玉米秸秆淀粉可降解薄膜生产工艺研究

代安娜　刘清波　陈晓伟等

[摘要]本研究选取玉米秸秆淀粉、聚乙烯醇、甘油为基础材料制备玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜，并对薄膜进行抗拉强度和变形率测试，通过单因素试验分析各原料添加含量对薄膜的影响，根据数据结果选取恰当因素水平进行L₉（3⁴）正交试验，得出玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜最佳配方。试验可知，当玉米秸秆淀粉添加量为3%、甘油添加量为1.5%、聚乙烯醇添加量为3.5%时，此时薄膜的抗拉强度为22.78MPa，变形率为73.71%，确定为玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜最佳工艺参数。

[关键词]玉米秸秆淀粉；聚乙烯醇；薄膜制备；配方优化

中图分类号：TS209 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20180809

食源性腐败是影响食品安全和质量最主要的因素之一，食品包装是在食品流通领域抑制腐败和如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物的关键技术环节，作为食品加工生产过程的最后一个步骤，其包装材料对于食品安全有着至关重要的影响。目前市面上所采用的绝大多数是塑料包装材料，这种包装材料虽然制作便捷、成本低廉、易于运输，但其本身化学性质稳定以至于在生物降解性上存在着极大的劣势，如汪洋等发现日常使用的PE塑料膜中的邻苯二甲酸酯类物质会有迁移量超标的情况，膜上的有害物质迁移到与其接触的食品中，并且该类型污染物50%是环境类激素，即对同处于同一环境的人或动物产生性激素作用，对人体生殖功能造成影响。陈浩等调查发现我国城市固体废弃物从1998年的1.796亿吨上升到2016年的19.1亿吨，其中食品包装废弃物占到了2/3，对塑料废弃物的不当处理也会对环境以及人体健康带来不同程度的影响，甚至增加癌症的发病率。因此为缓解所面临的能源、环境以及身体健康的威胁，对可降解的包装材料的研究具有重要意义。

可降解包装材料是指在如阳光、微生物等一定自然条件下，塑料的分子量转变为小分子或在微生物作用下完全分解的材料。根据环保、来源、产量以及价格等多方面的综合考虑，以淀粉为主的动植物天然高分子包装材料成为新型环保材料的首选。玉米秸秆等木质纤维素是最丰富的可再生碳水化合物资源，利用储量丰富、价格低廉的秸秆生产淀粉进行可降解膜生产工艺的研究，既节约了能源又大幅减少了环境污染，降低了食品包装薄膜的生产成本。本试验选取玉米秸秆淀粉、聚乙烯醇、甘油为基础材料制备玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜，并对薄膜进行测试，选出薄膜配方的最佳优化条件。

1材料与方法

1.1试验材料

玉米秸秆淀粉：自制；聚乙烯醇：西陇科学股份公司；甘油：哈尔滨市金丽化学试剂有限公司。

1.2仪器设备

HH-2数显恒温水浴锅：金坛市科兴仪器厂；JJ-1精密定时电动搅拌器：江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；101-2A型电热鼓风干燥箱：天津市泰斯特仪器有限公司；玻璃成膜器，20×20cm：实验室自制；XLW智能电子拉力试验机：济南兰光机电技术有限公司。

1.3试验方法

1.3.1薄膜制备方法

选取新割下的玉米秸秆（陈秸秆含水低且不易剥皮），剥去硬皮后，将秆内的白瓤切成细片，用清水浸泡至充分吸水泡胀为止，用蒸锅蒸透，加适量水搅成糊状，再煮片刻，得糊状浆料，加适量清水搅拌均匀后用细筛过滤，去除粗纤维和皮渣，将滤液装入滤袋内即得湿淀粉。每100kg玉米秸秆可得湿淀粉80kg，烘干得玉米秸秆淀粉。

称取一定量的玉米秸秆淀粉、聚乙烯醇，量取适量蒸馏水于烧杯中混合，加入一定量甘油搅拌均匀并将其放入60℃水浴锅中，用电动搅拌器高速搅拌15min，升温至75℃搅拌15min，将水浴锅设置为90℃继续搅拌60min后停止，使用蒸馏水定容200mL并用玻璃棒进行快速搅拌，静置脱气10min，称取150g的膜液倒至20×20cm的玻璃平板中，于50%电热鼓风干燥箱烘干12h后取出，待薄膜冷却后揭下并储存于室温下。试验重复3次得到试验结果。

1.3.2薄膜抗拉強度和变形率的测定

将玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜裁切成长70mm、宽20mm的长条，使用ZUS-4型纸张测定仪随机在薄膜上取5点测量厚度，智能拉力试验机以50mm/min的速度测定膜的抗拉伸强度（TS）和变形率（E）。

1.3.3薄膜性能综合评分原则

对玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜抗拉强度和伸长率用加权法进行综合评分，两组指标各占50分，总分为100分。

1.3.4薄膜制备的单因素试验

（1）玉米秸秆淀粉添加量对膜抗拉强度和变形率的影响。分别称取玉米秸秆淀粉添加量2g、4g、6g、8g、10g，再称取聚乙烯醇6g，加入适量蒸馏水后再量取4mL甘油于烧杯中，其他试验操作顺序按照1.3.1和1.3.2中的试验流程进行。

（2）甘油添加量对膜抗拉强度和变形率的影响。称取玉米秸秆淀粉和聚乙烯醇添加量各6g，加入适量蒸馏水后再依次量取2mL、3mL、4mL、5mL、6mL甘油于烧杯中，其他试验操作顺序按照1.3.1和1.3.2中的试验流程进行。

（3）聚乙烯醇添加量对膜抗拉强度和变形率的影响。称取玉米秸秆淀粉添加量6g，再依次称取聚乙烯醇2g、4g、6g、8g、10g，加入适量蒸馏水后再量取4mL甘油于烧杯中，其他试验操作顺序按照1.3.1和

1.3.2中的试验流程进行。

1.3.5正交试验

根据单因素试验可以发现，玉米秸秆淀粉添加量、聚乙烯醇添加量以及甘油添加量的改变对薄膜抗拉强度和变形率有着不同程度的影响，在此基础上选取适当因素水平，以薄膜的综合评分为指标进行正交试验。

2结果与分析

2.1薄膜制备的单因素试验

2.1.1玉米秸秆淀粉添加量对薄膜抗拉强度和变形率的影响

玉米秸秆淀粉添加量对薄膜的抗拉强度和变形率的影响如图1所示。

据图1可知，当玉米秸稈淀粉添加量在1%～5%逐渐增加的过程中，玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜的抗拉强度总体上呈先上升再下降的趋势，变形率总体上呈下降趋势。当玉米秸秆淀粉添加量为3%时，其抗拉强度达到最大，变形率相对较低；当玉米秸秆淀粉添加量为1%～3%时，膜液偏稀，成膜质地偏软，抗拉强度低，极易变形；当玉米秸秆淀粉添加量大于3%时，抗拉强度和变形率开始下降，因为随着玉米秸秆淀粉添加量增加，聚乙烯醇浓度相对减少，膜液逐渐浓稠甚至导致烘干过程干裂现象，成膜干硬且柔韧性差，容易拉断。根据以上分析，综合考虑薄膜抗拉强度和变形率确定玉米秸秆淀粉添加量为3%。

2.1.2甘油添加量对薄膜抗拉强度和变形率的影响

甘油添加量对薄膜的抗拉强度和变形率的影响如图2所示。

据图2可知，当甘油添加量在1%～3%逐渐增加的过程中，玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜的抗拉强度总体上呈下降的趋势，变形率总体上呈上升趋势。随着甘油添加量的增加，与水的结合增多，淀粉间分子作用力减小，因此成膜黏度大，柔软光滑，有韧性，测试过程中极易变形，抗拉能力弱。根据以上分析，综合考虑薄膜抗拉强度和变形率确定甘油添加量为2%。

2.1.3聚乙烯醇添加量对薄膜抗拉强度和变形率的影响

聚乙烯醇添加量对薄膜的抗拉强度和变形率的影响如图3所示。

据图3可知，当聚乙烯醇添加量在1%～5%逐渐增加的过程中，玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜的抗拉强度总体上呈上升的趋势，变形率总体上呈先上升再下降的趋势。当聚乙烯醇添加量为1%～2%时，由于PVA与玉米秸秆淀粉相互作用，改变类淀粉分子原本的氢键，形成聚合物，结合力增强且改善了薄膜柔韧性，薄膜抗拉强度和变形率会随聚乙烯醇添加量的增加而升高；当聚乙烯醇添加量为2%时，其变形率达到最大后开始下降，抗拉强度相对较高，随后逐渐升高，这是因为聚乙烯醇添加量增加到一定值后，同玉米秸秆淀粉的交联达到最佳，再继续增加影响分子链的延展性，导致成膜质地干硬，不易变形。根据以上分析，综合考虑薄膜抗拉强度和变形率确定聚乙烯醇添加量为3%。

2.2正交试验

2.2.1正交试验设计

试验因素水平见表1。

2.2.2正交试验结果及分析

L⁹（3₄）正交试验结果与分析见表2。根据表2结合综合评分进行分析可知，聚乙烯醇添加量对玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜抗拉强度和变形率综合影响最大，其次是甘油添加量，玉米秸秆淀粉添加量对薄膜的抗拉强度和变形率综合影响较小。正交试验处理的最优组合是A₃B₁C₃，正交试验表中综合评分最高的是第7组A₃B₁C₃，因此综合考虑，确定玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜的最优配方为玉米秸秆淀粉添加量3%、甘油添加量1.5%、聚乙烯醇添加量3.5%。

2.2.3验证试验

对正交试验得出的薄膜最优配方进行验证，重复3次得到试验结果，试验结果见表3。

根据表3结果可知，所选最优配方的玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜抗拉强度为22.78MPa，变形率为73.71%，综合评分84.4，同正交试验结论一致，可证实玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇可薄膜的最优配方为玉米秸秆淀粉添加量3%、甘油添加量1.5%、聚乙烯醇添加量3.5%。

3结论

本研究通过试验确定了玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜的最佳配方，并测试了抗拉强度和变形率，研究了选材的添加量对薄膜的影响。该配方适用于制作食品包装薄膜，有助于使玉米秸秆得到充分利用，减少对食品的污染，并且安全环保，可以降低制作成本，减少废弃物，保护环境。