添加白腐菌纖維制備食品包裝紙初探

張冬玉 王彩艷 張譚昊 沈子棟 許士玉

摘要：通過(guò)培養(yǎng)白腐菌得到成片的白腐菌菌絲，對(duì)菌絲進(jìn)行堿處理后用高速分散均質(zhì)機(jī)打散得到白腐菌纖維，將白腐菌纖維添加到植物纖維中混合抄造食品包裝紙，研究白腐菌纖維對(duì)紙張性能的影響。結(jié)果表明，白腐菌纖維與植物纖維混合抄造的紙張物理強(qiáng)度明顯提高，當(dāng)白腐菌纖維添加量為048 g/2 g絕干漿時(shí)，紙張的物理強(qiáng)度提高最大，其中抗張指數(shù)提高了796%，耐破指數(shù)提高了1489%；白度稍有下降；紙張具有一定的疏水性。白腐菌纖維含有疏水蛋白，且在植物纖維間起到搭橋和填充的作用，可以作為食品包裝紙的增強(qiáng)纖維。

關(guān)鍵詞：白腐菌纖維；混合抄片；疏水蛋白；食品包裝紙

中圖分類號(hào)：TS722文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：1011980/jissn0254508X201807006

Abstract：Through cultivation of white rot fungi the flaky fungal hyphae was obtained， the fungal hyphae was separated with a high speed homogenizer after alkali treatment then mixed with the pulp to prepared a sheet The effect of fungal fiber on the properties ofthe sheet was studied The physical strength of the paper obtained by mixing the fungal fiber with the vegetable fiber increased significantly， and the physical strength of the paper increased the most when the fungal fiber was added 048 g （oven dried） based on 2 g oven dried pulp Tensile index of the paper increased by 796% percent， bursting index increased by 1489%， whiteness decreased slightly， and the paper showed a certain hydrophobicity mainly due to the fungal fiber which contains hydrophobic protein and played a bridging and filling role between plant fibers

Key words：fungal fiber； mixed sheet； hydrophobin； food wrapping paper

近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高和對(duì)食品安全的重視，“綠色包裝”的概念得到了大眾的普遍認(rèn)可。尤其在食品包裝領(lǐng)域，由于以石油為原料的食品包裝材料存在難降解、受熱易產(chǎn)生危害人體健康的物質(zhì)及易造成“白色污染”的缺點(diǎn)，使其在包裝領(lǐng)域的發(fā)展受到限制。紙包裝制品因具備可重復(fù)使用，可回收再利用及易降解等優(yōu)點(diǎn)獲得國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的認(rèn)可[1]。食品包裝紙作為包裝材料應(yīng)具備相應(yīng)的機(jī)械性能和生物性能等[2]。為了滿足這些性能，通常在抄紙過(guò)程中添加鄰苯二甲酸酯類增塑劑。然而，鄰苯二甲酸酯類增塑劑在溫度較高的環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生鄰苯二甲酸酯類，該酯類具有毒性，若溶解到食物中去，會(huì)使食物對(duì)人體造成危害[34]。桂玉梅[5]在食品包裝紙包裝的食品中鄰苯二甲酸酯類增塑劑測(cè)定的研究中發(fā)現(xiàn)，雖然鄰苯二甲酸酯類的含量大部分合格，但仍有部分超標(biāo)。此外，施膠劑等化學(xué)品，在給人體健康帶來(lái)隱形危害的同時(shí)也不利于使用后的降解[6]。所以采用天然無(wú)害的白腐菌纖維與植物纖維配抄生產(chǎn)的食品包裝紙來(lái)替代含有增塑劑的食品包裝紙，具有很好的研究和實(shí)用價(jià)值。

有研究發(fā)現(xiàn)[7]，白腐菌在培養(yǎng)基作用下，會(huì)產(chǎn)生條形纖維狀菌絲。白腐菌菌絲均為微米級(jí)，無(wú)毒，成纖維狀且粗細(xì)均勻，故稱為白腐菌纖維。白腐菌纖維結(jié)構(gòu)中C的化學(xué)位移與細(xì)菌纖維素相似，含有Iα、Iβ晶型纖維素和非晶體化合物，白腐菌纖維的結(jié)晶程度與楊木纖維相似，菌絲形態(tài)呈現(xiàn)纖維狀并具有清晰精細(xì)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度使其在增強(qiáng)聚合物方面有一定的應(yīng)用。由于其無(wú)毒、可降解，又具有增強(qiáng)聚合物功能，或許可以作為食品包裝紙的增強(qiáng)纖維。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)用液體培養(yǎng)方法培養(yǎng)白腐菌菌絲，該方法與普通固體培養(yǎng)方法相比，具有培養(yǎng)時(shí)間快、得率高、便于處理、可以根據(jù)需要控制其生長(zhǎng)期而得到不同特征菌絲的優(yōu)點(diǎn)。將培養(yǎng)得到的菌絲分散后的白腐菌纖維與針葉木混合抄紙，探究白腐菌纖維在食品包裝紙制備方面的研究?jī)r(jià)值。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

11材料

白腐菌，購(gòu)自廣東微生物菌種保藏中心；馬鈴薯葡萄糖瓊脂粉末（PDA），購(gòu)自北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；真菌液體培養(yǎng)基粉末，購(gòu)自北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；漂白針葉木漿板，取自牡丹江恒豐紙業(yè)有限公司；乙醇，分析純；氫氧化鉀（KOH），分析純。

12實(shí)驗(yàn)方法

121培養(yǎng)基的處理

稱取適量的PDA和真菌液體培養(yǎng)基粉末分別與一定量的蒸餾水混合，分裝進(jìn)錐形瓶，瓶口加塞棉塞并包上牛皮紙，在121℃、01 MPa的高壓滅菌鍋中滅菌20～25 min，備用。

122菌種的活化

將保存的白腐菌菌種接種到PDA平板培養(yǎng)基上，于28℃下培養(yǎng)6天，挑取強(qiáng)壯菌絲的前端，再次接種于PDA平板培養(yǎng)基上，28℃下培養(yǎng)6天。

123菌種的接種

取一支裝有白腐菌的斜面試管，使用滅過(guò)菌的接種環(huán)沾取一環(huán)白腐菌接種于培養(yǎng)基上，塞上棉塞。按照上述操作再分別接種9只錐形瓶。

124菌種的培養(yǎng)

將接種好的液體培養(yǎng)基置于恒溫培養(yǎng)箱中28℃培養(yǎng)9～13天[8]，待長(zhǎng)出一層白色菌絲后，置于冰箱中使其休眠，保存?zhèn)溆谩?/p>

125白腐菌纖維的制備

將生長(zhǎng)成熟的白腐菌取出浸泡于04 mol/L的KOH溶液中15天左右，期間更換3次堿液。直到菌絲成乳白色，堿液不再變黃則可結(jié)束浸泡。將浸泡好的白腐菌纖維用去離子水洗至中性，將大片的白腐菌纖維膜撕成小塊用FJ200高速分散均質(zhì)機(jī)在20000 r/min下均質(zhì)30 min后備用。分散后的菌液成乳狀液，在顯微鏡下可看到分散的細(xì)長(zhǎng)纖維狀的菌絲。

126紙張的抄造

將漂白針葉木漿板撕成小塊后在水中浸泡一定時(shí)間，然后進(jìn)行疏解、打漿、脫水（打漿度175°SR），置于冰箱中平衡水分 24 h 后，測(cè)定紙漿水分，待用。

將分散成漿的白腐菌纖維按不同比例與2 g絕干針葉木漿混合抄片（使用ZCX200紙頁(yè)成型器），定量（60±3）g/m2。

13 分析方法

131物理性能的檢測(cè)

紙張各項(xiàng)物理性能均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定。定量測(cè)定按GB/T 4512—2002進(jìn)行；白度測(cè)定按GB/T 89402—2002進(jìn)行；抗張強(qiáng)度測(cè)定按GB/T 12914—2008（恒速拉伸法）進(jìn)行；耐破指數(shù)測(cè)定按GB/T 454—2002進(jìn)行。

132掃描電子顯微鏡（SEM）分析

采用美國(guó)FEI公司的QUANTA200型掃描電子顯微鏡觀察添加白腐菌纖維紙張與未添加白腐菌纖維紙張的微觀形貌結(jié)構(gòu)。試樣進(jìn)行噴鉑處理。

133紅外光譜測(cè)定

用美國(guó)尼高力公司的MAGNA560傅里葉紅外光譜儀測(cè)定添加白腐菌纖維紙張的紅外光譜圖。采用溴化鉀壓片法（試樣與溴化鉀的質(zhì)量比為1∶100），波數(shù)范圍為400～4000 cm-1。

134接觸角測(cè)量

采用Data Physics公司的OCA20型視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量添加白腐菌纖維紙張的接觸角，以表征紙張的疏水性。

2結(jié)果與討論

21白腐菌纖維添加量對(duì)紙張白度的影響

紙張白度是紙張的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。在2010年12月1日實(shí)施的GB/T 24999—2010《紙和紙板亮度（白度）最高限量》中，對(duì)相關(guān)紙和紙板亮度（白度）的最高限量進(jìn)行了規(guī)定，其中食品包裝紙和紙板的亮度（白度）最高限量為85%。

從圖1可以看出，隨著白腐菌纖維添加量的增多，紙張白度逐漸降低。這是因?yàn)榘赘w維中含有蛋白質(zhì)，在紙張干燥過(guò)程中，蛋白質(zhì)受熱變性發(fā)黃造成紙張白度的降低。有研究提出，紙張白度只要符合使用功能即可。因此，這種白度的降低不影響食品包裝紙的白度需求。

22白腐菌纖維添加量對(duì)紙張抗張強(qiáng)度和耐破度的影響

紙張抗張強(qiáng)度和耐破度受纖維自身性質(zhì)以及纖維間結(jié)合強(qiáng)度的影響[11] 。圖2和圖3分別是白腐菌纖維添加量與紙張抗張指數(shù)和耐破指數(shù)的關(guān)系。

圖2白腐菌纖維添加量與抗張指數(shù)的關(guān)系圖3白腐菌纖維添加量與耐破指數(shù)的關(guān)系從圖2和圖3可以看出，紙張抗張指數(shù)和耐破指數(shù)隨著白腐菌纖維添加量的改變其變化趨勢(shì)基本相同：均先隨著白腐菌纖維添加量的增加先增加，達(dá)到最大值后呈下降的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)檫^(guò)多的白腐菌纖維會(huì)引起纖維的聚集，從而使纖維與纖維之間的結(jié)合變得不緊密，故而產(chǎn)生紙張強(qiáng)度出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。但下降后的紙張強(qiáng)度仍比未添加白腐菌纖維的紙張強(qiáng)度要高，因此，在總體上說(shuō)白腐菌纖維的添加有利于提高紙張的物理強(qiáng)度。在圖2中最大抗張指數(shù)為343 N·m/g，圖3中最大耐破指數(shù)為260 kPa·m2/g，高于食品包裝紙國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QB/T 1014—2010中Ⅱ型普通食品包裝紙中一等品要求的抗張指數(shù)（314 N·m/g）和耐破指數(shù)（200 kPa·m2/g）；此時(shí)，紙張抗張指數(shù)為未添加白腐菌纖維紙張的180倍，提高了796%；耐破指數(shù)為未添加白腐菌纖維紙張的249倍，提高了1489%。因此，白腐菌纖維的最佳添加量為048 g白腐菌纖維/2 g絕干紙漿。

23SEM分析

與白腐菌纖維對(duì)比（×3000）從圖4、圖5可以看出，未加白腐菌纖維的紙張表面纖維稍微松散，孔隙較多，而添加白腐菌纖維的紙張表面纖維交織較為細(xì)密，孔隙較少。這是因?yàn)榘赘w維本身很細(xì)小，填充在植物纖維之間，填補(bǔ)了纖維之間的孔洞（圖5中圈1所示）；或者吸附在植物纖維表面，因其形態(tài)相對(duì)細(xì)長(zhǎng)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)，起到了搭橋的作用（圖5中圈2所示）。白腐菌纖維上的氫鍵被打開后，其分子鏈上游離的羥基就會(huì)被暴露出來(lái)，再將其添加到植物纖維中，重新與植物纖維之間形成氫鍵，增強(qiáng)纖維之間的結(jié)合力，提高成紙的物理強(qiáng)度[12]。同時(shí)，從圖6中可以更直觀地看出，微米級(jí)的白腐菌纖維與植物纖維形態(tài)大小對(duì)比明顯，白腐菌纖維填充在植物纖維之間，使纖維間的孔隙減小，也有利于提高成紙的物理強(qiáng)度[13]。因此可以推斷，白腐菌纖維添加到植物纖維中后，一部分與植物纖維形成氫鍵結(jié)合，存在于纖維與纖維之間，另外一部分則吸附在植物纖維表面，相互纏繞，在植物纖維表面形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于白腐菌纖維本身很細(xì)?。ㄅc植物纖維相比），所以當(dāng)白腐菌纖維用量達(dá)到一定程度時(shí)，就像在植物纖維表面覆蓋了一層細(xì)小纖維形成的薄膜。這說(shuō)明加入白腐菌纖維后，紙張強(qiáng)度的增加是由于添加物使纖維結(jié)合更緊密。

24紅外光譜分析

圖7為添加白腐菌纖維與未添加白腐菌纖維的紙張紅外光譜圖。由圖7可以看出，添加白腐菌纖維與未添加白腐菌纖維的兩條曲線既有相似之處，也有不同之處。相似之處為，在3330 cm-1附近均有一個(gè)非常寬的強(qiáng)吸收峰，由于該吸收峰很寬，所以推測(cè)是由分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵共同引起的羥基的伸縮振動(dòng)峰；在2900 cm-1附近的吸收峰為C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；1420 cm-1附近的吸收峰是由于—CH2的對(duì)稱彎曲振動(dòng)引起的；1650 cm-1附近的吸收峰推測(cè)為蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ；131594 cm-1附近的吸收峰是C—H鍵的彎曲振動(dòng)峰；1160 cm-1附近的吸收峰推測(cè)為多聚糖中C—O（H）鍵；105225 cm-1和102777 cm-1、102246 cm-1附近的吸收峰主要是葡聚糖間的糖苷鍵和C—O—C的伸縮振動(dòng)以及伯醇、仲醇C—O鍵的伸縮振動(dòng)，基本符合葡聚糖的特征吸收[14-15]。896 cm-1附近的吸收峰是由于葡萄糖結(jié)構(gòu)單元中C1—H的變形振動(dòng)引起的，可以作為葡聚糖間糖苷鍵鏈接的表征[16]。不同之處在于，圖7中154337 cm-1附近可能為N—H的邊角振動(dòng)峰，推測(cè)為蛋白質(zhì)酰胺Ⅱ。添加白腐菌纖維與未添加的對(duì)比，在1800 cm-1至1420 cm-1區(qū)間上吸收峰變化強(qiáng)烈，推斷該現(xiàn)象可能是由于白腐菌纖維中含有部分蛋白質(zhì)物質(zhì)造成的（因?yàn)樵摪赘w維實(shí)際為纖維狀的白腐菌菌絲，并非由純纖維素組成，其中含有部分蛋白質(zhì)物質(zhì)）。由以上分析可知，白腐菌纖維中可能出現(xiàn)的除了有—OH、—CH2、—C—O—C、乙酰胺基等與纖維素分子結(jié)構(gòu)式中所包含的有機(jī)化合物基團(tuán)相似的基團(tuán)外，還含有部分氨基等蛋白質(zhì)組成基團(tuán)。這部分蛋白質(zhì)類物質(zhì)來(lái)自于白腐菌菌絲，白腐菌在生長(zhǎng)過(guò)程中為了克服氣液屏障形成氣生結(jié)構(gòu)，氣生菌絲會(huì)分泌出疏水蛋白，在菌絲表面自我組裝成薄膜，其親水朝向細(xì)胞壁而疏水面暴露在空氣中，因此氣生菌絲表現(xiàn)為疏水性[17]。疏水蛋白在固體表面性能的改性和膠體穩(wěn)定性有潛在研究?jī)r(jià)值[18]。將其打散后添加到植物纖維中混抄，這些菌絲附著在植物纖維表面使紙張具備了疏水性。

接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所處得氣液界面的切線穿過(guò)液體與固液交界線之間的夾角θ，是潤(rùn)濕程度的量度。若θ<90°，則固體表面是親水性的，即液體較易潤(rùn)濕固體，其接觸角越小，表示親水性越好；若θ>90°，則固體表面是疏水性的，即液體不容易潤(rùn)濕固體，其接觸角越大，疏水性越好。θ=90°為潤(rùn)濕與否的分界線。

通過(guò)對(duì)不同白腐菌纖維添加量紙張的接觸角測(cè)試，發(fā)現(xiàn)未添加白腐菌纖維的紙張?jiān)谒蜗侣浜罂赏耆?，接觸角為0。隨著白腐菌添加量的增多，水滴仍無(wú)法保留在紙面上，但能明顯看出水滴浸潤(rùn)入紙張的速度在減慢。當(dāng)添加量為048 g白腐菌纖維/2 g絕干紙漿時(shí)（見(jiàn)圖8），接觸角為1031°；添加096 g白腐菌纖維/2 g絕干紙漿時(shí)（見(jiàn)圖9），接觸角則能達(dá)到1196°。這說(shuō)明添加白腐菌纖維的紙張具有疏水性。目前用于改善紙張疏水性的方法都是通過(guò)改變纖維表面的化學(xué)組成以降低紙張（或纖維）表面能，或者在其疏水表面構(gòu)建合適的粗糙結(jié)構(gòu)，如施膠、纖維素接枝疏水改性、表面涂布、溶液浸漬處理等[19]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)白腐菌纖維既具有疏水蛋白能降低紙張的表面能來(lái)改善紙張疏水性，又能通過(guò)附著在植物纖維表面成膜構(gòu)建合適的粗糙結(jié)構(gòu)來(lái)改善紙張的疏水性，并且只需要與植物纖維混抄，操作方便簡(jiǎn)單，且無(wú)毒環(huán)保。

3結(jié)論

將白腐菌纖維添加到植物纖維中混合抄造食品包裝紙，白腐菌纖維能很好地與植物纖維結(jié)合，混抄的紙張物理強(qiáng)度明顯提高，當(dāng)白腐菌纖維添加量為048 g/2 g絕干紙漿時(shí)，紙張的物理強(qiáng)度提高最大，其中抗張指數(shù)提高了796%，耐破指數(shù)提高了1489%；白度稍有下降；紙張顯示出一定的疏水性，其原因主要是白腐菌纖維含有疏水蛋白，在植物纖維間起到搭橋和填充的作用。

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