淀粉纖維餐盒制備及其可降解性能研究

◎ 吳詠珍，劉芷嫣，李 瑋，楊 慶

（張家界學(xué)院，湖南 張家界 427000）

塑料餐盒因具有價(jià)格低、防水防油等優(yōu)勢(shì)，在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。然而，塑料餐盒難以分解，對(duì)臭氧層污染極大，會(huì)給人們的生活環(huán)境帶來(lái)巨大的危害。在此背景下，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注可降解材料的研發(fā)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上塑料餐盒替代品主要有2 類：①可降解塑料。其是在塑料中加入一定的光敏劑、聚丙烯PP 等原料制成，該產(chǎn)品分解成低分子質(zhì)量的化合物。這些化合物不能繼續(xù)降解，流向自然環(huán)境中會(huì)長(zhǎng)時(shí)間積累，對(duì)環(huán)境造成危害。②可降解生物塑料產(chǎn)品。生物可降解餐盒是由秸稈等可降解材料制成，使用后能在自然環(huán)境中降解，降低對(duì)環(huán)境的影響。截至目前，國(guó)家對(duì)一次性餐具頒布了相關(guān)法令，相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有GB 18006.1—1999《一次性可降解餐飲具通用技術(shù)條件》，以及GB 18006.2—1999《一次性可降解餐飲具降解性能試驗(yàn)方法》[1]。然而，這些法令仍無(wú)法解決一次性可降解餐盒的降解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、無(wú)法完全降解等問(wèn)題。因此，本文提出了淀粉纖維可降解餐盒的研究發(fā)展方向，以供參考。

1 淀粉纖維的概述

淀粉纖維是一種可降解材料，可用于制造一次性餐盒，減少對(duì)環(huán)境的污染。本研究通過(guò)試驗(yàn)，分析了玉米淀粉纖維素可降解餐盒的制備過(guò)程及其性能。淀粉纖維由玉米秸稈粉制成，而玉米秸稈粉主要由纖維素、蛋白質(zhì)等組成，有助于提高餐盒的性能，如增強(qiáng)強(qiáng)度、延長(zhǎng)使用壽命等。其中，纖維素能顯著增強(qiáng)餐盒的強(qiáng)度，蛋白質(zhì)可以作為天然的增塑劑。通過(guò)適當(dāng)調(diào)配這些成分的比例，能夠優(yōu)化餐盒的性能。

2 淀粉纖維餐盒的制備及性能研究

2.1 材料

玉米秸稈粉、甘油、偶聯(lián)劑；湖南雙環(huán)纖維成型設(shè)備有限公司ZMCZ1150X1150 全自動(dòng)紙漿淀粉模塑制品機(jī)器；WDW 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2.2 方法

本實(shí)驗(yàn)使用150 目篩選器，對(duì)玉米秸稈粉進(jìn)行質(zhì)量檢查，以確保其符合特定的標(biāo)準(zhǔn)。①在干燥箱85 ℃下，干燥2 h，以去除玉米秸稈粉中的水分和揮發(fā)物，提高純度，同時(shí)取100 g 備用，為后續(xù)處理操作準(zhǔn)備足夠的原料。將偶聯(lián)劑（馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯、DN-302、鈦酸酯或硅烷完）10～15 g 加入已經(jīng)烘干完成的玉米秸稈粉中。其中，偶聯(lián)劑可改善玉米秸稈粉的某些性能，提高其與樹脂的相容性、增強(qiáng)其耐熱性等。②在80 ℃的環(huán)境下將混入偶聯(lián)劑的玉米秸稈粉放入高速混合機(jī)中攪拌15 min，讓偶聯(lián)劑均勻分布在玉米秸稈粉中，并提高其分散性。待溫度降至60 ℃時(shí)，將8.75 g 羧甲基纖維素鈉、7.0 g 黃原膠等試劑，加入攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢杈鶆?，再加?.8 ∶1 的水，并和原料攪拌成面團(tuán)狀，一次攪拌15 min，二次攪拌約30 min。將面團(tuán)取出，放置20 min，直到水分充分滲透到原料中。③使用湖南雙環(huán)纖維成型設(shè)備有限公司的ZMCZ1150X1150 全自動(dòng)紙漿淀粉模塑制品機(jī)器，將面團(tuán)壓制成平板狀，放入準(zhǔn)備好的模具內(nèi)，液壓成型機(jī)模壓成型，壓力25 MPa，之后送入電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行干燥，溫度60 ℃，干燥好的產(chǎn)品冷卻至室溫，減少清漆吸附量。④為保護(hù)產(chǎn)品表面免受水的浸蝕，采用聚氨酯清漆單面噴涂0.1～0.3 mm 進(jìn)行表面處理，再用電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥110 min，溫度在40～50 ℃，同時(shí)，用紫外線殺菌消毒，人工檢驗(yàn)外觀是否有龜裂，檢查其光滑度、色澤等，剔除不合格品。⑤將合格品進(jìn)行包裝，并再次滅菌消毒，之后裝箱入庫(kù)儲(chǔ)存。

在制備過(guò)程中，黃原膠和羧甲基纖維素鈉起到關(guān)鍵作用。其中，黃原膠在低濃度的黃原膠水溶液中表現(xiàn)出較高的黏性并增強(qiáng)餐盒的結(jié)合性能。黃原膠五糖重復(fù)結(jié)構(gòu)單元上的羥基與水分子及玉米淀粉和秸稈中纖維素、半纖維素、木素之間形成的大量氫鍵，是玉米秸稈餐盤獨(dú)立成型的主要因素。而羧甲基纖維素鈉（CMC）對(duì)大多數(shù)纖維有粘著性、能改善纖維間的結(jié)合。玉米淀粉和秸稈中粗纖維占30%～45%，木質(zhì)素占21%～26%，因此，CMC 能夠與玉米淀粉秸稈中的纖維作用，確保餐盒成型。

總體來(lái)說(shuō)，淀粉纖維可降解一次性餐盒的制備，需要一系列的工藝步驟和材料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，可以進(jìn)一步改進(jìn)制備工藝，提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，滿足市場(chǎng)需求，并減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

3 可降解餐盒內(nèi)種子的成活率分析及栽種方法

①選擇合適的植物種子，混合在紙漿中制成種子紙。種子紙要盡量薄，使植物種子均勻分布在紙張上，接著，把使用完的餐盒放入土壤，將種子紙放在餐盒的底部，確保種子紙與餐盒底部充分接觸。在種子紙上澆水，讓其濕潤(rùn)，以促使種子發(fā)芽。②將餐盒放置在適合種子生長(zhǎng)的環(huán)境中，根據(jù)種子紙上植物的需要，定期澆水并提供適當(dāng)?shù)墓庹蘸蜏囟龋钡椒N子紙上的植物發(fā)芽和生長(zhǎng)，等待植物成熟，并根據(jù)需要收獲。通過(guò)這種方法，將種子紙與淀粉纖維餐盒一起使用，既能降解餐盒，又能種植植物。此外，種子紙遇水易變軟、破裂和降解，因此，所使用的粘結(jié)劑必須無(wú)毒，且對(duì)環(huán)境無(wú)害。采用本方法種植的種子情況如表1所示。

4 一次性餐盒現(xiàn)狀及政府政策

4.1 一次性塑料餐盒的現(xiàn)狀及其危害

隨著社會(huì)的發(fā)展，聚乙烯、聚丙烯等塑料與人們的生活緊密相連，而塑料餐盒被隨意丟棄或處理不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致大量的塑料垃圾進(jìn)入海洋、河流和土壤中，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

在快節(jié)奏的社會(huì)環(huán)境下，快餐食品行業(yè)迅速發(fā)展，人們打包食品作為日常三餐已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，一次性塑料餐具大量涌入人們的生活中。據(jù)《新聞晚報(bào)》報(bào)道，“北京每天要使用掉200 萬(wàn)只一次性餐具，其中，發(fā)泡塑料餐具40 萬(wàn)只，占20%，符合國(guó)家環(huán)保要求的占30%，不合格的占比高達(dá)50%”。從事一次性餐具研究和開(kāi)發(fā)工作10 余年的包裝與環(huán)保專家董金獅說(shuō)：不合格一次性塑料餐盒、餐碗和托盤添加了大量廢塑料和填充物，遇熱或油脂會(huì)釋放出致癌和致病化學(xué)物質(zhì)，嚴(yán)重危害了人體健康（資料來(lái)源：北京新聞晚報(bào)）。

4.2 一次性可降解餐盒的類別

4.2.1 淀粉類可降解餐具

以聚乳酸為主，加入淀粉等高分子化合物制成的PLA 可降解餐具，在一定的自然條件下，可以降解為各類元素和無(wú)機(jī)鹽。在制造時(shí)，以聚羥基丁酸酯為主，再加入PHB 和植物纖維按一定比例混合，然后通過(guò)切割和液壓法制成各種小團(tuán)形狀的餐具模型，經(jīng)紫外線消毒包裝后，產(chǎn)品即可售出。這類塑料高分子聚合物結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，需長(zhǎng)時(shí)間才能降解成水和二氧化碳[2]。

4.2.2 紙漿模塑類餐具

紙板液壓成型餐盒制造過(guò)程：把木漿、棉麻等混合制成紙板，在其表面涂抹聚乙烯塑料，使其具有防水防油功能，之后，高壓壓制成型。此餐盒表面涂有聚乙烯，難降解，且生產(chǎn)成本相對(duì)較高[3]。制造過(guò)程中，需注意原料比例以及漿料濕度和稠度把控，否則會(huì)造成模具開(kāi)裂等問(wèn)題[4]。

5 淀粉纖維可降解餐盒的行業(yè)發(fā)展方向

5.1 產(chǎn)品主要面向各大旅游景區(qū)

目前，國(guó)內(nèi)各大景區(qū)對(duì)環(huán)保的要求較為嚴(yán)苛。游客在景區(qū)內(nèi)隨意丟棄塑料制品，不僅增加了工作人員的工作量，還要耗費(fèi)更多的資源去處理這些塑料制品。以張家界為例，政府已經(jīng)制定了相關(guān)政策，鼓勵(lì)環(huán)保產(chǎn)品的發(fā)展和推廣。顧客購(gòu)買淀粉纖維可降解餐盒后，將餐盒放入土壤中，餐盒會(huì)逐漸降解成生物有機(jī)肥料，促進(jìn)種子生長(zhǎng)發(fā)育，長(zhǎng)出綠色植物。在景區(qū)中使用淀粉纖維可降解餐盒，既能保護(hù)環(huán)境，又能豐富當(dāng)?shù)氐闹脖弧?/p>

5.2 淀粉纖維可降解餐盒的優(yōu)勢(shì)

（1）政策優(yōu)勢(shì)。從限塑令到禁塑令，我國(guó)對(duì)環(huán)保非常重視?！笆奈濉币?guī)劃《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出，國(guó)家將積極加大對(duì)綠色產(chǎn)業(yè)的扶持力度，提供相應(yīng)的福利補(bǔ)貼，提升我國(guó)綠色產(chǎn)業(yè)比重，有利于可降解餐盒產(chǎn)業(yè)的生存和發(fā)展。

（2）市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2020 年，中國(guó)餐飲外賣市場(chǎng)在公共衛(wèi)生事件沖擊下仍實(shí)現(xiàn)7.5%增長(zhǎng)，總訂單達(dá)171.2 億筆。美團(tuán)外賣與31 家降解類包裝產(chǎn)品企業(yè)達(dá)成戰(zhàn)略合作，為餐飲商戶提供可降解材料選擇。隨著國(guó)家政策的推進(jìn)和可降解材料行業(yè)的發(fā)展，餐飲外賣包裝袋和包裝盒使用可降解材料成為趨勢(shì)。預(yù)計(jì)到2025 年，外賣包裝袋的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到29.8億元，可降解外賣餐盒市場(chǎng)規(guī)模也將達(dá)到465 億元，市場(chǎng)需求巨大。

5.3 淀粉纖維可降解餐盒的研究方向

現(xiàn)階段，淀粉纖維可降解餐盒主要由液壓機(jī)和模塑機(jī)制作而成，但是模塑機(jī)難以應(yīng)對(duì)下階段淀粉纖維餐盒的批量生產(chǎn)[5]。液壓機(jī)通常由液壓泵站等部分組成，其生產(chǎn)一個(gè)餐盒需要7～8 min，生產(chǎn)效率較低。因此，未來(lái)研究方向可集中于提高淀粉纖維可降解餐盒自動(dòng)化生產(chǎn)水平。

6 結(jié)語(yǔ)

用淀粉纖維制作的一次性餐盒，具有明顯的資源和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，其性能優(yōu)良，前景廣闊。使用這種可降解餐盒，可以減少對(duì)塑料的依賴，促進(jìn)綠色低碳發(fā)展?，F(xiàn)今，學(xué)界仍面臨一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。例如，如何在增加植物種子多樣性的同時(shí)保證種子的存活率，如何提升產(chǎn)品質(zhì)量等。因此，為了進(jìn)一步推動(dòng)可降解餐盒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關(guān)人員需要完善制造工藝和技術(shù)，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。