天然纤维型鲜肉保鲜包装膜的研究
发布时间：2013-11-25
纤维素膜的研究背景及意义
合成薄膜一般是塑料聚合物，其生产过程及产品废弃物都会对自然生态环境造成巨大的破坏，且生产该类薄膜所使用的原料都是石油产品，系不可再生资源。基于上述原因，人们开始寻找新型的绿色薄膜材料。于是，以天然纤维素为原料来制备薄膜的研究成为材料领域研究的重点方向之一。纤维素资源丰富是环境友好材料，纤维素及其衍生物作为制膜原材料已有相当长的历史，在制膜工业中起着举足轻重的作用。特别是最近几年，各种高性能、功能化纤维素薄膜层出不穷，是纤维素科学研究中的一个热点。黏胶法和铜氨法制备的再生纤维素膜的商品名分别为玻璃纸(Cellophane)和铜铬酚(Cuprophane)，均是很好的包装和透析用膜材料。纤维素及其衍生物作为膜材料和人工合成的聚合物膜相比，纤维素薄膜有更高的尺寸稳定性、良好的加工性、无毒无害、能生物降解等优点。
目前世界上每年因腐败而放弃食用的食品超过联合国救济贫困国家的食品总和。为延长食品高新鲜度的保持期，最大限度地防止食品的腐败变质，20世纪60年代起以食品保鲜为目的的包装技术研究逐渐受到人们的广泛关注，各种包装技术的开发和包装材料的研制已成为当前科学发展的前沿和热点。其中抗菌膜的包装材料研究是目前最为活跃的领域之一。
纤维素薄膜的研究和发展状况
目前，国外开始生产和研究NMMO纤维素薄膜的公司不是很多，英国的UCBfilms公司以及日本的Terumo公司也对NMM0法纤维素分离膜进行了研究，但还没有进行包装薄膜方面的研究。Fink等人曾用吹膜方法制备了NMMO工艺纤维素薄膜，并指出NMMO工艺生产的纤维素薄膜较用黏胶工艺生产的薄膜具有更好的水透过性、湿态撕裂强度和抗张强度。Askew等人发现用NMMO工艺制备的薄膜耐碱性和化学稳定性也有所改善，但令人遗憾的是这些研究者的研究都并未继续深入下去。国内对这方面的研究也才刚刚起步，东华大学课题组在进行该领域的初探，并且目前主要是对分离膜进行了一些初步的研究。国内外对NMMO工艺纤维素薄膜只处于产品开发研究阶段，主要应用在分离膜、食品加工、农业和电池几个方面。对于包装用薄膜，国外也仅见少数专利报道，对该领域尚未有深入细致的系统性理论研究报道，而国内几乎还是一片空白，抗菌包装膜就更少之又少。
鲜肉保鲜及其包装技术
鲜肉富含营养物质，且水分活度较高，是微生物生长的良好基质。因此，在通常加工、运输、贮藏、消费过程中易受微生物污染及周围环境影响，变质、变色、变味，鲜肉质量下降。为了延长非冷冻条件下肉类(肉类制品)的保质期，必须采用多种办法进行处理以达到进一步抑制肉中微生物和酶的活力，防止脂肪的氧化，保证肉色的鲜艳和气味的正常。近年来，国内外对鲜肉保鲜的研究报道较多，主要方法有鲜肉有机酸及盐处理、真空包装、气调包装、脱氧剂、辐射、微波处理、高压处理等。但是目前肉类保鲜现实可行的途径是采用保鲜剂浸泡，使肉类达到脱菌、抑菌，甚至是杀菌的效果，然后进行气调包装(或真空包装)，于0℃～4℃低温下贮藏。用无毒、无害的天然材料生产肉类保鲜剂的研究在近几年取得了一定的成效，尤其是将上述多种方法结合使用可获得较满意的保鲜效果。
本课题的研究内容及方案
本文初步尝试了用NMMO法把保鲜剂(抗菌剂)和环境友好的纤维素膜结合起来，制成纤维素保鲜膜对鲜肉进行包装，若能得到实现并逐步推广产业化，无疑会对纤维素薄膜的发展起到很大的推进作用。研究内容要从以下两个方面进行论述:首先，确定NMM0纤维素膜的最佳制备工艺，从不同纤维素浓度、不同凝固浴温度、不同凝固浴浓度等因素进行研究。其次，在确定了NMMO纤维素膜制备工艺的前提下，确定NWO纤维素保鲜包装膜的制各工艺，下面从不同抗菌剂种类及其浓度进行研究。
实验材料与方法
实验材料本次实验材料主要包括:木浆、棉浆、NMMO溶液、没食子酸丙酯、氢氧化钠、丙三醇、海藻酸钠、营养琼脂、牛肉浸膏、蛋白胨、甲基红、无机抗菌剂、有机抗菌剂、硼酸、浓盐酸、鲜肉制品专用保鲜剂(成分:聚赖氨酸和乳酸链球菌素)。实验设备与仪器本次实验设备与仪器主要包括:电热鼓风试恒温干燥箱、光学读数分析天平、电动搅拌器、旋片真空泵、减压蒸馏装置、电子万能试验机、透氧测定仪、电热鼓风干燥机、电热恒温培养箱、Panasonic微波炉、数显调速多用振荡器、无菌实验台、手提式不锈钢蒸汽消毒器、冰雪儿保鲜柜、肖伯尔测厚仪测试。
实验方法
纤维素保鲜包装膜的制备:将纤维素浆粕与NMMO/H20直接混合，在一定温度下减压脱水、溶解，得到较高浓度的溶液，通过流延刮膜或挤出吹膜，在低温水浴或NM-MO水溶液中凝固成型，经拉伸、水洗、塑化、干燥等工艺制成纤维素制品，并在此过程中以共混和涂膜两种方式添加不同浓度、不同种类的保鲜剂。
保鲜包装膜的性能测试:(1)力学性能测试参照国家相关标准进行拉伸强度试验；(2)透氧性能测试；(3)保鲜性能测试包括抑菌试验、保鲜指标测试试验。
结果与讨论
为了确定NMM0纤维素膜的最佳制备工艺，下面从不同纤维素浓度、不同凝固浴温度、不同凝固浴浓度等因素对纤维素膜力学性能、透氧性能的影响进行研究。
制备工艺条件影响纤维素包装膜性能的研究
(1)不同纤维素浓度纤维素膜性能的影响。结果表明:随着纤维素浓度的提高，膜的力学性能先上升后降低，透氧性能随之降低。其中纤维素浓度为5%的膜的表观及力学性能比较好。
(2)不同凝固浴温度对纤维素膜性能的影响，凝固浴温度的变化会影响膜的性能。凝固浴温度的改变会引起溶剂从膜中逸出速度的不同，从而改变膜的结构。结果表明:在纤维素浓度为5%，凝固浴浓度为0%的条件下，随着凝固浴温度的提高，膜的力学性能降低，而透氧性能得到了提高。在凝固浴温度为45℃时，膜的力学性能和透氧性能总体上最优。
(3)不同凝固浴浓度对纤维素膜性能的影响。结果表明:从上述实验结果可以得到如下结论:在纤维素浓度和凝固浴温度保持不变的情况下，随着凝固浴浓度的提高，膜的拉伸强度和断裂伸长率都降低，而透氧系数升高，但其变化幅度都不大。因此，选择凝固浴浓度为0%。为取得整体性能最优的纤维素薄膜，我们确定了最适宜的生产工艺条件:纤维素浓度为5%，凝固浴温度为45℃，凝固浴浓度为O%。
不同抗菌剂对纤维素包装膜性能的影响
抗菌剂包括无机、有机和天然生物抗菌剂三大类型。纤维素浓度为5%，凝固浴温度为45℃，凝固浴浓度为0%的制膜工艺条件下，添加不同无机抗菌剂浓度对抗菌膜力学性能和透氧性能的影响。
(1)无机抗菌荆浓度对纤维素包装膜性能的影响
适当添加无机抗菌剂可以提高薄膜的拉伸强度和断裂伸长率，但随着抗菌剂的进一步加入，抗菌剂游离在纤维素分子之间，从而导致膜的力学性能受到影响而下降，随着无机抗菌剂浓度的上升，纤维素膜的透氧系数下降，即透氧性能下降。但随着无机抗菌剂浓度的继续升高，其透氧系数继续增大。
(2)有机抗菌剂浓度对纤维素包装膜性能的影响
适当添加有机抗菌剂可以提高薄摸的拉伸强度和断裂伸长率。但随着抗菌剂浓度的增大和纤维素分子无法充分反应，并嵌于纤维分子之间，从而使膜的力学性能受到影响而下降。在一定范围内，随着有机抗菌剂浓度的增加，膜的透氧系数持续下降，即透氧性能下降，但随着有机抗菌剂浓度的增加，游离的抗菌剂也增加，导致膜的透氧性上升。结果表明:当有机抗菌剂浓度达到一定范围时，不论是从力学性能角度或者从透氧性能角度来看，其对膜的性能起着增强的作用。
涂膜浓度对纤维素包装膜性能的影响
通过添加不同保鲜剂浓度的涂膜处理的纤维素抗菌膜在力学性能上并没有很大的变化；涂膜处理对膜的透氧性能没有很大的改变。。涂膜溶液中抗菌剂浓度为3%时，膜的性能较好。因此，选择抗菌剂浓度为3%的涂膜溶液对纤维素膜进行涂膜处理。
不同抗菌剂的抑菌试验
对不同种类不同浓度抗菌膜的试样膜进行抑菌试验，随着无机抗菌剂浓度的升高，无机抗菌膜的抑菌圈直径随之增大，并且增幅较大；随着有机抗菌剂浓度的升高，有机抗菌膜的抑菌圈直径随之增大，并且增加幅度最大；随着涂膜抗菌挤浓度的升高，涂膜抗菌膜的抑菌圈直径随之增大，但增幅最小。
通过比较不同抗菌剂的抗菌效果可以看出，空白膜没有抗菌性，随着抗菌剂的加入及其浓度的增加，三种抗菌膜的抑菌圈直径都随之增大，但是有机抗菌挤的抑菌效果最好，无机抗菌剂次之，涂膜抗菌剂较差。但是三者对大肠杆菌的敏感，即抑菌效果都较好。
(1)综合考虑膜的力学性能和透氧性能，可以得出NMMO工艺抗菌纤维素膜的较优工艺条件为:纤维素浓度5%，凝固浴温度45℃，凝固浴浓度0%。并且纤维素浓度的影响最大，凝固浴温度的影响要比凝固浴浓度的影响更大；(2)铸膜液中纤维素浓度增加，膜的力学性能增大，使过高的纤维素浓度会造成成膜困难而影响膜的性能；(3)凝固浴温度对膜的力学性能有较大的影响。随着凝固浴温度的升高，成膜的力学性能降低，而透氧性能升高。(4)凝固浴浓度对膜的力学性能有一定的影响。随着凝固浴浓度的升高，成膜的力学性能降低，而透氧性能升高；(5)抗菌剂的加入会影响膜的性能，适度的增加抗菌剂会降低膜的透氧性能，但随着抗菌剂的继续加入，反而会增强膜的透氧性能；(6)随着抗菌剂含量的增加，膜的抗菌性能均有一定程度的提高。其中无机抗菌剂浓度为2.5%时，其抑菌效果很显著，对细菌最敏感，并且性能较优；有机抗菌剂浓度为2%时，其抑菌效果比较显著，对细菌较敏感，并且性能较优；涂膜抗菌剂尝试为3%时，其抑菌效果显著，对细菌敏感，并且性能较优。这三类抗菌膜均能满足鲜肉保鲜包装的要求。
最后，本文有二个创新点:第一，本文在原料选择上和以往的不同，目前NMMO法制造纤维素膜的原料普通选用棉浆，本文选用的是木浆；第二，本文在纤维素膜的制备基础上加入保鲜的概念，并通过共混和外部涂膜两种不同的方法，把抗菌剂和纤维素膜结合起来制备纤维素抗菌膜。目前市面上出现的抗菌塑料膜一般用于果蔬包装，用于肉类保鲜包装的很少。本文研究的内容就是如何制备纤维型鲜肉保鲜膜，并应用于鲜肉包装。一旦研究成功，这会对纤维素膜的发展具有一定的推动作用，并填补鲜肉保鲜包装这块空白。
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