添加剂对可食用性芹菜包装纸机械性能的影响

哈尔滨商业大学轻工学院哈尔滨 黑龙江 150028

0 引言

可食性生物聚合材料以原料来源广泛、可食用且对环境无害等优点，广泛应用于食品和药品包装中[1-3]。近几年，以蔬菜为基材的蔬菜纸包装材料悄然兴起，逐渐成为研究热点[4]。黄紫娟等[5]以芹菜、卷心菜及冬瓜为原料制备蔬菜包装纸，并探讨其制作工艺条件。孙婕等[6]以韭菜为原料制备蔬菜包装纸，并对加工工艺进行了研究。隋明等[7]以魔芋、莲花白为原料制备可食用蔬菜包装纸，并探讨了蔬菜包装纸的制作工艺。T. H. Mchugh等[8]以椰菜和胡萝卜为原料制备蔬菜纸，以苹果、草毒和桃子为原料制备水果纸，并分析了各种纸的透水性。Pan Z.L.等[9]的研究结果表明，远红外热烫是最适合加工蔬菜纸的漂烫方法。

因此，本课题组拟以富含膳食纤维的芹菜为基材，以羧甲基纤维素钠（carboxymethyl cellulose sodium，CMC）为黏合剂，以甘油为增塑剂，制备可食用蔬菜包装纸，并分析添加剂的添加量对包装纸的断裂伸长率和抗张强度的影响，进而优化芹菜包装纸的制备工艺，以期为蔬菜包装纸的生产提供参考[10]。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

1）原料。芹菜购买于哈尔滨市松北区大润发超市；明胶，沈阳市试剂三厂；海藻酸钠，天津市凯通化学试剂有限公司；羧甲基纤维素钠，天津市福晨化学试剂厂；甘油，天津市致远化学试剂有限公司。

2）仪器。电子天平，I 2000型，东莞市南城长协电子制品厂；九阳多功能榨汁机，C93T型，九阳天津电器厂；电子万能试验机，KY-5KN型，上海凯晏检测仪器有限公司；增力电动搅拌器，JJ-1型，江苏省金坛市恒丰仪器制造有限公司；电子数显外径千分尺0～25 mm，211-101型，日本株式会社三丰；USB数码显微镜，500X型，深圳市金恒宇科技有限公司；恒温恒湿控制仪，GSD-150型，苏州易维仪器设备有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，101-0型，上海喆钛机械制造有限公司；电热恒温水浴锅，HH-11-2型，上海助蓝仪器科技有限公司；电子纸张耐折度测定仪，ZZD-50型，长春市月明小型试验机有限公司。

1.2 芹菜包装纸的成型原理与制备

蔬菜纤维的化学结构中含有很多亲水基团，如羟基等，因而蔬菜的吸水能力较强，吸水后其容易膨胀[11]。芹菜纤维在打浆过程中被分丝帚化，使纤维呈细丝状，因而纤维具有较好的可塑性[12]。丝状纤维素通过氢键等相互交织，形成网状结构，加入的黏结剂、增塑剂等进一步加快了各蔬菜成分间的胶黏，使蔬菜纸具有纸的各种性能[13]。

先制备芹菜浆料，准备质量分数为0.3%, 0.6%,0.9%, 1.2%, 1.5%的黏结剂和质量分数为2%, 4%, 6%,8%, 10%的增塑剂，将黏结剂或增塑剂加入浆料中搅拌均匀，流延成型于300目的筛网上，并在65 ℃的烘干箱中恒温干燥 5～6 h，干燥后用湿布浸润筛网，揭片，得到厚度约为0.174 mm的芹菜包装纸。将芹菜包装纸裁剪为20 mm×100 mm的条状，并置于温度为25 ℃、相对湿度为50%的恒温恒湿箱中预处理24 h，随后对芹菜包装纸的性能进行分析。

1.3 测试方法

1.3.1 断裂伸长率

断裂伸长率是指材料从产生张力到断裂时长度变化与试样原长度的比值[14]。芹菜包装纸的断裂伸长率采用抗张强度测定仪测定。断裂伸长率越高，则韧性越好。断裂伸长率E公式为

式中：L1为试样断裂时的长度，mm；L0为试样测试前的长度，mm。

1.3.2 抗张强度

抗张强度是指蔬菜纸单位横截面所受的抗张力，也表示抵抗外力拉伸的能力[13]，其单位是MPa。

根据GB 13022—1991《塑料 薄膜拉伸性能试验方法》，采用电子拉伸实验机测定芹菜包装纸的抗张强度。抗张强度Ts计算公式为

式中：F为试样断裂时受到的最大张力，N；A为试样的面积，m2。

2 实验结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 黏结剂对包装纸机械性能的影响

不同黏结剂（CMC、明胶、海藻酸钠）对芹菜包装纸机械性能的影响如图1所示。

由图1可知：随着黏合剂添加量的增加，断裂伸长率呈先增大后减小的趋势，这是由于黏结剂的加入提高了包装纸的强度，使断裂伸长率随之增加，但当黏结剂的的添加质量分数超过0.9%时，纸浆的黏度增大，使芹菜包装纸的成型性变差、韧性减弱，断裂伸长率也随之降低[15]。抗张强度随着黏合剂的添加量也是呈先增大后减小的趋势，其原因是黏合剂使芹菜纤维间的作用力增大，提高了纤维的稳定性。不同的黏合剂和纤维之间产生氢键的能力是不同的，这导致增加的抗张强度存在差异。3种黏合剂对芹菜包装纸抗张强度的影响由大到小为CMC、明胶、海藻酸钠。

2.1.2 增塑剂对包装纸机械性能的影响

不同添加量的甘油对包装纸机械强性能的影响如图2所示。由图2可知，随着甘油添加量的增加，包装纸的断裂伸长率和抗拉强度均呈现先增大后减小的趋势；当甘油的添加质量分数为6%时，包装纸的抗张强度和断裂伸长率达到最大值，3.01 MPa和15.05%，可见甘油的加入对芹菜包装纸的机械性能影响不显著，这是因为甘油主要是改善纸张的延展性和韧性；当甘油的添加质量分数大于6%时，甘油会在纸浆中饱和、沉淀，并在包装纸的表面形成晶体，从而降低包装纸的机械性能。

根据上述单因素实验结果，当CMC的添加质量分数为0.9%时，芹菜包装纸的抗张强度最大，为7.02 MPa，断裂伸长率为28.55%；当甘油的添加质量分数为6%时，包装纸的抗张强度和断裂伸长率达到最大值，为3.01 MPa和15.05%。可见，仅仅加入黏合剂或增塑剂，包装纸的机械性能还存在不足，无法满足包装工业生产的要求。因此，本文考虑在芹菜包装纸中加入复合添加剂，通过黏合剂和增塑剂的相互作用，以提高纸张的机械性能。

2.2 复合添加剂的添加量优化

2.2.1 复合添加剂与包装纸抗张强度的回归方程

根据单因素实验结果，黏合剂对芹菜包装纸抗张强度的影响由大到小依次为CMC、明胶、海藻酸钠。因此，本课题组选择CMC和明胶作为黏合剂、甘油作为增塑剂，以芹菜包装纸的抗张强度为目标值进行优化实验。各实验因素的质量分数设置如下：CMC 0.3%～0.9%、明胶0.3%～0.9%、甘油2%～6%（如表1所示）。

表1 实验设计与结果Table 1 Experimental design and results

根据表1，建立添加剂与包装纸抗张强度的回归方程，即

式中：Y为包装纸的抗张强度；X1为CMC的质量分数；X2为明胶的质量分数；X3为甘油的质量分数。

对本回归方程进行方差分析，结果如表2所示。

表2 方差分析表Table 2 Variance analysis

方差分析结果表明，所建立的抗张强度回归方程为极显著（P=0.0008<0.01），因素X1、X3为极显著（P<0.01），X2为不显著（P>0.05），相关系数R=0.95，趋近于1，这说明本回归方程的拟合度良好，可以较好地说明复合添加剂与纸张抗张强度之间的关系。

2.2.2 复合添加剂的添加量与包装纸抗张强度的响应面和等高线

根据所建立的回归方程，本课题组得到不同复合添加剂对包装纸抗张强度的响应面和等高线，如图3～5所示。

由图3～5可知：响应面的斜率均较大，这表明复合添加剂对纸张的抗张强度影响显著；等高线呈椭圆形，这表明两因素的交互作用比较明显。由Design-Expert软件得出，当复合添加剂各组分质量分数为CMC 0.68%、明胶0.62%、甘油3.3%时，包装纸的抗张强度达到最大，为26.13 MPa。与单因素实验结果相比，复合添加剂的加入使芹菜包装纸的机械强度得到大幅提高。

3 结语

本课题组分析了以CMC、明胶和海藻酸钠作为黏结剂、甘油作为增塑剂的芹菜包装纸的机械性能。实验结果表明：当黏合剂的添加质量分数为0.9%时，包装纸的抗张强度最大为7.02 MPa，断裂伸长率为28.55%；当增塑剂的添加质量分数为6%时，包装纸的抗张强度和断裂伸长率达到最大值，分别为3.01 MPa和15.05% ；当CMC、明胶和甘油的添加质量分数分别为0.68%, 0.62%, 3.3%时，芹菜包装纸的抗张强度达到最大值，为26.13 MPa，与用单一添加剂制备的纸张相比，机械强度有显著提高。