东北林业大学王立娟教授研究团队——一种防潮、绿色、速溶薄膜的制备及应用 | MDPI Polymers
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文章导读
本研究以决明子胶 (Cassia Gum, CG) 和乙基纤维素 (Ethyl Cellulose, EC) 为原料，制备了一种速溶型食用膜。力学结果表明，添加 5% EC (以 CG 质量为基准) 的复合膜的拉伸强度 (Tensile Strength, TS) 最高；扫描电镜显示，过量添加 EC 会轻微降低薄膜的均匀性；FTIR 光谱分析表明，CG 与 EC 的相容性良好，EC 的加入通过与 CG 形成分子间氢键，改变了原来的分子间相互作用。虽然薄膜的透光率下降，但其应用于包装时足够透明。尽管薄膜的水蒸气阻隔性能显著提高，但是它在沸水 5 分钟后的溶解率仍然超过 80%。CG-EC 薄膜包装的干胡萝卜块在 53% RH 下的质量增长率较低。因此，该膜在方便食品中干燥蔬菜的包装中具有潜在的应用价值。
研究过程与结果
图 1 为纯乙基纤维素 (EC) 膜、纯决明子胶 (CG) 膜和 CG/EC 膜的 FTIR 光谱。光谱中除了 –OH 的吸收峰有轻微的变化外，没有发现其他变化，说明 CG 与 EC 的相容性良好。
图 1. 纯 CG 膜、纯 EC 膜和 CG/EC 膜的 FTIR 光谱。
薄膜的表面和断面微观形貌如图 2 所示。CG-0%EC 的表面光滑，表明 CG 具有良好的成膜性能。当 EC 添加量从 1% 增加到 5% 时，除均匀性略有下降外无明显区别，但当添加量增加到 6% 时，由于成膜溶液中 EC 的浓度过高，薄膜表面出现了分布不均一的颗粒。可以看出，虽然 CG-0%EC 的截面均匀，但随着 EC 添加量从 1% 到 5%，薄膜的断面上出现了均匀分布的纹理。此外，在 CG-6%EC 截面上出现颗粒和裂纹，这是由于薄膜中过量的 EC 破坏了网络结构，这与表面的微观结构一致。
图 2. CG/EC (左) 薄膜表面和 (右) 横截面的 SEM 显微图。
水蒸气渗透率 (Water Vapor Permeability, WVP) 分析结果如图 3 所示。随着 EC 含量增加，WVP 从 2.28×10−10 逐渐下降到 1.40×10−10 g m−1 s −1 Pa−1，与玉米油/车前草种子胶膜、硬脂酸/Lepidium perfoliatum 种子胶膜、巴拉圭茶提取物/淀粉膜相比结果均较低，这是 EC 的疏水性导致的。随着 EC 含量增加，成膜基质的亲疏水比降低，导致水蒸气阻隔性能增强。此外，CG 和 EC 之间氢键的饱和性质使水蒸气难以通过薄膜。
图 3. WVP 与 CG/EC 比值的关系。
EC 对 TS 和断裂伸长率 (Elongation at Break, EB) 的影响如图 4 所示，TS 随 EC 含量增加而增加。图 5 显示了一个可能的机制，适宜的 EC 含量有利于强网络的形成和 TS 的增加，而过量的 EC 则会降低它们的增强效果。TS 的增加伴随着 EB 的减少，这是由于沉积的 EC 减少了分子链的运动。此外由于 WVP 的降低，水蒸气的塑化作用减弱，因此 EB 下降。
图 4. 不同 EC 掺入量薄膜的应力应变曲线。
图 5. 分子间作用机理图。
透光率与雾度分析如图 6a 所示，随着 EC 含量的增加，透光率明显降低。雾度和透明度指数如图 6b 所示，雾度随着 EC 含量增加而增加，透明度指数呈下降趋势，这可能是膜的均匀性降低所引起的。当光线穿过薄膜时，EC 的聚集加强了光散射，进而使膜的雾度增大，透明度指数降低。
图 6. (a) 薄膜的透光率；(b) 雾度和透明度。
薄膜的溶解度如图 7a 所示，薄膜的高溶解度是由于它们的主要基质是具有丰富羟基的可溶于水的 CG，而 CG-5%EC 比 CG-0%EC 具有更低的溶解率，这是因为 EC 的加入降低了膜的亲水性。从图 7b 可以看出，CG-5%EC 较高的 TS 有助于薄膜在沸水中保持相对完整的形状，不会支离破碎。图 7c 为 CG-0%EC 和 CG-5%EC 所制成的包装分别在温水 (60 ℃) 和沸水中轻微摇晃不同时间的照片。用 CG-5%EC 制成的包装袋虽然有很好的抗水能力，但其仍然可以在沸水中以较短的时间溶解，这种现象是由于高温加速水分子的运动，薄膜内的氢键被破坏。薄膜在沸水中优异的溶解性能，为它应用于方便食品中免撕同食的调料包装膜提供了理论基础。
图 7. (a) 薄膜的溶解率；(b,c) 溶解过程照片。
原料和薄膜热稳定性如图 8 所示，甘油、CG 和 EC 的最大速率分解峰分别出现在 220.3 ℃、279.4 ℃ 和 338.3 °C，薄膜展现出两个主要失重过程。CG-0% EC 的最大速率分解峰出现在 256.0 ℃，低于 CG 粉，这种现象可能是成膜过程中结晶度降低所致。CG-6%EC 在 255.5 ℃ 时出现分解峰，说明 EC 的加入对膜分解温度没有明显影响。
图 8. 原料和薄膜的 TG 和 DTG 分析。
薄膜的吸水抑制率如图 9 所示。随着 EC 含量从 0% 增加到 5%，薄膜的吸水抑制率增加，这与 WVP 测量结果相一致。此外，薄膜厚度的增加延长了水蒸气到达包装内部所需要通过的距离。用 CG-5%EC 进行包装，可以有效保护干蔬菜免受水蒸气的侵害，从而延长蔬菜干的保质期。
图 9. 时间对不同薄膜包装胡萝卜块吸水抑制率的影响。
研究结论
1. 实验制备了一系列干蔬菜包装用速溶防潮 CG/EC 膜。
2. FTIR 证实，EC 分子与 CG 之间通过氢键作用紧密连接，CG-5%EC 膜的 TS 值为 38.77±0.57 MPa。当 EC 含量从 0% 增加到 5% 时，横断面上可观察到分布均匀的纹理。EC 的加入使 CG 膜的透光率降低，雾度增加。
3. EC 的疏水性使得膜的 WVP 呈下降趋势，并下降至 1.40×10-10 g m-1 s-1 Pa-1。且用 CG-5%EC 包装干胡萝卜块，12 h 后对水分的抑制率达到 43.34%。
4. CG-5%EC 可食性膜在方便食品干蔬菜包装中可达到环保的目的，具有广阔的应用前景。
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原文出自 Polymers 期刊
Li, T.; Meng, F.; Chi, W.; Xu, S.; Wang, L. An Edible and Quick-Dissolving Film from Cassia Gum and Ethyl Cellulose with Improved Moisture Barrier for Packaging Dried Vegetables. Polymers 2022, 14, 4035.
Polymers 期刊介绍
主编：
Alexander Böker, University of Potsdam, Germany
期刊主题涉及聚合物化学、聚合物分析与表征、高分子物理与理论、聚合物加工、聚合物应用、生物大分子、生物基和生物可降解聚合物、循环和绿色聚合物科学、聚合物胶体、聚合物膜和聚合物复合材料等研究领域。
2021 Impact Factor | 4.967 |
2021 CiteScore | 5.7 |
Time to First Decision | 13 Days |
Time to Publication | 31 Days |
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