一种玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜及其制备方法和应用 (Corn starch/sodium carboxymethylcellulose/fatty acid composite membrane and preparation method and application thereof ) 是由 刘鹏飞 崔波 袁超 吴正宗 郭丽 于滨 邹飞雪 方奕珊 卢璐 于 2021-02-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜及其制备方法和应用,本发明制备的复合膜中羧甲基纤维素钠与淀粉复配后,可以改善淀粉膜的机械性能,脂肪酸与淀粉复配后改善淀粉膜的疏水性能,采用超声处理工艺增加了亲水性成膜组分和疏水性成膜组分间的相容性,使亲水性的淀粉和羧甲基纤维素钠与疏水性的脂肪酸混溶,从而提高淀粉基膜的机械和疏水性能。本发明工艺绿色环保,制备的产品机械性能、阻水性能优良,制备的玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜具有全降解性,可广泛应用于食品包装领域,可避免传统塑料对环境造成的“白色污染”问题。(The invention discloses a corn starch/sodium carboxymethylcellulose/fatty acid composite membrane and a preparation method and application thereof. The process is green and environment-friendly, the prepared product has excellent mechanical property and water resistance, and the prepared corn starch/sodium carboxymethylcellulose/fatty acid composite film has full degradability, can be widely applied to the field of food packaging, and can avoid the problem of white pollution caused by traditional plastics to the environment.)
技术领域
本发明属于可降解复合膜技术领域，具体涉及一种玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜及其制备方法和应用。
背景技术
现有包装材料尤其是高分子塑料形成的“白色污染”的严重性和危害性已被人们逐步认识，其使用后的大量废弃物给人类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响。其中很大一部分来源于食品塑料包装废弃物，因此，人们要求食品包装向方便化和无公害化方向发展。研究者逐渐把目光投向了具有生物降解性的天然环境友好型聚合物。以天然高分子等可再生资源为原料的可降解包装膜的研究与应用逐渐成为科研工作的研究重点。淀粉具有对环境友好，可降解等优点，被人们看作是最具发展潜力的天然生物可降解材料之一。
但困扰着现有淀粉基降解材料的问题是其机械性能和疏水性能差，不宜作为食品的外包装材料。如何改善淀粉基降解材料的机械性能和疏水性能是目前研究的重点。羧甲基纤维素钠因其与淀粉相似的化学结构，和淀粉复配后，可以改善淀粉膜的机械性能。脂肪酸因具有疏水性的碳链，将其与淀粉复合制膜，能够改善淀粉膜的疏水性能。但是亲水性的淀粉和羧甲基纤维素钠在热力学上不能与疏水性的脂肪酸混溶。因此，迫切需要进一步改善加工工艺增加亲水性成膜组分和疏水性成膜组分间的相容性，从而提高淀粉膜的机械和疏水性能。
发明内容
针对现有技术中存在的淀粉基膜机械性能和疏水性差的问题，本发明提供了一种玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜及其制备方法和应用，制备的淀粉基膜具有可降解性，且具有较好的机械和疏水性能。
本发明通过以下技术方案实现：
一种玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）糊化处理：将玉米淀粉加入水中，制成质量百分比浓度为5-10%的淀粉乳溶液，然后加入羧甲基纤维素钠、甘油和脂肪酸溶液，在90-95℃下加热90-120min，得淀粉糊化液；
（2）超声处理：对步骤（1）得到的淀粉糊化液进行超声处理：
（3）制膜：以步骤（2）中超声处理后的淀粉糊化液为原料进行制膜，得玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜。
进一步地，步骤（3）中所述的制膜方法为将超声处理后的淀粉糊化液经纱布过滤后倾倒在涂布聚四氟乙烯的玻璃板上，干燥、揭膜后得玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜。
进一步地，步骤（1）中所述的羧甲基纤维素钠的添加量为玉米淀粉添加量的4-10%；所述的甘油添加量为玉米淀粉添加量的30-35%；所述的脂肪酸添加量为玉米淀粉添加量的5-8%。
进一步地，步骤（1）中所述的脂肪酸为月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、花生酸中的一种。
进一步地，步骤（2）中所述的超声处理中超声功率密度为240-560 W/cm2，处理时间为5-30min。
进一步地，步骤（2）中所述的干燥方法为热风循环烘箱干燥，干燥温度为40℃，干燥时间为12h。
本发明中，所述的制备方法制备得到的玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜。
本发明中，所述的制备方法制备得到的玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/脂肪酸复合膜在包装膜的应用。
进一步地，所述的包装膜为蔬果保鲜包装膜、食品包装膜。
本发明中，羧甲基纤维素钠因其与淀粉相似的化学结构，和淀粉复配后，可以改善淀粉膜的机械性能，脂肪酸因具有疏水性的碳链，将其与淀粉复合制膜，能够改善淀粉膜的疏水性能，采用超声处理工艺增加了亲水性成膜组分和疏水性成膜组分间的相容性，使亲水性的淀粉和羧甲基纤维素钠与疏水性的脂肪酸混溶，从而提高淀粉基膜的机械和疏水性能。
有益效果
（1）本发明采用超声处理工艺增加了亲水性成膜组分和疏水性成膜组分间的相容性，羧甲基纤维素钠和脂肪酸可均匀分散于淀粉中，充分发挥羧甲基纤维素钠的增强作用和脂肪酸改善淀粉膜疏水性能的作用；
（2）本发明使用的原辅料均可以完全降解，原料来源广泛、价格低廉，生产成本较低；
（3）本发明工艺操作简单、安全高效、绿色环保，制备的复合膜拉伸性和柔韧性高、透明度好、阻水性能优良，可广泛应用于蔬果保鲜包装、食品包装等领域。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明进行限制。
本发明中所述的玉米淀粉直链淀粉和支链淀粉含量分别为25.3%和74.7%。
实施例1
（1）糊化处理：将玉米淀粉加入到水溶液中，配制成质量百分比浓度为10%的淀粉乳溶液，加入占玉米淀粉干粉添加量5%的羧甲基纤维素钠、占玉米淀粉干粉添加量30%的甘油和用无水乙醇溶解后的占玉米淀粉添加量5%的月桂酸，在90℃下加热120min得淀粉糊化液；
（2）超声处理：在560 W/cm2的超声功率密度下对步骤（1）得到的淀粉糊化液超声处理15min；
（3）制膜：将步骤（2）得到的超声处理后的淀粉糊化液经纱布过滤后倾倒在涂布聚四氟乙烯的玻璃板上，置于热风循环烘箱中干燥，干燥温度40℃、干燥时间12h，干燥后揭膜得玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/月桂酸复合膜。
实施例2
（1）糊化处理：将玉米淀粉加入到水溶液中，配制成质量百分比浓度为8%的淀粉乳溶液，加入占玉米淀粉干粉添加量6%的羧甲基纤维素钠、占玉米淀粉干粉添加量32%的甘油和用无水乙醇溶解后的占玉米淀粉干粉添加量7%的肉豆蔻酸，在95℃下加热90min得淀粉糊化液；
（2）超声处理：在240 W/cm2的超声功率密度下对步骤（1）得到的淀粉糊化液超声处理30min；
（3）制膜：将步骤（2）得到的超声处理后的淀粉糊化液经纱布过滤后倾倒在涂布聚四氟乙烯的玻璃板上，置于热风循环烘箱中干燥，干燥温度40℃、干燥时间12h，干燥后揭膜得玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/肉豆蔻酸复合膜。
实施例3
（1）糊化处理：将玉米淀粉加入到水溶液中，配制成质量百分比浓度为6%的淀粉乳溶液，加入占玉米淀粉干粉添加量7%的羧甲基纤维素钠、占玉米淀粉干粉添加量35%的甘油和用无水乙醇溶解后的占玉米淀粉干粉添加量8%的棕榈酸，在95℃下加热100min得淀粉糊化液；
（2）超声处理：在560 W/cm2的超声功率密度下对步骤（1）得到的淀粉糊化液超声处理30min；
（3）制膜：将步骤（2）得到的超声处理后的淀粉糊化液经纱布过滤后倾倒在涂布聚四氟乙烯的玻璃板上，置于热风循环烘箱中干燥，干燥温度40℃、干燥时间12h，干燥后揭膜得玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/棕榈酸复合膜。
实施例4
（1）糊化处理：将玉米淀粉加入到水溶液中，配制成质量百分比浓度为7%的淀粉乳溶液，加入占玉米淀粉干粉添加量6%的羧甲基纤维素钠、占玉米淀粉干粉添加量33%的甘油和用无水乙醇溶解后的占玉米淀粉干粉添加量8%的硬脂酸，在90℃下加热110min得淀粉糊化液；
（2）超声处理：在240 W/cm2的超声功率密度下对步骤（1）得到的淀粉糊化液超声处理15min；
（3）制膜：将步骤（2）得到的超声处理后的淀粉糊化液经纱布过滤后倾倒在涂布聚四氟乙烯的玻璃板上，置于热风循环烘箱中干燥，干燥温度40℃、干燥时间12h，干燥后揭膜得玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/硬脂酸复合膜。
实施例5
（1）糊化处理：将玉米淀粉加入到水溶液中，配制成质量百分比浓度为10%的淀粉乳溶液，加入占玉米淀粉干粉添加量9%的羧甲基纤维素钠、占玉米淀粉干粉添加量30%的甘油和用无水乙醇溶解后的占玉米淀粉干粉添加量6%的花生酸，在95℃下加热95min得淀粉糊化液；
（2）超声处理：在560 W/cm2的超声功率密度下对步骤（1）得到的淀粉糊化液超声处理5min；
（3）制膜：将步骤（2）得到的超声处理后的淀粉糊化液经纱布过滤后倾倒在涂布聚四氟乙烯的玻璃板上，置于热风循环烘箱中干燥，干燥温度40℃、干燥时间12h，干燥后揭膜得玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/花生酸复合膜。
对比例1
（1）糊化处理：将玉米淀粉加入到水溶液中，配制成质量百分比浓度为10%的淀粉乳溶液，加入占玉米淀粉干粉添加量5%的羧甲基纤维素钠、占玉米淀粉干粉添加量30%的甘油，在90℃下加热120min得淀粉糊化液；
（2）超声处理：在560 W/cm2的超声功率密度下对步骤（1）得到的淀粉糊化液超声处理15min；
（3）制膜：将步骤（2）得到的超声处理后的淀粉糊化液经纱布过滤后倾倒在涂布聚四氟乙烯的玻璃板上，置于热风循环烘箱中干燥，干燥温度40℃、干燥时间12h，干燥后揭膜得玉米淀粉/羧甲基纤维素钠复合膜。
对比例2
（1）糊化处理：将玉米淀粉加入到水溶液中，配制成质量百分比浓度为10%的淀粉乳溶液，加入占玉米淀粉干粉添加量30%的甘油和用无水乙醇溶解后的占玉米淀粉添加量5%的月桂酸，在90℃下加热120min得淀粉糊化液；
（2）超声处理：在560 W/cm2的超声功率密度下对步骤（1）得到的淀粉糊化液超声处理15min；
（3）制膜：将步骤（2）得到的超声处理后的淀粉糊化液经纱布过滤后倾倒在涂布聚四氟乙烯的玻璃板上，置于热风循环烘箱中干燥，干燥温度40℃、干燥时间12h，干燥后揭膜得玉米淀粉/月桂酸复合膜。
对比例3
（1）糊化处理：将玉米淀粉加入到水溶液中，配制成质量百分比浓度为10%的淀粉乳溶液，加入占玉米淀粉干粉添加量30%的甘油，在90℃下加热120min得淀粉糊化液；
（2）超声处理：在560 W/cm2的超声功率密度下对步骤（1）得到的淀粉糊化液超声处理15min。
（3）制膜：将步骤（2）得到的超声处理后的淀粉糊化液经纱布过滤后倾倒在涂布聚四氟乙烯的玻璃板上，置于热风循环烘箱中干燥，干燥温度40℃、干燥时间12h，干燥后揭膜得玉米淀粉膜。
对比例4
（1）糊化处理：将玉米淀粉加入到水溶液中，配制成质量百分比浓度为10%的淀粉乳溶液，加入占玉米淀粉干粉添加量5%的羧甲基纤维素钠、占玉米淀粉干粉添加量30%的甘油和用无水乙醇溶解后的占玉米淀粉添加量5%的月桂酸，在90℃下加热120min得淀粉糊化液；
（2）制膜：将步骤（1）得到的淀粉糊化液经纱布过滤后倾倒在涂布聚四氟乙烯的玻璃板上，置于热风循环烘箱中干燥，干燥温度40℃、干燥时间12h，干燥后揭膜得玉米淀粉/羧甲基纤维素钠/月桂酸复合膜。
性能测试：
（1）机械性能：抗拉强度（MPa）的测定：
采用智能拉力试验机进行淀粉膜的机械性能测试，测试前将样品在恒温恒湿箱（（23 ± 2） ºC，RH = 53%）内放置 48 h，样品的测试规格为 15 mm × 100 mm。 初始夹距设为 80 mm。
计算公式为：
TS = F/S × 10-6 MPa
F为膜断裂时的力（N），S为样品的横截面积（m2）。
（2）水蒸气透过率测试：
淀粉膜的水蒸气透过率使用 PERMETM W3/030 自动水蒸气透过测试仪来测定。样品测试前在恒温恒湿箱（（23 ± 2） ºC，RH = 53%）内放置 48 h。用取样器在膜样品上取直径为 80 mm 的圆片进行测试。预热时间为 4 h，测试温度为 38 ºC，测试面积为 33.00cm2，测试相对湿度为 90%，称重间隔为 120 min。
（3）对实施例1-5和对比例1-4中制备的膜材料进行机械性能（抗拉强度）和水蒸气透过率的测试，结果如下表1所示：
表1 实施例1~5和对比例1~4制备得复合膜的性能表征
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