CN110343272A - 一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶可食膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶可食膜及其制备方法。该可食膜以细菌纤维素纳米纤维、魔芋胶为基材，经过溶解、剪切、脱气、制膜、干燥等工艺制备而成。本发明制备的可食膜为魔芋胶基复合膜，在外观上接近塑料薄膜，机械性能、阻隔性能较优，防水性提高、热稳定性优良、安全环保，且制膜工艺简单。

Description

一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶可食膜及其制备方法
技术领域
本发明属于食品包装材料领域，涉及一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶可食膜的制备方法。
背景技术
近年来，由于可食膜优于传统的食品塑料包装膜，且具有良好的食品保鲜效果，引起了广泛关注。可食膜是由不同的材料制成的用来包裹食物，以延长保质期，并可与食物一同食用的薄膜。可食膜在食品表面的天然层上添加保护层，防止水分流失、风味流失和溶质流出食品，同时控制与食品货架期有关的氧气、二氧化碳、乙烯等气体的交换。目前广泛应用的可食性薄膜材料包括多糖、蛋白质、脂质，其中，魔芋胶被认为是一种安全无毒的可食用包装材料。
魔芋胶(KGM)是从多年生草本植物魔芋中提取的，它是由摩尔比约为1:1.6的D-葡萄糖和D-甘露糖以β-1,4糖甘键连接而成的一种非离子型多糖。KGM具有良好的生物相容性和生物降解性，在食品包装材料中得到了广泛的应用。但纯KGM膜机械强度低、抗菌能力差，耐水性差。因此，对KGM的结构进行了多种改性，以改善KGM膜性能，但由于工艺条件复杂、成本高、化学残留等原因，仍然存在一些问题。
据报道，纳米纤维素(纳米纤化纤维素、纳米晶纤维素和细菌纤维素纳米纤维)可作为增强剂用于生物复合材料中，可改善其防水性能、机械性能、热稳定性等性能。但是这种改善作用受制于增强对象本身的性质，使得生物复合材料仍需通过性能改进以及优化，以更好的满足其作为可食膜的应用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶可食膜及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜，该复合膜是将含有魔芋胶及细菌纤维素纳米纤维的成膜液经流延成膜或浇铸成膜而制成的，所述成膜液中魔芋胶:细菌纤维素纳米纤维的重量比为1:(0.01～0.04)。
优选的，所述成膜液是将魔芋胶、增塑剂(例如，甘油)、细菌纤维素纳米纤维与水(去离子水、超纯水或蒸馏水)混合后依次经剪切、脱气而制成的，其中，魔芋胶:增塑剂:细菌纤维素纳米纤维:水的混合比例按重量计为1:(0.2～0.35):(0.01～0.04):(75～125)。
优选的，所述复合膜的厚度为0.39～0.42mm。
上述细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将魔芋胶、细菌纤维素纳米纤维及增塑剂与水混合后依次经剪切、脱气，得成膜液；
2)将成膜液依次经制膜、干燥、平衡，得到细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜，即在外观上接近塑料薄膜的魔芋胶基可食膜。
优选的，所述步骤1)中，魔芋胶、细菌纤维素纳米纤维及增塑剂均为食品级原料，各原料与水混合的具体步骤为：将魔芋胶及增塑剂加入水(水的用量为所述魔芋胶质量的75～125倍)中后加热溶解并混合均匀，得混合液A；将细菌纤维素纳米纤维水悬浮液按照细菌纤维素纳米纤维的添加量为所述魔芋胶质量的1％～4％的比例加入混合液A中，得混合液B。
优选的，所述细菌纤维素纳米纤维水悬浮液的浓度按质量分数计为0.7％～1％，其中，细菌纤维素纳米纤维(采用强酸水解细菌纤维素而制成)的平均粒径为120～170nm；所述增塑剂为甘油，增塑剂的添加量为所述魔芋胶质量的20％～35％。
优选的，所述剪切的具体条件为：将混合液B在高剪切混合搅拌机中于16000～20000转/分钟下处理2～3分钟，所述脱气的具体条件为：将经过剪切的混合液B于50～60℃超声脱气25～35分钟。
优选的，所述制膜包括以下步骤：将成膜液以0.25～0.40mL/cm2倒入培养皿底部的水平面上(成膜液流动性强，自动铺开)，静置一段时间，直至成膜液均匀铺满整个培养皿底部。
优选的，所述干燥的具体条件为：将铺有成膜液的培养皿置于50～60℃烘箱中12～24小时；所述平衡的具体条件为：干燥后将所述培养皿置于23～28℃、45％～55％相对湿度的恒温恒湿器中40～50小时。
本发明的有益效果体现在：
本发明通过将细菌纤维素纳米纤维添加到魔芋胶成膜体系中，并控制细菌纤维素纳米纤维的添加量，充分利用细菌纤维素纳米纤维与魔芋胶的复合对魔芋胶膜进行改性，不仅解决了魔芋胶膜强度弱、稳定性差的问题，而且使得所制备出的魔芋胶基可食膜具有良好的机械性能、阻隔性能、热稳定性和较低的水溶性，增强了魔芋胶基可食膜的机械、防水等性能。本发明所用的细菌纤维素纳米纤维、魔芋胶为绿色、工业化产品材料，来源广泛，环境友好，生物可降解；本发明制备方法简单、易于操作、生产成本低廉、生产效率高，适合工业化推广生产应用。
进一步的，本发明通过优化魔芋胶可食膜加工条件，尤其是对制膜后的干燥过程的工艺参数控制，解决了经过平衡的复合膜难以完整剥离的问题。
附图说明
图1为本发明实施例制备的可食膜热稳定性测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。所述实施例用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。
实施例1
一、制备细菌纤维素纳米纤维(BCNs)
用CICC 10529菌株(Komagataeibacter xylinus，中国北京，中国工业菌种保藏中心)在30℃静态条件下培养发酵，培养基(pH 5.0)中含有葡萄糖2％(w/v)、酵母提取物0.5％(w/v)、K2HPO4 0.1％(w/v)、MgSO4 1.5％(w/v)以及乙醇2％(v/v)。经过14天的静态培养后，在培养基中可获得整片的纤维素膜。将纤维素膜用自来水冲洗一夜，然后在80℃的0.1M氢氧化钠溶液中浸泡2h，之后用去离子水反复冲洗将碱完全除去，得细菌纤维素。
将5.0g的细菌纤维素与75mL HCl(2.5M)混合，然后在70℃下磁力搅拌(200rpm)4h使其水解。水解结束冷却至室温，在10000×g条件下离心10min收集水解后的沉淀，接着对沉淀物进行二次水解，步骤与之前相同。水解后，加入去离子水超声洗涤悬浮液、离心(10000×g)，直到沉淀的pH呈中性为止，得细菌纤维素纳米纤维悬浮液，取样检测后储存在4℃冰箱备用(悬浮液的浓度为0.75wt％；纳米纤维的平均粒径为152.2nm)。
二、制备复合膜
称取一定量的魔芋胶粉末以及魔芋胶粉末质量30％的增塑剂(甘油)，并缓慢添加至一定体积的蒸馏水中，加热至95℃搅拌30min，得魔芋胶混合溶液。将步骤一制备的细菌纤维素纳米纤维悬浮液添加至魔芋胶混合溶液中(即原料魔芋胶粉末:甘油:细菌纤维素纳米纤维:蒸馏水的重量比为1:0.3:0.01:100)，然后在高剪切混合搅拌机中于20000转/分钟下处理2分钟，然后于60℃超声脱气30分钟，得到成膜液。取20mL制备好的成膜液倒在9cm直径培养皿中，静置一段时间，待成膜液均匀铺满整个培养皿底部后置于50烘箱中干燥24h，最后，将所述培养皿置于25℃、50％相对湿度的恒温恒湿器中平衡48h，即可得到细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜(简称魔芋胶基可食膜)。
魔芋胶基可食膜在外观上接近塑料薄膜，对该可食膜进行分析，其抗张强度、断裂伸长、水汽渗透率和水溶性分别为50.29Mpa、8.59％、5.21×10-10g·m/Pa·s·m2和100％，热稳定性见图1。
实施例2
本实施例与实施例1的不同在于：步骤二中魔芋胶粉末:甘油:细菌纤维素纳米纤维:蒸馏水的重量比为1:0.3:0.02:100。对实施例2所得魔芋胶基可食膜进行分析，其抗张强度、断裂伸长、水汽渗透率和水溶性分别为69.43Mpa、9.44％、5.03×10-10g·m/Pa·s·m2和68.97％，热稳定性见图1。
实施例3
本实施例与实施例1的不同在于：步骤二中魔芋胶粉末:甘油:细菌纤维素纳米纤维:蒸馏水的重量比为1:0.3:0.03:100。对实施例3所得魔芋胶基可食膜进行分析，其抗张强度、断裂伸长、水汽渗透率和水溶性分别为74.50Mpa、8.911％、4.56×10-10g·m/Pa·s·m2和61.50％，热稳定性见图1。
实施例4
本实施例与实施例1的不同在于：步骤二中魔芋胶粉末:甘油:细菌纤维素纳米纤维:蒸馏水的重量比为1:0.3:0.04:100。对实施例4所得魔芋胶基可食膜进行分析，其抗张强度、断裂伸长、水汽渗透率和水溶性分别为82.01Mpa、5.70％、3.66×10-10g·m/Pa·s·m2和55.35％，热稳定性见图1。
根据以上实施例，当细菌纤维素纳米纤维(BCNs)的添加量从1％增加至4％时，魔芋胶基可食膜的抗张强度从50.29Mpa显著提高到82.01Mpa；断裂伸长则是在BCNs添加量为1％、2％时，分别增加为8.59％和9.44％，当BCNs添加至4％时，降低到5.70％；水汽渗透率和水溶性随BCNs的添加量从1％增加至4％，都是有显著降低，水汽渗透率从5.21×10-10g·m/Pa·s·m2降低到3.66×10-10g·m/Pa·s·m2，水溶性从100％降低到55.35％；热稳定性相较于纯魔芋胶膜都有明显提高，而且随着BCNs的增多热稳定效果更好，尤其在添加量为4％时。
本发明制备的细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶可食膜与采用其他基材制备的可食膜相比具有明显优势。例如，壳聚糖基可食膜在细菌纤维素纳米纤维0％～10％的添加量范围内，其抗张强度最高为49.55Mpa；琼脂基可食膜在细菌纤维素纳米纤维0％～10％的添加量范围内，其抗张强度最高为44.51Mpa。而在1％～4％的细菌纤维素纳米纤维添加量范围内，本发明制备的魔芋胶基可食膜的最大抗张强度为82.01Mpa。

Claims (10)

1.一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜，其特征在于：该复合膜是将含有魔芋胶及细菌纤维素纳米纤维的成膜液经流延成膜或浇铸成膜而制成的，所述成膜液中魔芋胶:细菌纤维素纳米纤维的重量比为1:(0.01～0.04)。
2.根据权利要求1所述一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜，其特征在于：所述成膜液中还含有增塑剂。
3.根据权利要求2所述一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜，其特征在于：所述成膜液是将魔芋胶、增塑剂、细菌纤维素纳米纤维与水混合后依次经剪切、脱气而制成的，其中，增塑剂为甘油，魔芋胶:增塑剂:细菌纤维素纳米纤维:水的混合比例按重量计为1:(0.2～0.35):(0.01～0.04):(75～125)。
4.根据权利要求1所述一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶可食膜，其特征在于：所述复合膜的厚度为0.39～0.42mm。
5.一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将魔芋胶、细菌纤维素纳米纤维及增塑剂与水混合后依次经剪切、脱气，得成膜液；
2)将成膜液依次经制膜、干燥、平衡，得到细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜。
6.根据权利要求5所述一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，魔芋胶、细菌纤维素纳米纤维及增塑剂均为食品级原料，各原料与水混合的具体步骤为：将魔芋胶及增塑剂加入魔芋胶质量75～125倍的水中后加热溶解并混合均匀，得混合液A；将细菌纤维素纳米纤维水悬浮液按照细菌纤维素纳米纤维的添加量为所述魔芋胶质量的1％～4％加入混合液A中，得混合液B。
7.根据权利要求6所述一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜的制备方法，其特征在于：所述细菌纤维素纳米纤维水悬浮液的浓度按质量分数计为0.7％～1％，其中，细菌纤维素纳米纤维的平均粒径为120～170nm；所述增塑剂为甘油，增塑剂的添加量为所述魔芋胶质量的20％～35％。
8.根据权利要求7所述一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜的制备方法，其特征在于：所述剪切的具体条件为在高剪切混合搅拌机中于16000～20000转/分钟下处理2～3分钟，所述脱气的具体条件为于50～60℃超声脱气25～35分钟。
9.根据权利要求8所述一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜的制备方法，其特征在于：所述制膜包括以下步骤：将成膜液以0.25～0.40mL/cm2倒在水平面上，静置一段时间，直至成膜液均匀铺展。
10.根据权利要求9所述一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶复合膜的制备方法，其特征在于：所述干燥的具体条件为置于50～60℃烘箱中12～24小时；所述平衡的具体条件为置于23～28℃、45％～55％相对湿度的恒温恒湿器中40～50小时。
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