（vinylalcohol）membranes crosslinked with glutaraldehyde［J］.Journal of Membrane Science，1996（109）：257－265.

［4］AMANDA A，KULPRATHIPANJA A，TOENNESEN M，et al.Semicrystalline poly（vinylalcohol）ultrafiltration membranes for bioseparations［J］.Journal of Membrane Science，2000（176）：87－95.

［5］GUDEMAN L F，PEPPAS N A.pH－sensitive membranes from poly（vinylalcohol）／poly（acrylicacid）interpenetrating networks［J］.Journal of Membrane Science，1995（107）：239－248.

［6］HICKEY A S，PEPPAS N A.Mesh size and diffusive characteristics of semicrystalline poly（vinylalcohol）membranes prepared by freezing／thawing techniques［J］.Journal of Membrane Science，1995（107）：229－237.

［7］HATSUYAMA H，TERAMOTO M，URANO H.Analysis of solute diffusion inpoly（vinylalcohol）hydrogel membrane［J］.Journal of Membrane Science，1997（126）：151－160.

［8］ASTM 2009，Designation D 882－09：Standard test method for tensile properties of thin plastic sheeting［S］.

［9］ASTM E－398—2003，Standard test method for water vapor transmission rate of sheet materials using synamic relative humidity measurement［S］.

［10］潘則林，王才.水溶性高分子產(chǎn)品應用技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010：330.

［11］PARK J S，PARK J W，RUCKENSTEIN E.Thermal and dynamic mechanical analysis of PVA／MC blend hydrogels［J］.Polymer，2001，42（9）：4271－4280.

［12］潘旭琳，卞雪，曹龍奎.豆渣可食性膜的制備及性能研究［J］.包裝工程，2011，32（11）：34－37.

［13］張克宏，杜俊娟.PVA／MC 納米纖維膜的制備與吸水性、保水性研究［J］.化工時刊，2008，22（10）：16－20.