CN110241658B - 一种提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，基于微米纤维素（MFC）良好的成膜性能和硫酸盐纳米木质素（KNL）的超疏水性能，通过抽滤沉积或浸渍吸附在纸张表面，形成致密疏水层，从而提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能。本发明将分散均匀的微米纤维素通过真空抽滤沉积在纸张表面，沉积量为8.0 g/m2，硫酸盐纳米木质素吸附量为4.0 g/m2时，纸张在23℃，50%相对湿度（RH）下水蒸气透过率能降低90%，油脂阻隔率达到100%。

Description

一种提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法
技术领域
本发明属于食品包装材料领域，具体涉及一种提高食品包装纸张水蒸气和油 脂阻隔性能的方法。
背景技术
利用可再生资源生产食品包装材料获得越来越多的关注。纤维素是地球上储 量最大的可再生资源。纤维素纸张作为绿色环保材料被广泛应用各大领域，但传 统的疏水改性-施胶不能满足纸张作为食品包装材料所需的防潮防油性能。温度、 湿度、压力等都能直接或间接地对食品的质量和保质期造成影响。例如,干燥食 品的脆性会因水分的增加而丧失,而新鲜的蔬果则会因水分的流失而不再新鲜。 目前对纸张的防潮防油处理一般采取纸-塑或纸-金属的复合材料,阻隔水蒸气和 油脂的效果明显，但塑料/金属－纸张的绿色环保性能难以保证。壳聚糖、纳米 纤维素、淀粉等绿色环保、无毒可再生材料具有良好的成膜性能。章伟伟等曾利 用壳聚糖－蜂蜡双层涂布纸张以提高纸张水蒸气阻隔性能，其研究表明，纸张表 面形成的均匀致密薄膜在满足低溶解系数和低扩散系数的条件下，能有效抑制水 蒸气的扩散。Rodionova等将高压均质处理的纤维素制成纤维素膜，该纤维素膜 具有较好的水蒸气阻隔性能，但壳聚糖、纳米纤维素、淀粉等材料都有较强的亲 水性能，其水蒸气阻隔性能与纸-塑复合材料还有很大差距。无机纳米材料如蒙 脱土、纳米氧化锌、纳米银粒子、纳米二氧化钛等都能有效改善纸张的水蒸气和 油脂阻隔性能，但作为食品包装材料仍存在一些安全隐患。本方法基于微米纤维 素(MFC)良好的成膜性能，结合来源于天然木材的硫酸盐纳米木质素(KNL) 特有的超疏水性能，在纸张表面形成致密疏水膜，以提高食品包装纸张的水蒸气 和油脂阻隔性能。
发明内容
针对现有问题的不足，本发明的目的是提供一种提高食品包装纸张水蒸气和 油脂阻隔性能的方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，将微米纤维素分散均 匀后，抽滤沉积在纸张表面，干燥后浸渍在硫酸盐纳米木质素溶液中，纸张吸附 硫酸盐纳米木质素，再加压干燥即得。本发明基于微米纤维素良好的成膜性能和 硫酸盐纳米木质素的超疏水性能，在纸张表面形成致密疏水层，从而提高纸张水 蒸气和油脂阻隔性能。
作为本申请的优选技术方案，所述微米纤维素在水中的分散浓度为0.1～1.0wt％，所述硫酸盐纳米木质素溶液的浓度为1.0～10.0wt％。
作为本申请的优选技术方案，所述微米纤维素在水中的分散浓度为0.1～0.5wt％，所述硫酸盐纳米木质素溶液的浓度为2.0～5.0wt％。在抽滤沉积前，需将 微米纤维素分散均匀；浸渍吸附前，需将硫酸盐纳米木质素溶解完全。
作为本申请的优选技术方案，所述微米纤维素是由漂白木浆经超微粒研磨处 理制得，研磨处理时间为1h。
作为本申请的优选技术方案，所述硫酸盐纳米木质素来源于硫酸盐法制浆， 经碱溶酸沉后获得硫酸盐纳米木质素，添加硼砂制得硫酸盐纳米木质素溶液，其 中，所述硼砂的质量浓度为2％。
作为本申请的优选技术方案，所述硫酸盐纳米木质素制备方法如下：称取硫 酸盐木质素分散于水中，缓慢滴加1mol/L的NaOH，至pH为12.0，搅拌1h 后，缓慢滴加0.25mol/L的HCl，至pH为2.0，再透析后，得到硫酸盐纳米木质 素。
作为本申请的优选技术方案，所述微米纤维素采用真空抽滤沉积法沉积在纸 张表面。
作为本申请的优选技术方案，所述硫酸盐纳米木质素的浸渍时间为8～48h。
作为本申请的优选技术方案，所述干燥温度为60±5℃。
作为本申请的优选技术方案，微米纤维素在纸张表面沉积量为4.0～8.0g/m2， 硫酸盐纳米木质素的吸附量为2.0～4.0g/m2。
有益效果
(1)将分散均匀的微米纤维素通过真空抽滤沉积在纸张表面，沉积量为8.0g/m2，硫酸盐纳米木质素吸附量为4.0g/m2时，纸张在23℃，50％相对湿度(RH) 下水蒸气透过率能降低90％，油脂阻隔率达到100％；
(2)本发明利用来源于可再生木质纤维素的微米纤维素和硫酸盐纳米木质素， 通过真空抽滤沉积或浸渍吸附在纸张表面，该方法安全环保，且能有效提高食品 包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能。
附图说明
图1为微米纤维素和硫酸盐纳米木质素的形态图，其中，1A为微米纤维素， 1B为硫酸盐纳米木质素。
图2为原纸、微米纤维素沉积纸张和硫酸盐纳米木质素浸渍吸附纸张表面形 态SEM图，其中，图2A为原始滤纸，图2B为MFC沉积滤纸，图2C为MFC+KNL 吸附滤纸。。
图3为微米纤维素沉积纸张和硫酸盐纳米木质素浸渍吸附纸张截面形态 SEM图。
图4为微米纤维素沉积纸张和硫酸盐纳米木质素浸渍吸附纸张表面形态 AFM图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步详细说明。所用试剂或者仪器设备未注明 生产厂商的，均视为可以通过市场购买的常规产品。
以下实施例所使用的硫酸盐木质素购自于Sigmal，漂白木浆由山东一浆厂提 供。
微米纤维素的制备方法：将2.0％的漂白木浆悬浮液经超微粒研磨处理制得， 研磨处理时间为1h。
硫酸盐纳米木质素的制备方法：称取硫酸盐木质素，称取硫酸盐木质素分散 于水中，缓慢滴加1mol/L的NaOH，至pH为12.0，搅拌1h后，缓慢滴加0.25 mol/L的HCl，至pH为2.0，添加质量浓度2％的硼砂，再透析后，即得添加硼 砂制得硫酸盐纳米木质素溶液。
上述微米纤维素(MFC)和硫酸盐纳米木质素(KNL)的形态图分别如图 1A和图1B所示。
实施例1：微米纤维素复合硫酸盐纳米木质素降低Fisher Board(P4,98g/m2) 滤纸水蒸气和油脂透过率。
方法：
将微米纤维素均匀分散(0.1wt％)，真空抽滤沉积在Fisher Board(P4,98 g/m2)滤纸表面，置于蜡纸间加压干燥(60℃)，获得微米纤维素沉积纸张。将 干燥后微米纤维素沉积纸张浸渍在硫酸盐纳米木质素溶液(5.0wt％)中8-48h， 置于蜡纸间加压干燥(60℃)，获得硫酸盐纳米木质素吸附纸张。根据TAPPI T448om-09标准方法，测定纸张在23℃，50％相对湿度(RH，饱和硝酸镁溶 液)下的水蒸气透过率。根据TAPPI T507cm-85标准方法，测定纸张在60℃， 400g重压下油脂透过率。
实验结果：
如表1所示，空白样Fisher Board(P4,98g/m2)滤纸在23℃，50％RH下 的水蒸气透过率为538g/m2/d。当MFC在滤纸表面沉积量为4.0g/m2，MFC(4.0 g/m2)水蒸气透过率降低至459g/m2/d。继续提高滤纸表面MFC沉积量至8.0 g/m2，MFC(8.0g/m2)水蒸气透过率下降至258g/m2/d。将MFC沉积纸张(8.0 g/m2)浸渍在硫酸盐纳米木质素溶液中，当硫酸盐纳米木质素在纸张表面吸附量 为2.0g/m2，KNL(2.0g/m2)水蒸气透过率为116g/m2/d。继续提高纸张表面 硫酸盐纳米木质素吸附量至4.0g/m2，KNL(4.0g/m2)水蒸气透过率为52g/m2/d。 对比原始滤纸，经微米纤维素沉积和硫酸盐纳米木质素吸附的纸张水蒸气透过率 下降了90％。
表1 Fisher Board(P4,98g/m2)滤纸水蒸气透过率(g/m2/d)
Figure BDA0002076396250000041
如表2所示，空白样Fisher Board(P4,98g/m2)滤纸在60℃，400g重压 下的油脂透过率为91.3％。微米纤维素在滤纸表面沉积量为4.0g/m2和8.0g/m2时，油脂透过率分别下降为56.8％和32.5％。硫酸盐纳米木质素在微米纤维素沉 积纸张表面吸附量为2.0g/m2时，油脂透过率继续下降至8.9％。当硫酸盐纳米 木质素在微米纤维素沉积纸张表面吸附量为4.0g/m2时，油脂透过率为0.0％， 即油脂阻隔率为100％。
表2 Fisher Board(P4,98g/m2)滤纸油脂透过率(％)
Figure BDA0002076396250000042
原纸Fisher Board(P4,98g/m2)，微米纤维素沉积纸张和硫酸盐纳米木质素 吸附纸张的表面形态见图2。其中图2A为原始滤纸，图2B为MFC(8.0g/m2) 沉积滤纸，图2C为MFC+KNL(8.0g/m2+4.0g/m2)吸附滤纸。图3为微米纤维 素沉积纸张和硫酸盐纳米木质素浸渍吸附纸张截面形态SEM图。如图3所示， 经微米纤维素沉积，硫酸盐纳米木质素吸附，滤纸表面形成了平滑致密的疏水膜 (图3)，从而有效阻隔水蒸气和油脂，降低水蒸气和油脂透过率。微米纤维素 沉积滤纸和硫酸盐纳米木质素吸附滤纸在原子力显微镜(AFM)下的三维和表面形态见图4。硫酸盐纳米木质素颗粒在纤维表面的吸附增加了滤纸的表面粗糙 度。此外，微米纤维素和纳米木质素复合而成的微纳结构有利于油水的阻隔。
实施例2：微米纤维素复合硫酸盐纳米木质素降低Fisher Board(P8,68g/m2) 滤纸水蒸气和油脂透过率。
方法：
将微米纤维素均匀分散(0.1wt％)，真空抽滤沉积在Fisher Board(P8,68 g/m2)滤纸表面，置于蜡纸间加压干燥(60℃)，获得微米纤维素沉积纸张。将 干燥后微米纤维素沉积纸张浸渍在5.0wt％硫酸盐纳米木质素溶液中8-48h，置 于蜡纸间加压干燥(60℃)，获得硫酸盐纳米木质素吸附纸张。根据TAPPI T448om-09标准方法，测定纸张在23℃，50％相对湿度(RH，饱和硝酸镁溶 液)下的水蒸气透过率。根据TAPPI T507cm-85标准方法，测定纸张在60℃， 400g重压下油脂透过率。
实验结果：
如表3所示，空白样Fisher Board(P8,68g/m2)滤纸在23℃，50％RH下 的水蒸气透过率为743g/m2/d。当MFC在滤纸表面沉积量为8.0g/m2，MFC(8.0 g/m2)水蒸气透过率降低至325g/m2/d。将MFC沉积纸张(8.0g/m2)浸渍在硫 酸盐纳米木质素溶液中，当硫酸盐纳米木质素在纸张表面吸附量为4.0g/m2， KNL(4.0g/m2)水蒸气透过率为81g/m2/d。对比原始滤纸，经微米纤维素沉积 和硫酸盐纳米木质素吸附的纸张水蒸气透过率下降了89％。
表3 Fisher Board(P8,68g/m2)滤纸水蒸气透过率(g/m2/d)
Figure BDA0002076396250000051
如表4所示，空白样Fisher Board(P8,68g/m2)滤纸在60℃，400g重压 下的油脂透过率为95.4％。微米纤维素在滤纸表面沉积量为8.0g/m2时，油脂透 过率下降至35.5％。当硫酸盐纳米木质素在微米纤维素沉积纸张表面吸附量为4.0 g/m2时，油脂透过率为0.2％，即油脂阻隔率接近100％。
表4 Fisher Board(P8,68g/m2)滤纸油脂透过率(％)
Figure BDA0002076396250000061
实施例3：不同浓度微米纤维素沉积和硫酸盐纳米木质素吸附对滤纸水蒸气 和油脂透过率的影响。
方法：
将微米纤维素(0.1，0.2，0.5，1.0wt％)分散均匀，真空抽滤沉积在Fisher Board(P4,98g/m2)滤纸表面，置于蜡纸间加压干燥(60℃)，获得微米纤维 素沉积纸张。将干燥后微米纤维素沉积纸张浸渍在不同浓度硫酸盐纳米木质素溶 液(1.0，2.0，5.0，10.0wt％)中，置于蜡纸间加压干燥(60℃)，获得硫酸盐 纳米木质素吸附纸张。根据TAPPI T448om-09标准方法，测定纸张在23℃，50％ 相对湿度(RH，饱和硝酸镁溶液)下的水蒸气透过率。根据TAPPI T507cm-85 标准方法，测定纸张在60℃，400g重压下油脂透过率。
实验结果：
如表5所示，空白样Fisher Board(P4,98g/m2)滤纸在23℃，50％RH下 的水蒸气透过率为538g/m2/d。当MFC浓度为0.1，0.2，0.5wt％时，MFC(8.0 g/m2)沉积滤纸的水蒸气透过率分别为258，262，265g/m2/d，而当MFC浓度 提高至1.0wt％时，滤纸的水蒸气透过率提高至332g/m2/d。这主要是由于高浓 的MFC悬浮液分散不均匀，在滤纸表面沉积过程中发生絮聚，降低了纸张表面 成膜的完整和致密性，使得纸张水蒸气阻隔性能下降。因此，为保证纸张水蒸气 阻隔效率，微米纤维素悬浮液浓度需控制在0.1～0.5wt％。
表5不同微米纤维素浓度沉积滤纸水蒸气透过率(g/m2/d)
Figure BDA0002076396250000062
表6不同微米纤维素浓度沉积滤纸油脂透过率(％)
Figure BDA0002076396250000071
微米纤维素浓度0.1wt％，沉积量8.0g/m2的微米纤维素沉积纸张浸渍在不 同浓度硫酸盐纳米木质素溶液(1.0，2.0，5.0，10.0wt％)中，水蒸气和油脂透 过率见表7和表8。实验结果表明硫酸盐纳米木质素溶液浓度需控制在2.0～5.0 wt％。
表7不同浓度硫酸盐纳米木质素溶液浸渍滤纸水蒸气透过率(g/m2/d)
Figure BDA0002076396250000072
表8不同浓度硫酸盐纳米木质素溶液浸渍滤纸油脂透过率(％)
Figure BDA0002076396250000073
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围 下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的 权利要求为保护范围。

Claims (10)

1.一种提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，其特征在于，将微米纤维素均匀分散在水中后沉积在纸张表面，干燥后浸渍在添加硼砂的硫酸盐纳米木质素溶液中，纸张吸附硫酸盐纳米木质素，再加压干燥即得。
2.根据权利要求1所述的提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，其特征在于，所述微米纤维素在水中的分散浓度为0.1~1.0 wt%，所述硫酸盐纳米木质素溶液的浓度为1.0~10 wt%。
3.根据权利要求2所述的提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，其特征在于，所述微米纤维素在水中的分散浓度为0.1~0.5 wt%，所述硫酸盐纳米木质素溶液的浓度为2.0~5.0 wt%。
4.根据权利要求3所述的提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，其特征在于，所述微米纤维素是由漂白木浆经超微粒研磨处理制得，研磨处理时间为1 h。
5.根据权利要求3所述的提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，其特征在于，硫酸盐木质素是来源于硫酸盐法制浆，经碱溶酸沉后获得硫酸盐纳米木质素，添加硼砂制得硫酸盐纳米木质素溶液，其中，所述硼砂的质量浓度为2%。
6.根据权利要求5所述的提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，其特征在于，所述硫酸盐纳米木质素制备方法如下：称取硫酸盐木质素分散于水中，缓慢滴加1 mol/L的NaOH，至pH为12.0，搅拌1 h后，缓慢滴加0.25 mol/L的HCl，至pH为2.0，再透析后，得到硫酸盐纳米木质素。
7.根据权利要求1所述的提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，其特征在于，所述微米纤维素采用真空抽滤沉积法沉积在纸张表面。
8.根据权利要求1所述的提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，其特征在于，所述硫酸盐纳米木质素的浸渍时间为8~48 h。
9.根据权利要求1所述的提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，其特征在于，所述干燥温度为60±5 ℃。
10.根据权利要求1所述的提高食品包装纸张水蒸气和油脂阻隔性能的方法，其特征在于，微米纤维素在纸张表面沉积量为4.0~8.0 g/m2，硫酸盐纳米木质素在纸张表面吸附量为2.0~4.0 g/m2。
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