玉米苞叶可降解育果袋材料制备及其性能分析

陈美玉，孙润军，夏斌斌，王　珊，何彩婷

玉米苞叶可降解育果袋材料制备及其性能分析

陈美玉1,2，孙润军1,2，夏斌斌1，王珊1，何彩婷1

（1. 西安工程大学纺织科学与工程学院，西安 710048； 2. 西安工程大学功能性纺织材料及制品教育部重点实验室，西安 710048）

为了提高废弃玉米苞叶的再利用率，降低育果袋的生产成本，该研究采用碱煮法将玉米苞叶脱胶后提取玉米苞叶纤维，运用湿法成网技术将（5±0.5）mm的玉米苞叶纤维与废旧书本纸屑按1.5:1的配比快速成型制备了育果袋材料样品，并对其和市场具有代表性的5种育果袋的透气、保温、遮光性能以及水份管理能力等相关性能进行测试分析。结果表明：与市场参比样品相比，所制备的材料具有优良的套袋相关性能，其透气率和透气量分别达到了73.5 mm/s和173.7 L/m2·s；热量损失仅为265 kJ/h；可见光和紫外光范围内透过率分别为0.4%和0.09%；不仅如此，所制备的材料在30 min内芯吸高度达到了31 mm，平均湿蒸发速率为0.1165 g/h，保水性能明显优于市场葡萄专用育果袋样品。

降解；纤维素；玉米苞叶；育果袋材料；透气性；保温性能；遮光性能；水份管理能力

0 引 言

随着人们物质生活水平的不断提高，消费者保护自我和追求高品质生活的意识越来越强烈，对水果的要求转向了高品质和无公害。套袋水果因品相好、口感佳、无公害而赢得了消费者的厚爱。水果套袋技术，不仅可提高果实的结果率[1]、提升果实的着色度[2-4]、减少果锈[5]、使果实免受病虫及鸟类的侵害[6-7]、降低农药残留[8-11]以及增加维C和水份含量[12]，还能在储存期防止污染物和挥发物的入侵[13-14]，延长果品的储存期[15-16]，增加果农的经济收入。早在20世纪初，日本就开始研究对葡萄和梨进行套袋培育，70年代套袋技术在日本、韩国及美国等逐步被推广应用。20世纪80年代，日本研究人员尝试使用商用的双层纸袋对黄苹果进行套袋，探索套袋与不套袋苹果的果糖和有机酸含量的差异及对花青素发育的影响[17]。套袋的种类和材料可能对套袋水果产生巨大的影响，因此不同水果套袋推荐使用的材料可能完全不同[7,18]。目前，国外水果套袋材料品种繁多，主要包括：纸袋[19]、织物袋[20]、聚乙烯包装袋[21]、透明聚丙烯微穿孔包装袋[22]、尼龙袋[23]等。中国市场应用的育果袋产品主要包括传统的纸袋和塑料薄膜袋。研究表明：纸袋价格昂贵，雨天易打湿，袋子容易烂，导致果实感染病菌。塑料套袋价格低廉，可避免果品受病虫害污染，但果品着色较差[2,24]。目前对于育果袋材料制备方面的专题研究报道并不是很多。罗英[2]对育果袋的结构和性能进行了研究，并研制了一种由硬脂酸、硼砂和纯碱配制而成的石蜡乳液，作为育果袋纸张生产的抗水剂，以显著加强育果袋材料的抗水性。王玉珍[25]对目前水果的套袋技术、果袋质量等方面存在的问题进行了分析探讨，并结合实践提出了合理化的建议与对策。果农收获水果后，果园里的废旧育果袋满地乱扔、随处可见，给环境造成了极大的污染。随着中国大力推行绿色农业发展的战略，确保果农收入和环境保护协调发展，对现有育果袋的改善和可降解育果袋材料的研发迫在眉睫。

研究表明：玉米苞叶中不仅纤维含量丰富，纤维柔韧性好[26-28]，且成本低，环境效益好。目前，已有研究表明将少量玉米苞叶纤维与棉混纺，可以制备粗特混纺纱线[29]。此外，玉米苞叶可用作编织工艺品[30-31]、现代环保餐具[32]或将玉米苞叶纤维制备混凝土[33]、农用可降解膜[34]等。但整体来说玉米苞叶再利用率仍然很低，目前主要被焚烧、掩埋或作为饲料[30]。

本文通过对玉米穗的天然育果袋——玉米苞叶脱胶提取纤维，与废旧书本纸张中的木浆纤维一起制备育果袋用非织造织物。所用原料均来自于植物纤维，不仅具有生物相容性和可降解特性[35]，而且是对废旧书本和玉米苞叶的再利用，降低了育果袋的生产成本。使用后可直接在果园粉碎，作为肥料埋入土壤，使果园整体环境优美，将玉米苞叶变废为宝，做到“以农养农”，研究结果可为育果袋的生产及研发提供重要的设计思路和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米苞叶收集于农贸市场，废旧书本纸张少许；NaClO、NaOH、聚氧化乙烯（PEO）分散剂和Na2SiO3均为国产市售的分析纯。

为了将所制备的育果袋材料与市场育果袋做对比，特选取具有代表性的塑料薄膜育果袋A、葡萄专用育果袋B以及单层、双层和三层的育果袋C、D和E产品作为对照样品，表1为市场育果袋参比样品的基本结构参数。

表1 市场育果袋参比样品的基本结构参数

1.2 玉米苞叶育果袋材料制备

1.2.1 玉米苞叶纤维的提取

玉米苞叶的组成与麻相似，因此采用碱煮法来提取玉米苞叶纤维。通过玉米苞叶煮练优化工艺的综合分析[28,36]以及预试验，确定玉米苞叶纤维的脱胶工艺如下：首先配置浓度为10 %的NaClO溶液500 g，加入40 g玉米苞叶进行浸泡预处理10 min后，取出玉米苞叶进行清洗。再将NaOH、Na2SiO3分别按12和20 g/L的浓度依次加入到1 600 mL水中，加热到90 ℃后加入预处理过的玉米苞叶，在90 ℃恒温煮练150 min后，经水洗后并放入90 ℃烘箱中恒温烘干3 h，获得脱胶后的干燥玉米苞叶纤维，经称量质量为18.2 g，纤维的制成率为45.5%。通过对脱胶后的纤维随机分析200根，获得玉米苞叶纤维长度分布如表2所示，结果表明长度在>7～13 mm范围的玉米苞叶纤维占整个纤维的67.5 %。

表2 脱胶后玉米苞叶纤维长度分布

1.2.2 育果袋材料的制备

采用902201湿法成网快速成型仪（德国HG公司）对玉米苞叶纤维和废旧纸张打浆后进行湿法成网，制备可降解育果袋用的非织材料试验样品。废旧书本纸张剪碎后，因其中的木浆纤维较短，所以打浆均匀，但成网后拉伸应力较低，加入玉米苞叶短纤维可以使成网拉伸应力得以提高。然而，如果加入的玉米纤维长度过长，会使得纤维分散性能下降，从而导致成网均匀性和拉伸应力变差。为使制备的育果袋非织材料中纤维分布均匀，且具有一定的拉伸应力，预试验结果表明玉米苞叶纤维与纸张的质量比为1.5:1，且玉米苞叶的纤维长度为（5±0.5）mm时，确保纤维均匀分散的同时，成网后拉伸应力最优。

试验时首先把1.6 g纸张剪碎后放入烧杯中，加水没过纸屑，倒入打浆机中完全打散（打浆度为51叩解度（°SR）。将2.4 g玉米苞叶纤维剪成长度为（5±0.5）mm加入纸浆中，并用清水将PEO分散剂进行稀释后加入到混合的纸浆中，PEO的加入量为0.2%，采用HD2010W电动搅拌器（上海司乐仪器有限公司）进行充分搅拌融合，形成均一、分散的浆液，然后将玉米苞叶纤维和纸浆的混合浆液倒入到902201湿法成网快速成型仪（德国HG公司）中。整个纤维网成型过程包括：液体填充-气泡搅拌-纤维静置-溶液沉降-真空抽吸。最后将制备好的试样放置202-3A烘箱（中国莱州电子仪器有限公司）中，90 ℃烘干2 h，从而获得直径为20 cm的育果袋材料试样F，试样厚度为0.35 mm，面密度为110 g/m2。

1.3 育果袋材料的相关性能测试与表征

1）力学性能测试

将可降解育果袋材料试样F裁剪成100 mm×50 mm的试样各4条，将其中2条试样浸入水中，待试样完全润湿后取出，去除多余的水份。采用INSTRON5565万能材料试验机对试样F进行干、湿状态的力学性能测试，测试条件：温度为22 ℃，相对湿度为36%，夹持距离为50 mm，拉伸速度为50 mm/min，测试结果取2次试样的平均值。

2）微观结构

采用JCM-5000电镜扫描仪（日本电子株式会社）对试验样品进行微观结构观察和分析，加速电压为10 kV。

3）透气性能

采用YG461E/II型数字式透气量仪（宁波纺织仪器厂）进行测试，因育果袋没有统一的测试标准，故参照GB/T 5453-1997进行测量，样品测试面积为20 cm2，压差为100 Pa，每个样品测试10次，取其平均值作为最终结果。

4）保温性能

由于试验样品尺寸限制，样品的保温性能试验采用自行设计的方法进行测试，试验测试环境条件为：温度（28±2）℃，相对湿度为（55±5）%，由于本次试验在实验室完成，不考虑风速对测试结果的影响。

在1 600 mL的烧杯，加入1 400 mL的沸水，并测量其初始温度。然后，将测试样品套在烧杯的顶端，由上往下缓慢套上，并用橡皮筋将育果袋扎紧，防止热量散失。每隔10 min测量一次烧杯中的温度，每个样品测试5次，最终取平均值。采用热量损失来表征样品的保温性能，计算公式如式（1）所示。

=Δ（1）

式中为热量，J；为水的比热容，4.2 kJ/kg·℃；为烧杯中水的质量，kg；Δ为一定时间内烧杯内水温下降的温度值，℃。

5）遮光性能

采用UV-1600/UV-1800/V-1600/V-1800紫外/可见分光光度计（上海美谱达仪器有限公司）进行测试，测试样品裁剪为28 mm×8 mm的长条，波长扫描范围设置为600.0～200.0 nm，扫描间隔设置为1.0 nm。

6）水分管理能力

a. 芯吸高度

使用YG(B) 871毛细管效应测定仪（温州市大荣纺织标准仪器厂）进行测试，执行标准ZBW04019-90《纺织品毛细效应试验方法》。试验样品裁剪为200 mm× 25 mm的长条，使用重铬酸钾作为测试的特定溶液。

b. 水分干燥速率

使用M290DR水分干燥速率测试仪（SDL Atlas Ltd.）进行测试，将待测样品裁剪为8 cm×8 cm的方块，在待测样品上用注射器均匀注射1 mL蒸馏水，注水完毕后进行测试，观察并记录一定时间内水分质量的变化。

2 结果与分析

2.1 力学性能测试

材料的力学性能是其基本性能之一。育果袋材料首先需要具有一定的抗拉伸能力，确保育果袋能承受果品套袋时的外力作用，以及套袋果品在生长过程由于果品质量而产生的对育果袋的拉伸作用力。尤其是连绵阴雨天气，育果袋材料完全被雨水浸泡，但其仍需要具有一定的承载能力，为此需要测试分析育果袋材料干、湿态的力学性能。图1为育果袋材料干态和湿态的力学性能测试结果，可以看出育果袋材料干态、湿态能承受的最大载荷分别为20.02和13.79 N。按照一般正常水果的质量不超过0.25 kg（相当于2.45 N）计算，育果袋材料作为一次性使用材料完全能够满足育果袋的基本力学性能要求。

目前，市场的纸质育果袋由于结构密实，虽然具有卓越的拉伸强力，但其延伸性能较差，所以在套袋的时候育果袋容易破裂。而本课题所制备的可降解育果袋材料F属于非织材料，其与纸张相比，结构蓬松，且具有一定的延伸性能（如图2所示），这样在给果品套袋的时候就不会出现破裂的现象。

2.2 微观结构分析

图2为制备的育果袋材料F与市场参比样品的扫描电镜对比图。可以看出，参比样品A、B、C都为单层袋，表面都具有不均匀分布的微小孔隙。参比样品D的外层有一定的孔隙、但内层几乎看不到微孔的存在。参比样品E其外层和中层均可见不均匀分布的微孔，其内层为非常稀薄的非织造布，孔径较大，因此参比样品E虽然是3层结构，但其透气性能主要取决于外层和中层，里层的非织造布对其透气率几乎没有影响。本课题制备的育果袋材料F中玉米苞叶纤维铺层均匀，证明在制备育果袋材料时玉米苞叶短纤分散均匀。且纤维之间具有一定的孔隙，这些孔隙的存在确保育果袋材料具有优良的透气性能。

2.3 透气性能

透气性是衡量育果袋是否优质的一个重要参考依据。水果在成熟前期，需要生长在一个相对密闭的小环境当中。因此，育果袋必须要具有一定的透气性，这样果实可以与外界进行正常的物质交换，确保新陈代谢正常进行，有益于果实的成长。有研究表明育果袋的透气性对苹果的黑点病、重金属铅（Pb）以及总酸含量均具有显著的影响[37]。

表3为育果袋材料试验样品F与市场育果袋参比样品的透气性测试结果，需要说明的是塑料薄膜参比样品A于微孔太小，其透气性能指标无法测出。表3结果表明：与市场育果袋参比样品相比，育果袋材料F具有较高的透气率和透气量，分别达到了73.5 mm/s和173.7 L/m2·s，而市场上育果袋参比样品中透气率最大值为2.5 mm/s，透气量最大值为0.3 L/m2·s。育果袋材料F的结构属于非织造织物，其结构与纸张相比较为蓬松，纤维与纤维之间的缝隙孔洞较多，与市场育果袋参比样品相比（见表1），育果袋材料F的厚度虽然较厚，但其透气性与透气量均远大于市场育果袋参比样品。需要说明的是，育果袋材料F的透气率和透气量测量值的离散性稍大，究其原因是在于试样在湿法成型制备时，玉米苞叶纤维是人工剪成短纤维的，纤维长度控制不是均匀一致的，长度稍长纤维的加入会导致纤维分散均匀性下降，进而导致育果袋材料试样F中纤维分布不是非常均匀。

表3 育果袋材料F与市场参比样品的透气性能对比

2.4 保温性能

套袋后的水果生长在一个相对密闭的空间环境中，形成了一个微气候区。在天气骤变的情况下，育果袋如果能给水果提供一定的保温防护，这在一定程度上可以减缓由于气温骤降对果实所产生的恶劣影响，确保果实的品质、口感和产量。为此，研究育果袋材料的保温性能非常重要。

图3为温度（28±2）℃，相对湿度为（55±5）%的环境条件下育果袋材料F与市场育果袋参比样品的保温性能对比图，可以看出：育果袋材料F具有最优的保温性能，其对沸水保温60 min，沸水的热量损失为约265 kJ，而市场育果袋参比样品中热量损失最大的为样品C，达到了364.56 kJ。塑料薄膜袋样品A和葡萄专用袋样品B由于其孔隙微小，其保温效果也不错，其热量损失仅次于可降解育果袋材料F，但2.3节的研究结果表明塑料薄膜袋样品A和葡萄专用袋样品B透气性较差。育果袋材料F在具有良好的透气性能的同时还具有良好的保温性能，究其原因在于玉米苞叶纤维具有中空结构[26,28,38]，这样纤维中含有一定数量的静态空气，使得玉米苞叶在具有良好的透气性能的同时，还具有优越的保暖功能。

2.5 遮光性能

水果在生长过程中，日光照射起着十分重要的作用。在果实的生长前期，日光的照射必须十分充足，以利于果实进行光合作用，将外界环境中的无机物转化为有机物，以便储存糖分和一些自然界中所转化到的能量。水果成熟前约两个月需对其进行套袋。水果套袋不仅可以防止鸟类的侵袭、病虫的危害，还可以防止风、雨和日光的损伤。在水果生长后期，日光主要影响果皮的着色程度。太阳中的蓝光、紫光和青光等可以促进水果中花青素和叶绿素的形成，影响果实表面的着色。对水果套袋后使其在遮光条件下生长，可以抑制果皮叶绿素的形成，使水果表皮变为红色[39-41]。为此，分析探究育果袋的遮光性能十分必要。

图4为育果袋材料F与市场参比样品的遮光性能对比图。结果表明：市场育果袋样品D和E具有卓越的遮光性能，其在紫外和可见光范围内透光率均为0。虽然可以防护紫外光对果品的灼伤，但在可见光范围内完全遮光，并不利于果品的生长。塑料薄膜样品A对波段为200～600 nm范围的光线透过率远高于可降解育果袋材料F和市场参比样品，其不仅在可见光范围内透光率超过70%，在紫外光范围（200～400 nm）内也具有相当高的透过率，紫外透过率高容易使水果灼伤，对水果生长并不利。相比之下，育果袋材料F具有优异的遮光性能，它在可见光（400～600 nm）范围内具有0.4%的透光率，确保水果在生长的过程中进行一定的光合作用。同时育果袋材料F在紫外光范围（200～400 nm）内的透过率仅为0.09%，这不仅有利于保护果品免受紫外光的灼伤，还有利于果品着色。

2.6 水分管理能力

水果生长周期是一个漫长的过程，其中一定会受到连续干旱或连绵阴雨天气的影响，这就需要育果袋具备一定的水分管理能力，即具有一定的保水和导水功能。目前市场的纸品育果袋经过雨水的侵蚀后，雨水渗入到纤维之间的空隙当中，纤维的溶胀作用会使纤维间的结合力下降，进而导致育果袋破裂。此外，连绵阴雨天气，如果不能及时将水分导出，会使水果长期浸泡在雨水中，导致果锈或黑斑产生[42]，影响水果的品质。而在连续干旱的天气，育果袋应该具有一定的保水能力，这样才能确保水果在连续干旱时锁住水分，确保水果能正常生长。因此，研究水分管理能力对于套袋性能非常重要。

2.6.1 导水性能

织物的芯吸效应反映了水分通过毛细效应传递的能力，即材料的导水性能。图5为育果袋材料F与市场参比样品的芯吸效应对比图。可以看出：与市场参比样品相比，育果袋材料F的导水性能最优，其在30 min内芯吸高度达到了31 mm。究其原因在于：所制备的育果袋材料F为非织造织物，与纸品套袋相比，其结构蓬松，其中的玉米苞叶纤维经过脱胶处理，纤维表面具有许多导水沟槽，内部具有毛细空腔，而且加入的纸浆具有亲水基团，因此其芯吸高度非常卓越，这样连绵雨天育果袋中的积水能迅速排出，确保水果品质。其次是参比样品D也具有良好的芯吸能力，其在30 min芯吸高度达到了30 mm，原因在于样品D是由粗纸制备而成的，纸浆中含有大量的亲水性羟基。而参比样品A为塑料制成的薄膜，不具有亲水基团，因而芯吸能力最差，芯吸高度为0。为此，在利用塑料袋对水果进行套袋的时候，经常会看到农户在塑料袋的底部戳一个小洞，以免连绵雨天套袋里的积水能够尽快排出。

2.6.2 保水性能

保水性能是水果育果袋水分管理能力的另一个重要的方面，以单位时间内育果袋的水分蒸发质量来表示，水份蒸发的质量越多，保水性能越差。图6为育果袋材料F与市场参比样品的水分蒸发能力对比图。可以看出：市场常见的育果袋中，葡萄专用套袋样品B的湿蒸发能力最大，其保水性能最差。育果袋材料F的平均湿蒸发速率为0.1165 g/h，明显低于单层葡萄专用套袋样品B，即其保水性能好于葡萄专用套袋样品B，但略低于市场套袋样品D。究其原因在于市场育果袋样品D为2层结构，其中内层为防水纸，因此其保水性能优良。育果袋材料F虽然为单层，但厚度稍厚，其仍然具有良好的保水能力。

由此可见，课题所制备的育果袋材料F具有优异的导水性能和优良的保水性能，在连续干旱或连绵阴雨的时段具有良好的水分管理能力，有益于水果的正常生长。

3 结 论

采用碱煮法对玉米苞叶进行脱胶后提取纤维，将剪成（5±0.5）mm长的玉米苞叶纤维与废旧书本纸张碎屑按1.5:1配比，借用湿法成网快速成型仪进行湿法成网，成功制备了育果袋材料。对制备的育果袋材料试样及市场具有代表性的5种育果袋参比样品的套袋相关性能进行测试与分析，研究结论如下：

1）制备的育果袋材料具有一定的抗拉伸能力，其干、湿态的拉伸载荷分别达20.02和13.79 N，可以满足水果套袋的力学性能基本要求。

2）制备的育果袋材料的透气率和透气量远高于市场参比样品，分别达到了73.5 mm/s和173.7 L/m2·s；采用制备的育果袋材料对沸水保温60 min时，沸水的热量损失约265 kJ，保温性能优于市场参比样品；在可见光和紫外光范围内光线透过率分别为0.4%和0.09%；制备的育果袋材料具有优异的导水性能和良好的保水性能。

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Preparation of a degradable fruit bagging material from corn bracts and its relative performance

Chen Meiyu1,2, Sun Runjun1,2, Xia Binbin1, Wang Shan1, He Caiting1

(1.,,710048; 2.710048,)

This study aims to improve the utilization rate of abandoned corn bracts, while decreasing the production cost of the bag of fruit cultivating in sustainable agriculture. Five representative bags of fruit cultivating were collected in the market as the controlled samples, including the plastic film bag A, special bag B for grape, one-, two- and three-layered bag C, D, and E. The basic structural characteristics of controlled samples were firstly analyzed. Then, alkali cooking was used to degum the corn bracts for the extraction of fibers. Subsequently, the corn bract fibers were cut into 5±0.5 mm long, thereby mixing evenly with the waste paper scraps in a ratio of 1.5:1. The wet mesh forming was adopted to prepare the fruit-cultivating bag material F. The mechanical properties of material F were tested after fabrication. The experimental results showed that the prepared material F behaved a strong tensile resistance, where the tensile loads for the dry and wet material F were up to 20.02 and 13.79 N, respectively. Furthermore, an excellent extension performance was achieved for the high requirements of mechanical properties in the fruit bagging. A scanning electronic microscopy (SEM) was adopted to observe the microstructure of the prepared materials F and the controlled samples in the market, further to analyze the distribution of holes in the matrix. The bagging properties were also measured, including air permeability, heat-insulating property, shading property, and water management ability. The experimental data demonstrated that the fruit-cultivating bag material F presented an excellent air permeability. Specifically, the air-flow rate and permeability of material were 73.5 mm/s and 173.7 L/m2·s, respectively. In contrast to the controlled samples, the maximum air-flow rate and permeability were only 2.5 mm/s and 0.3 L/m2·s, respectively. In addition, the heat loss of boiling water was about 265 kJ, when the prepared material was used to keep the boiling water for 60 min. The transmittance of the material F was about 0.4 % in the visible light range, and 0.09% in the ultraviolet light range. The shielding properties showed that the prepared material ensured the photosynthesis of fruits during the growth process. Meanwhile, material F was expected to protect the fruit from ultraviolet light burning. Excellent ability of water conductivity was also achieved, where the core suction height reached 31 mm within 30 min. As such, the water in the fruit-cultivating bag during rainy days discharged quickly to enhance the quality of fruit products. Low wet evaporation indicated that the water retention performance was obviously better than that of the special bag B for the grape in the market. Most significantly, the thermal insulation performance of the new fabricated material was better than that of the controlled samples in the market.

degradation; cellulose;corn bracts; fruit cultivating bag material; air permeability; heat-insulating property; shading property; water management ability

陈美玉，孙润军，夏斌斌，等. 玉米苞叶可降解育果袋材料制备及其性能分析[J]. 农业工程学报，2021，37(5)：248-255.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.029 http://www.tcsae.org

Chen Meiyu, Sun Runjun, Xia Binbin, et al. Preparation of a degradable fruit bagging material from corn bracts and its relative performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 248-255. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.029 http://www.tcsae.org

2020-09-20

2020-12-08

国家级大学生创新创业项目（201810709005）；陕西省创新能力支撑计划（2020PT-043）；国家自然科学基金（No.52073224）

陈美玉，正高级工程师，研究方向为功能性材料。Email：yuanshijidi@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.029

X505

A

1002-6819(2021)-05-0248-08