天然纖維型鮮肉保鮮包裝膜的研究
發布時間：2013-11-25
纖維素膜的研究背景及意義
合成薄膜一般是塑料聚合物，其生產過程及產品廢棄物都會對自然生態環境造成巨大的破壞，且生產該類薄膜所使用的原料都是石油產品，系不可再生資源。基于上述原因，人們開始尋找新型的綠色薄膜材料。于是，以天然纖維素為原料來制備薄膜的研究成為材料領域研究的重點方向之一。纖維素資源豐富是環境友好材料，纖維素及其衍生物作為制膜原材料已有相當長的歷史，在制膜工業中起著舉足輕重的作用。特別是最近幾年，各種高性能、功能化纖維素薄膜層出不窮，是纖維素科學研究中的一個熱點。黏膠法和銅氨法制備的再生纖維素膜的商品名分別為玻璃紙(Cellophane)和銅鉻酚(Cuprophane)，均是很好的包裝和透析用膜材料。纖維素及其衍生物作為膜材料和人工合成的聚合物膜相比，纖維素薄膜有更高的尺寸穩定性、良好的加工性、無毒無害、能生物降解等優點。
目前世界上每年因腐敗而放棄食用的食品超過聯合國救濟貧困國家的食品總和。為延長食品高新鮮度的保持期，最大限度地防止食品的腐敗變質，20世紀60年代起以食品保鮮為目的的包裝技術研究逐漸受到人們的廣泛關注，各種包裝技術的開發和包裝材料的研制已成為當前科學發展的前沿和熱點。其中抗菌膜的包裝材料研究是目前最為活躍的領域之一。
纖維素薄膜的研究和發展狀況
目前，國外開始生產和研究NMMO纖維素薄膜的公司不是很多，英國的UCBfilms公司以及日本的Terumo公司也對NMM0法纖維素分離膜進行了研究，但還沒有進行包裝薄膜方面的研究。Fink等人曾用吹膜方法制備了NMMO工藝纖維素薄膜，并指出NMMO工藝生產的纖維素薄膜較用黏膠工藝生產的薄膜具有更好的水透過性、濕態撕裂強度和抗張強度。Askew等人發現用NMMO工藝制備的薄膜耐堿性和化學穩定性也有所改善，但令人遺憾的是這些研究者的研究都并未繼續深入下去。國內對這方面的研究也才剛剛起步，東華大學課題組在進行該領域的初探，并且目前主要是對分離膜進行了一些初步的研究。國內外對NMMO工藝纖維素薄膜只處于產品開發研究階段，主要應用在分離膜、食品加工、農業和電池幾個方面。對于包裝用薄膜，國外也僅見少數專利報道，對該領域尚未有深入細致的系統性理論研究報道，而國內幾乎還是一片空白，抗菌包裝膜就更少之又少。
鮮肉保鮮及其包裝技術
鮮肉富含營養物質，且水分活度較高，是微生物生長的良好基質。因此，在通常加工、運輸、貯藏、消費過程中易受微生物污染及周圍環境影響，變質、變色、變味，鮮肉質量下降。為了延長非冷凍條件下肉類(肉類制品)的保質期，必須采用多種辦法進行處理以達到進一步抑制肉中微生物和酶的活力，防止脂肪的氧化，保證肉色的鮮艷和氣味的正常。近年來，國內外對鮮肉保鮮的研究報道較多，主要方法有鮮肉有機酸及鹽處理、真空包裝、氣調包裝、脫氧劑、輻射、微波處理、高壓處理等。但是目前肉類保鮮現實可行的途徑是采用保鮮劑浸泡，使肉類達到脫菌、抑菌，甚至是殺菌的效果，然后進行氣調包裝(或真空包裝)，于0℃～4℃低溫下貯藏。用無毒、無害的天然材料生產肉類保鮮劑的研究在近幾年取得了一定的成效，尤其是將上述多種方法結合使用可獲得較滿意的保鮮效果。
本課題的研究內容及方案
本文初步嘗試了用NMMO法把保鮮劑(抗菌劑)和環境友好的纖維素膜結合起來，制成纖維素保鮮膜對鮮肉進行包裝，若能得到實現并逐步推廣產業化，無疑會對纖維素薄膜的發展起到很大的推進作用。研究內容要從以下兩個方面進行論述:首先，確定NMM0纖維素膜的最佳制備工藝，從不同纖維素濃度、不同凝固浴溫度、不同凝固浴濃度等因素進行研究。其次，在確定了NMMO纖維素膜制備工藝的前提下，確定NWO纖維素保鮮包裝膜的制各工藝，下面從不同抗菌劑種類及其濃度進行研究。
實驗材料與方法
實驗材料本次實驗材料主要包括:木漿、棉漿、NMMO溶液、沒食子酸丙酯、氫氧化鈉、丙三醇、海藻酸鈉、營養瓊脂、牛肉浸膏、蛋白胨、甲基紅、無機抗菌劑、有機抗菌劑、硼酸、濃鹽酸、鮮肉制品專用保鮮劑(成分:聚賴氨酸和乳酸鏈球菌素)。實驗設備與儀器本次實驗設備與儀器主要包括:電熱鼓風試恒溫干燥箱、光學讀數分析天平、電動攪拌器、旋片真空泵、減壓蒸餾裝置、電子萬能試驗機、透氧測定儀、電熱鼓風干燥機、電熱恒溫培養箱、Panasonic微波爐、數顯調速多用振蕩器、無菌實驗臺、手提式不銹鋼蒸汽消毒器、冰雪兒保鮮柜、肖伯爾測厚儀測試。
實驗方法
纖維素保鮮包裝膜的制備:將纖維素漿粕與NMMO/H20直接混合，在一定溫度下減壓脫水、溶解，得到較高濃度的溶液，通過流延刮膜或擠出吹膜，在低溫水浴或NM-MO水溶液中凝固成型，經拉伸、水洗、塑化、干燥等工藝制成纖維素制品，并在此過程中以共混和涂膜兩種方式添加不同濃度、不同種類的保鮮劑。
保鮮包裝膜的性能測試:(1)力學性能測試參照國家相關標準進行拉伸強度試驗；(2)透氧性能測試；(3)保鮮性能測試包括抑菌試驗、保鮮指標測試試驗。
結果與討論
為了確定NMM0纖維素膜的最佳制備工藝，下面從不同纖維素濃度、不同凝固浴溫度、不同凝固浴濃度等因素對纖維素膜力學性能、透氧性能的影響進行研究。
制備工藝條件影響纖維素包裝膜性能的研究
(1)不同纖維素濃度纖維素膜性能的影響。結果表明:隨著纖維素濃度的提高，膜的力學性能先上升后降低，透氧性能隨之降低。其中纖維素濃度為5%的膜的表觀及力學性能比較好。
(2)不同凝固浴溫度對纖維素膜性能的影響，凝固浴溫度的變化會影響膜的性能。凝固浴溫度的改變會引起溶劑從膜中逸出速度的不同，從而改變膜的結構。結果表明:在纖維素濃度為5%，凝固浴濃度為0%的條件下，隨著凝固浴溫度的提高，膜的力學性能降低，而透氧性能得到了提高。在凝固浴溫度為45℃時，膜的力學性能和透氧性能總體上最優。
(3)不同凝固浴濃度對纖維素膜性能的影響。結果表明:從上述實驗結果可以得到如下結論:在纖維素濃度和凝固浴溫度保持不變的情況下，隨著凝固浴濃度的提高，膜的拉伸強度和斷裂伸長率都降低，而透氧系數升高，但其變化幅度都不大。因此，選擇凝固浴濃度為0%。為取得整體性能最優的纖維素薄膜，我們確定了最適宜的生產工藝條件:纖維素濃度為5%，凝固浴溫度為45℃，凝固浴濃度為O%。
不同抗菌劑對纖維素包裝膜性能的影響
抗菌劑包括無機、有機和天然生物抗菌劑三大類型。纖維素濃度為5%，凝固浴溫度為45℃，凝固浴濃度為0%的制膜工藝條件下，添加不同無機抗菌劑濃度對抗菌膜力學性能和透氧性能的影響。
(1)無機抗菌荊濃度對纖維素包裝膜性能的影響
適當添加無機抗菌劑可以提高薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率，但隨著抗菌劑的進一步加入，抗菌劑游離在纖維素分子之間，從而導致膜的力學性能受到影響而下降，隨著無機抗菌劑濃度的上升，纖維素膜的透氧系數下降，即透氧性能下降。但隨著無機抗菌劑濃度的繼續升高，其透氧系數繼續增大。
(2)有機抗菌劑濃度對纖維素包裝膜性能的影響
適當添加有機抗菌劑可以提高薄摸的拉伸強度和斷裂伸長率。但隨著抗菌劑濃度的增大和纖維素分子無法充分反應，并嵌于纖維分子之間，從而使膜的力學性能受到影響而下降。在一定范圍內，隨著有機抗菌劑濃度的增加，膜的透氧系數持續下降，即透氧性能下降，但隨著有機抗菌劑濃度的增加，游離的抗菌劑也增加，導致膜的透氧性上升。結果表明:當有機抗菌劑濃度達到一定范圍時，不論是從力學性能角度或者從透氧性能角度來看，其對膜的性能起著增強的作用。
涂膜濃度對纖維素包裝膜性能的影響
通過添加不同保鮮劑濃度的涂膜處理的纖維素抗菌膜在力學性能上并沒有很大的變化；涂膜處理對膜的透氧性能沒有很大的改變。。涂膜溶液中抗菌劑濃度為3%時，膜的性能較好。因此，選擇抗菌劑濃度為3%的涂膜溶液對纖維素膜進行涂膜處理。
不同抗菌劑的抑菌試驗
對不同種類不同濃度抗菌膜的試樣膜進行抑菌試驗，隨著無機抗菌劑濃度的升高，無機抗菌膜的抑菌圈直徑隨之增大，并且增幅較大；隨著有機抗菌劑濃度的升高，有機抗菌膜的抑菌圈直徑隨之增大，并且增加幅度最大；隨著涂膜抗菌擠濃度的升高，涂膜抗菌膜的抑菌圈直徑隨之增大，但增幅最小。
通過比較不同抗菌劑的抗菌效果可以看出，空白膜沒有抗菌性，隨著抗菌劑的加入及其濃度的增加，三種抗菌膜的抑菌圈直徑都隨之增大，但是有機抗菌擠的抑菌效果最好，無機抗菌劑次之，涂膜抗菌劑較差。但是三者對大腸桿菌的敏感，即抑菌效果都較好。
(1)綜合考慮膜的力學性能和透氧性能，可以得出NMMO工藝抗菌纖維素膜的較優工藝條件為:纖維素濃度5%，凝固浴溫度45℃，凝固浴濃度0%。并且纖維素濃度的影響最大，凝固浴溫度的影響要比凝固浴濃度的影響更大；(2)鑄膜液中纖維素濃度增加，膜的力學性能增大，使過高的纖維素濃度會造成成膜困難而影響膜的性能；(3)凝固浴溫度對膜的力學性能有較大的影響。隨著凝固浴溫度的升高，成膜的力學性能降低，而透氧性能升高。(4)凝固浴濃度對膜的力學性能有一定的影響。隨著凝固浴濃度的升高，成膜的力學性能降低，而透氧性能升高；(5)抗菌劑的加入會影響膜的性能，適度的增加抗菌劑會降低膜的透氧性能，但隨著抗菌劑的繼續加入，反而會增強膜的透氧性能；(6)隨著抗菌劑含量的增加，膜的抗菌性能均有一定程度的提高。其中無機抗菌劑濃度為2.5%時，其抑菌效果很顯著，對細菌最敏感，并且性能較優；有機抗菌劑濃度為2%時，其抑菌效果比較顯著，對細菌較敏感，并且性能較優；涂膜抗菌劑嘗試為3%時，其抑菌效果顯著，對細菌敏感，并且性能較優。這三類抗菌膜均能滿足鮮肉保鮮包裝的要求。
最后，本文有二個創新點:第一，本文在原料選擇上和以往的不同，目前NMMO法制造纖維素膜的原料普通選用棉漿，本文選用的是木漿；第二，本文在纖維素膜的制備基礎上加入保鮮的概念，并通過共混和外部涂膜兩種不同的方法，把抗菌劑和纖維素膜結合起來制備纖維素抗菌膜。目前市面上出現的抗菌塑料膜一般用于果蔬包裝，用于肉類保鮮包裝的很少。本文研究的內容就是如何制備纖維型鮮肉保鮮膜，并應用于鮮肉包裝。一旦研究成功，這會對纖維素膜的發展具有一定的推動作用，并填補鮮肉保鮮包裝這塊空白。
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