CN111663368B - 一种高强度抗菌涂布纸的制备方法 - Google Patents

一种高强度抗菌涂布纸的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种食品用抗菌涂布纸的制备方法，包括以下步骤：(1)将纤维素浆板粉碎，得到絮状纤维素原料；(2)准备乙酰化溶液；(3)絮状纤维素原料加入到乙酰化溶液中溶解并反应得到乙酰化纤维素溶液；(4)向乙酰化纤维素溶液中依次加入增塑剂和抗菌剂得到抗菌涂布液；(5)将抗菌涂布液均匀涂布在纸张表面，风干后得到抗菌涂布纸；(6)将抗菌涂布纸清洗洗去残留溶剂并干燥。本发明通过在纸张表面涂布抗菌涂布液，使其不仅具有抗菌性能，而且具有可降解性、高阻隔性、高力学强度、所用抗菌剂安全简便等优越性能，解决了传统包装纸现存的问题，具有更好的推广前景。

Description

一种高强度抗菌涂布纸的制备方法
技术领域
本发明属于食品包装领域，具体涉及一种抗菌涂布纸的制备方法。
背景技术
近年来，由食品变质导致的浪费引起了人们的广泛关注。根据联合国粮食及农业组织最近的统计表明，多达1/3的食品在食用前就因变质而被丢掉。食品中微生物的生长是导致其变质和浪费的重要因素。这要求食品包装不仅要起到储存食品的作用，还要具有抑制微生物生长，延长食品货架期的功能。
使用抗菌纸包装食品不仅可以抑制食品中微生物的生长，还具有绿色环保、可生物降解的特性。抗菌纸的抗菌效果主要取决于抗菌剂的品质。目前，抗菌纸生产过程中较为常用的抗菌剂主要分为3大类：有机抗菌剂、无机抗菌剂和天然抗菌剂。有机和无机抗菌剂一般通过浆内添加，具有良好的抗菌效果，但有机抗菌剂分解产物有毒，会对人体健康和环境产生不利影响，无机抗菌剂制备过程繁琐、价格昂贵。从植物中提取的天然抗菌剂，如植物精油甲壳素、芥末、山葵等，因其使用简便且安全性高而备受青睐。为了避免浆内添加留着率低、抗菌效果差，天然抗菌剂主要以涂布的方式添加。
此外，抗菌纸张含有微孔结构，氧气、水蒸气等气体分子容易通过微孔进行吸附和运输，导致抗菌包装纸阻隔性能和力学强度较差。为了改善纸张的阻隔性能和力学强度，一般采用石蜡、聚苯胺、胶乳等合成聚合物涂布在纸张表面，但同时会丧失纸张的可回收性和生物降解性，不符合绿色包装的理念。将可生物降解的聚合物与天然抗菌剂共混对纸张进行涂布处理，不仅可以阻塞微孔提高阻隔性能，还可以增加纸张纤维间的氢键数量，提高抗菌纸的力学强度。因此，有必要开发一种安全的，具有生物降解性、高阻隔性、高强度的抗菌包装纸。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中抗菌纸阻隔性差、力学强度低、抗菌剂制备繁琐且存在安全风险的问题，提供一种食品用抗菌涂布纸的制备方法。
根据本发明的所述食品用抗菌涂布纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料；
(2)将乙酸、乙酸酐、催化剂在室温下按照一定比例混合得到乙酰化溶液；
(3)在一定温度且搅拌条件下，将步骤(1)所得絮状纤维素原料加入到步骤(2)所述乙酰化溶液中溶解并反应得到乙酰化纤维素溶液；
(4)室温搅拌条件下，向上述乙酰化纤维素溶液中依次加入一定量的增塑剂和抗菌剂得到抗菌涂布液；
(5)将步骤(4)所得抗菌涂布液按照一定量均匀涂布在纸张表面，置于室温下风干1h～5h，得到抗菌涂布纸；
(6)将步骤(5)所得抗菌涂布纸在蒸馏水中清洗2～6次彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥。
优选地，步骤(1)中所述纤维素浆板原料是聚合度为300～1600的纤维素，包括微晶纤维素、棉短绒、木材溶解浆等。
优选地，步骤(2)中所述乙酰化溶液按重量份包括50～70份的乙酸、30～50份的乙酸酐、0.1～0.2份的催化剂。
优选地，步骤(2)中所述催化剂为盐酸、磺酸、高氯酸、硫酸、三氟化硼、四氟硼酸，更优选为硫酸。
优选地，步骤(3)中所述纤维素溶液中絮状纤维素原料所占乙酰化溶液质量百分比为6％～12％。
优选地，步骤(3)中所述反应温度为40℃～70℃，搅拌桨转速为100rpm～300rpm，反应时间为10min～50min。
优选地，步骤(4)中所述增塑剂和抗菌剂分别占乙酰化溶液质量百分比的1％～3％、2％～6％。
优选地，步骤(4)中所述搅拌桨转速为100rpm～300rpm，时间为10min～30min。
优选地，步骤(4)中所述增塑剂为柠檬酸三丁酯、柠檬酸三辛酯、乙酰柠檬酸三丁酯、丙三醇、环氧大豆油，更优选为乙酰柠檬酸三丁酯。
优选地，步骤(4)中所述抗菌剂为百里酚、肉桂醛、香草酚、香草醛，更优选为百里酚。
优选地，步骤(5)中所述抗菌涂布液涂布定量为5～40g/m2，纸张优选字典纸、临摹纸、打印纸、牛皮纸，更优选为牛皮纸。
有益效果
本发明通过在纸张表面涂布抗菌涂布液，使其不仅具有抗菌性能，而且具有可降解性、高阻隔性、高力学强度、所用抗菌剂安全简便等优越性能，解决了传统包装纸现存的问题，具有更好的推广前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例2中抗菌涂布纸对大肠杆菌的抗菌图。
图2为实施例2中抗菌涂布纸对金黄色葡萄球菌的抗菌图。
具体实施方式
以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
本发明的发明人发现在纸张表面涂布含有乙酰化纤维素的抗菌涂布液，不仅可以赋予纸张抗菌性能，还能提高纸张的阻隔性能和力学强度。其中抗菌涂布液为纤维素、抗菌剂、增塑剂的混合物，该抗菌涂布液能够很好地与纸张结合，最后得到具有高阻隔性和高力学强度的抗菌涂布纸。在根据本发明的制备方法的步骤(4)中向纤维素溶液中依次加入一定量的增塑剂、抗菌剂得到抗菌涂布液。当抗菌涂布液中抗菌剂添加量小于乙酰化溶液质量百分比的2％时，抗菌涂布纸在抗菌测试中不会出现抑菌环，抗菌性能差。当抗菌剂添加量大于乙酰化溶液质量百分比的6％时，随着添加量的增加，抗菌性能虽略有提升，但抗菌涂层与纸张不能很好地结合，抗菌涂布纸的力学强度会显著下降，所以抗菌剂最佳的添加量是基于乙酰化溶液质量百分比的2％～6％。
优选地，根据本发明所述食品用抗菌涂布纸的制备方法的步骤(1)中纤维素浆板被粉碎成为平均长度和直径分别约为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料。如果絮状纤维素原料的长度过长或直径过粗时，则导致后续乙酰化反应不充分；如果絮状纤维素原料的长度过短或直径过细时，则会发生局部过乙酰化，甚至由于强酸导致的炭化等问题。
优选地，步骤(2)中所述乙酰化溶液按重量份包括50～70份的乙酸、30～50份的乙酸酐、0.1～0.2份的催化剂。乙酸和乙酸酐用来将纤维素中的羟基取代为乙酰基，催化剂为了加快反应的进行。如果上述乙酸、乙酸酐和催化剂不在上述范围内时，所制备的抗菌涂布液不能在纸张表面形成均匀涂层，各项性能较差。
优选地，步骤(2)中所述催化剂可以选自盐酸、磺酸、高氯酸、硫酸、三氟化硼和四氟硼酸，但考虑到所用酸的经济性以及对设备的要求，更优选为硫酸。
优选地，步骤(3)中所述纤维素溶液中絮状纤维素原料所占乙酰化溶液质量百分比为6％～12％。如果所述絮状纤维素原料的含量小于6％，则抗菌涂布的纸力学性能提升不理想；如果所述絮状纤维素原料的含量大于12％，则抗菌效果有所劣化。
以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。
实施例1
将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料。将40ml乙酸、20ml乙酸酐、0.05ml浓硫酸倒入三口烧瓶中，在150rmp搅拌桨搅拌下加入10g絮状纤维素原料，60℃溶解并反应30min，得到纤维素溶液。向纤维素溶液中依次加入2ml乙酰柠檬酸三丁酯和6g百里酚继续搅拌20min，得到抗菌涂布液。接着，将抗菌涂布液涂布在牛皮纸表面，涂布量为20g/m2，室温风干2h。最后，将风干的涂布纸浸入去离子水中清洗3次，彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥，得到抗菌涂布纸。
实施例2
将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料。将60ml乙酸、40ml乙酸酐、0.1ml浓硫酸倒入三口烧瓶中，在150rmp搅拌桨搅拌下加入10g絮状纤维素原料，60℃溶解并反应30min，得到纤维素溶液。向纤维素溶液中依次加入2ml乙酰柠檬酸三丁酯和6g百里酚继续搅拌20min，得到抗菌涂布液。接着，将抗菌涂布液涂布在牛皮纸表面，涂布量为20g/m2，室温风干2h。最后，将风干的涂布纸浸入去离子水中清洗3次，彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥，得到抗菌涂布纸。
实施例3
将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料。将80ml乙酸、60ml乙酸酐、0.3ml浓硫酸倒入三口烧瓶中，在150rmp搅拌桨搅拌下加入10g絮状纤维素原料，60℃溶解并反应30min，得到纤维素溶液。向纤维素溶液中依次加入2ml乙酰柠檬酸三丁酯和6g百里酚继续搅拌20min，得到抗菌涂布液。接着，将抗菌涂布液涂布在牛皮纸表面，涂布量为20g/m2，室温风干2h。最后，将风干的涂布纸浸入去离子水中清洗3次，彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥，得到抗菌涂布纸。
实施例4
将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料。将60ml乙酸、40ml乙酸酐、0.1ml浓硫酸倒入三口烧瓶中，在150rmp搅拌桨搅拌下加入10g絮状纤维素原料，60℃溶解并反应30min，得到纤维素溶液。向纤维素溶液中依次加入2ml乙酰柠檬酸三丁酯和4g百里酚继续搅拌20min，得到抗菌涂布液。接着，将抗菌涂布液涂布在牛皮纸表面，涂布量为20g/m2，室温风干2h。最后，将风干的涂布纸浸入去离子水中清洗3次，彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥，得到抗菌涂布纸。
实施例5
将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料。将60ml乙酸、40ml乙酸酐、0.1ml浓硫酸倒入三口烧瓶中，在150rmp搅拌桨搅拌下加入10g絮状纤维素原料，60℃溶解并反应30min，得到纤维素溶液。向纤维素溶液中依次加入2ml乙酰柠檬酸三丁酯和2g百里酚继续搅拌20min，得到抗菌涂布液。接着，将抗菌涂布液涂布在牛皮纸表面，涂布量为20g/m2，室温风干2h。最后，将风干的涂布纸浸入去离子水中清洗3次，彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥，得到抗菌涂布纸。
实施例6
将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料。将60ml乙酸、40ml乙酸酐、0.1ml浓硫酸倒入三口烧瓶中，在150rmp搅拌桨搅拌下加入10g絮状纤维素原料，60℃溶解并反应30min，得到纤维素溶液。向纤维素溶液中依次加入2ml乙酰柠檬酸三丁酯和6g香草醛继续搅拌20min，得到抗菌涂布液。接着，将抗菌涂布液涂布在牛皮纸表面，涂布量为20g/m2，室温风干2h。最后，将风干的涂布纸浸入去离子水中清洗3次，彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥，得到抗菌涂布纸。
实施例7
将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料。将60ml乙酸、40ml乙酸酐、0.1ml浓硫酸倒入三口烧瓶中，在150rmp搅拌桨搅拌下加入10g絮状纤维素原料，60℃溶解并反应30min，得到纤维素溶液。向纤维素溶液中依次加入2ml乙酰柠檬酸三丁酯和6g肉桂醛继续搅拌20min，得到抗菌涂布液。接着，将抗菌涂布液涂布在牛皮纸表面，涂布量为20g/m2，室温风干2h。最后，将风干的涂布纸浸入去离子水中清洗3次，彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥，得到抗菌涂布纸。
实施例8
将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料。将60ml乙酸、40ml乙酸酐、0.1ml浓硫酸倒入三口烧瓶中，在150rmp搅拌桨搅拌下加入10g絮状纤维素原料，60℃溶解并反应30min，得到纤维素溶液。向纤维素溶液中依次加入2ml乙酰柠檬酸三丁酯和6g百里酚继续搅拌20min，得到抗菌涂布液。接着，将抗菌涂布液涂布在牛皮纸表面，涂布量为30g/m2，室温风干2h。最后，将风干的涂布纸浸入去离子水中清洗3次，彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥，得到抗菌涂布纸。
实施例9
将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料。将60ml乙酸、40ml乙酸酐、0.1ml浓硫酸倒入三口烧瓶中，在150rmp搅拌桨搅拌下加入10g絮状纤维素原料，60℃溶解并反应30min，得到纤维素溶液。向纤维素溶液中依次加入2ml乙酰柠檬酸三丁酯和6g百里酚继续搅拌20min，得到抗菌涂布液。接着，将抗菌涂布液涂布在牛皮纸表面，涂布量为40g/m2，室温风干2h。最后，将风干的涂布纸浸入去离子水中清洗3次，彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥，得到抗菌涂布纸。
表1不同实施例及牛皮纸性能测试结果如下
Figure BDA0002542038270000091
Figure BDA0002542038270000101
通过对比实施例的数据可以看出乙酸、乙酸酐、硫酸的添加量过高或者过低，都不能在牛皮纸表面形成涂层，导致纸张的氧气、水蒸气透过量与牛皮纸相差不大，力学强度降低。抗菌剂百里酚的添加量减少，会使抗菌涂布液粘度降低使纸张涂层更加致密，导致涂布纸的氧气、水蒸气透过量降低，力学强度小幅度提高，但抗菌性能明显降低。添加相同量不同种类的抗菌剂仅对涂布纸的抗菌性能有影响。涂布纸涂布量增加会使涂层增厚，从而使氧气、水蒸气透过量和力学强度降低。

Claims (12)

1.一种食品用抗菌涂布纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纤维素浆板粉碎，得到平均长度和直径分别为2.2mm和0.03mm的絮状纤维素原料；
(2)将乙酸、乙酸酐、催化剂在室温下按照一定比例混合得到乙酰化溶液；
(3)在一定温度且搅拌条件下，将步骤(1)所得絮状纤维素原料加入到步骤(2)所述乙酰化溶液中溶解并反应得到乙酰化纤维素溶液；
(4)室温搅拌条件下，向上述乙酰化纤维素溶液中依次加入一定量的增塑剂和抗菌剂得到抗菌涂布液；
(5)将步骤(4)所得抗菌涂布液按照一定量均匀涂布在纸张表面，置于室温下风干1h～5h，得到抗菌涂布纸；
(6)将步骤(5)所得抗菌涂布纸在蒸馏水中清洗2～6次彻底洗去残留溶剂，在转鼓式干燥机中干燥；
步骤(2)中所述乙酰化溶液按重量份包括50～70份的乙酸、30～50份的乙酸酐、0.1～0.2份的催化剂；其中，所述催化剂选自盐酸、磺酸、高氯酸、硫酸、三氟化硼、四氟硼酸；
步骤(4)中所述增塑剂和抗菌剂分别占乙酰化溶液质量百分比的1％～3％、2％～6％，其中，所述增塑剂选自柠檬酸三丁酯、柠檬酸三辛酯、乙酰柠檬酸三丁酯、丙三醇、环氧大豆油。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述纤维素浆板原料是聚合度为300～1600的纤维素，包括微晶纤维素、棉短绒、木材溶解浆。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述催化剂为硫酸。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述纤维素溶液中絮状纤维素原料所占乙酰化溶液质量百分比为6％～12％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述反应温度为40℃～70℃，搅拌桨转速为100rpm～300rpm，反应时间为10min～50min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述搅拌桨转速为100rpm～300rpm，时间为10min～30min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述增塑剂为乙酰柠檬酸三丁酯。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述抗菌剂为百里酚、肉桂醛、香草酚、香草醛。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述抗菌剂为百里酚。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述抗菌涂布液涂布定量为5～40g/m2。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中纸张选自字典纸、临摹纸、打印纸和牛皮纸。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中纸张为牛皮纸。
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