CN115748292B - 一种生物基食品级水性防油涂料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物基食品级水性防油涂料及其制备方法和应用。本发明的生物基食品级水性防油涂料包括以下质量百分比的组分：蛋白质：2％～5％；微晶纤维素：5％～10％；淀粉：3％～6％；甘油：1.5％～3％；碳酸氢钠：0.5％～1％；食品级交联剂：0.1％～0.5％；食品级消泡剂：0.1％～0.3％；食品级防腐剂：0.1％～0.3％；水：73.9％～87.7％。本发明的生物基食品级水性防油涂料涂布在纸上可以形成均匀致密的薄膜，进而可以赋予纸张优异的防油性能，且无塑、无氟、可降解、不影响原纸回收再制浆，适合进行大规模工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及食品包装技术领域，具体涉及一种生物基食品级水性防油涂料及其制备方法和应用。
背景技术
随着互联网经济的兴起，外卖行业得到了蓬勃发展，而一次性外卖包装所带来的环境问题也备受关注。近年来，可降解食品包装的需求量激增，可降解的纸制包装在快速替代传统的塑料包装。
纸制包装采用的纤维素纸具有天然的亲油性和多孔结构，油容易浸润纤维并通过纸张孔隙渗透到背面，通常需要对其进行防油处理才能够满足食品包装的要求。目前，市面上主流的纸制包装防油处理方法主要包括以下两种：
1)在纸浆内添加低表面能的含氟防油剂，通过对纸纤维进行改性来赋予纸张优异的防油性能，这类防水防油剂通常为包含全氟烷基的聚合物，生物累积性强、难降解，长期与食品接触会对人体造成很强的致毒性；
2)在纤维素纸的表面形成一层连续致密的薄膜来阻挡油的渗透，这种表面处理的方法分为两种：一种是塑料淋膜，即在纸上覆盖一层聚乙烯膜等石油基塑料薄膜，利用塑料薄膜良好的阻隔性赋予纸张优异的防油性能，这种淋膜纸的降解性能差，会影响纤维素纸自身优异的可降解性能，会对纤维素纸的回收利用带来很大的困难；另一种是在纤维素纸的表面涂布水性树脂乳液(例如：丙烯酸树脂、苯丙树脂等)形成树脂涂层，这种方法采用水性体系，制备过程环保，且不影响纸的回收利用，但这种方法仍然需要使用不可降解的石油基材料，其在土壤中仅能降解成微粒，最终会以微塑料的形式在自然环境中堆积并进入食物链，且一般水性树脂乳液中会残留微量有毒的单体和引发剂，长期与食品接触会迁移到人体，危害人体健康。
因此，开发一种防油性能优异、无塑、无氟、可降解、不影响原纸回收再制浆的水性防油涂料具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物基食品级水性防油涂料及其制备方法和应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种生物基食品级水性防油涂料，其包括以下质量百分比的组分：
蛋白质：2％～5％；
微晶纤维素：5％～10％；
淀粉：3％～6％；
甘油：1.5％～3％；
碳酸氢钠：0.5％～1％；
食品级交联剂：0.1％～0.5％；
食品级消泡剂：0.1％～0.3％；
食品级防腐剂：0.1％～0.3％；
水：73.9％～87.7％。
优选的，所述蛋白质为藻蓝蛋白、酪蛋白、花生蛋白、乳清蛋白中的至少一种。
优选的，所述微晶纤维素的聚合度为100～300。
优选的，所述淀粉为玉米淀粉、红薯淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉中的至少一种。
优选的，所述甘油为食品级甘油。
优选的，所述食品级交联剂为碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶、谷氨酰胺转氨酶中的至少一种。
优选的，所述食品级消泡剂为聚二甲基硅氧烷、硬脂酸十八醇酯、山梨糖醇酐脂肪酸酯中的至少一种。
优选的，所述食品级防腐剂为山梨酸钾、苯甲酸钠、丙酸钙、乳酸钠中的至少一种。
一种如上所述的生物基食品级水性防油涂料的制备方法包括以下步骤：将蛋白质、微晶纤维素、淀粉、甘油和水混合进行第一次加热搅拌，再加入碳酸氢钠调节反应混合物的pH值至8～9，再加入食品级交联剂后进行第二次加热搅拌，再加入食品级消泡剂和食品级防腐剂后进行第三次加热搅拌，即得生物基食品级水性防油涂料。
优选的，所述第一次加热搅拌在温度为85℃～95℃、搅拌速度为1000r/min～1500r/min的条件下进行。
优选的，所述第二次加热搅拌在温度为55℃～65℃、搅拌速度为500r/min～800r/min的条件下进行，搅拌时间为2h～4h。
优选的，所述第三次加热搅拌在室温(20℃～30℃)、搅拌速度为500r/min～800r/min的条件下进行，搅拌时间为0.5h～1h。
一种食品包装，组成包括纸质基材和防油涂层，防油涂层由上述生物基食品级水性防油涂料制成。
本发明的有益效果是：本发明的生物基食品级水性防油涂料涂布在纸上可以形成均匀致密的薄膜，进而可以赋予纸张优异的防油性能，且无塑、无氟、可降解、不影响原纸回收再制浆，适合进行大规模工业化应用。
具体来说：
1)本发明的生物基食品级水性防油涂料中的蛋白质、微晶纤维素和淀粉含有丰富的氨基、羧基和羟基，相互之间可以形成强烈的氢键结合，且通过食品级交联剂可以形成致密的聚合物网络，在纸表面形成致密连续的薄膜，赋予纸张优异的阻油性能(TAPPI 559防油等级测试得到的kit值可达7级～12级)，且形成的薄膜的耐热性好，可以防止120℃热油的渗透；
2)本发明的生物基食品级水性防油涂料的组成成分均为天然可降解材料，解决了传统淋膜纸存在的难降解、易引起白色污染的问题，同时不影响原纸的回收再制浆(传统涂布纸普遍存在危害健康、难降解、难回收的问题)，大幅降低了回收成本；
3)本发明的生物基食品级水性防油涂料的组成成分均为食品级原料，与现有防油剂相比，更环保、更健康；
4)本发明的生物基食品级水性防油涂料为水性溶液，不含有机溶剂，制备过程绿色、环保，制备工艺简单，生产成本低，具有较好的工业化可行性。
附图说明
图1为实施例1中的食品级白纸的扫描电镜图。
图2为实施例1中的涂布纸的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种生物基食品级水性防油涂料，其组成如下表所示：
表1一种生物基食品级水性防油涂料的组成表
上述生物基食品级水性防油涂料的制备方法包括以下步骤：
将藻蓝蛋白、微晶纤维素、玉米淀粉、食品级甘油和去离子水混合后加热升温至85℃，再在搅拌速度为1500r/min的条件下搅拌，再加入碳酸氢钠调节反应混合物的pH值至8，再加入木瓜蛋白酶后在温度为55℃、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌2.5h，再加入硬脂酸十八醇酯和苯甲酸钠后在室温、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌1h，即得生物基食品级水性防油涂料。
性能测试：
采用自动涂布机以3m/min的速度用RDS18线棒在40g/m2的食品级白纸(扫描电镜图如图1所示)上涂布本实施例的生物基食品级水性防油涂料，再置于烘箱中60℃干燥5min，涂布量为3g/m2，得到涂布纸(扫描电镜图如图2所示)，再采用oil Kit Test TAPPI测试法(TAPPI559防油等级测试)测定涂布纸的防油性，测得防油等级为7级，再将120℃的热橄榄油均匀倒在涂布纸上，试样底部和表面都没有油渗漏，防油效果优异。此外，采用PTSRH 021/97测试法测量涂布纸的回浆率，测得回浆率为95.7％。
由图1和图2可知：食品级白纸表面涂布前为纤维交织的多孔结构，油滴很容易浸润纤维并通过纸张孔隙渗透到背面，而采用本实施例的生物基食品级水性防油涂料进行表面涂布后，食品级白纸表面覆盖了一层均匀的涂层，可以将油滴阻隔在纸张表面，从而赋予了食品级白纸优异的防油性能。
实施例2：
一种生物基食品级水性防油涂料，其组成如下表所示：
表2一种生物基食品级水性防油涂料的组成表
上述生物基食品级水性防油涂料的制备方法包括以下步骤：
将乳清蛋白、微晶纤维素、木薯淀粉、食品级甘油和去离子水混合后加热升温至90℃，再在搅拌速度为1500r/min的条件下搅拌，再加入碳酸氢钠调节反应混合物的pH值至8.5，再加入碱性蛋白酶后在温度为60℃、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌2h，再加入聚二甲基硅氧烷和山梨酸钾后在室温、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌0.5h，即得生物基食品级水性防油涂料。
性能测试：
采用自动涂布机以3m/min的速度用RDS18线棒在40g/m2的食品级白纸上涂布本实施例的生物基食品级水性防油涂料，再置于烘箱中60℃干燥5min，涂布量为7g/m2，得到涂布纸，再采用oil Kit Test TAPPI测试法测定涂布纸的防油性，测得防油等级为12级，再将120℃的热橄榄油均匀倒在涂布纸上，试样底部和表面都没有油渗漏，防油效果优异。此外，采用PTS RH 021/97测试法测量涂布纸的回浆率，测得回浆率为94.6％。
实施例3：
一种生物基食品级水性防油涂料，其组成如下表所示：
表3一种生物基食品级水性防油涂料的组成表
| 组分 | 质量百分比(％) |
| 酪蛋白 | 2 |
| 微晶纤维素(聚合度为100～300) | 8 |
| 红薯淀粉 | 4 |
| 食品级甘油 | 3 |
| 碳酸氢钠 | 0.5 |
| 谷氨酰胺转氨酶 | 0.1 |
| 山梨糖醇酐脂肪酸酯 | 0.2 |
| 丙酸钙 | 0.3 |
| 去离子水 | 81.9 |
上述生物基食品级水性防油涂料的制备方法包括以下步骤：
将酪蛋白、微晶纤维素、红薯淀粉、食品级甘油和去离子水混合后加热升温至85℃，再在搅拌速度为1500r/min的条件下搅拌，再加入碳酸氢钠调节反应混合物的pH值至8，再加入谷氨酰胺转氨酶后在温度为65℃、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌3h，再加入山梨糖醇酐脂肪酸酯和丙酸钙后在室温、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌1h，即得生物基食品级水性防油涂料。
性能测试：
采用自动涂布机以3m/min的速度用RDS18线棒在40g/m2的食品级白纸上涂布本实施例的生物基食品级水性防油涂料，再置于烘箱中60℃干燥5min，涂布量为6g/m2，得到涂布纸，再采用oil Kit Test TAPPI测试法测定涂布纸的防油性，测得防油等级为10级，再将120℃的热橄榄油均匀倒在涂布纸上，试样底部和表面都没有油渗漏，防油效果优异。此外，采用PTS RH 021/97测试法测量涂布纸的回浆率，测得回浆率为96.3％。
实施例4：
一种生物基食品级水性防油涂料，其组成如下表所示：
表4一种生物基食品级水性防油涂料的组成表
| 组分 | 质量百分比(％) |
| 花生蛋白 | 5 |
| 微晶纤维素(聚合度为100～300) | 7 |
| 马铃薯淀粉 | 6 |
| 食品级甘油 | 2.5 |
| 碳酸氢钠 | 0.8 |
| 碱性蛋白酶 | 0.4 |
| 山梨糖醇酐脂肪酸酯 | 0.2 |
| 山梨酸钾 | 0.3 |
| 去离子水 | 77.8 |
上述生物基食品级水性防油涂料的制备方法包括以下步骤：
将花生蛋白、微晶纤维素、马铃薯淀粉、食品级甘油和去离子水混合后加热升温至85℃，再在搅拌速度为1500r/min的条件下搅拌，再加入碳酸氢钠调节反应混合物的pH值至8.5，再加入碱性蛋白酶后在温度为65℃、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌4h，再加入山梨糖醇酐脂肪酸酯和山梨酸钾后在室温、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌1h，即得生物基食品级水性防油涂料。
性能测试：
采用自动涂布机以3m/min的速度用RDS18线棒在40g/m2的食品级白纸上涂布本实施例的生物基食品级水性防油涂料，再置于烘箱中60℃干燥5min，涂布量为5g/m2，得到涂布纸，再采用oil Kit Test TAPPI测试法测定涂布纸的防油性，测得防油等级为9级，再将120℃的热橄榄油均匀倒在涂布纸上，试样底部和表面都没有油渗漏，防油效果优异。此外，采用PTS RH021/97测试法测量涂布纸的回浆率，测得回浆率为94.8％。
对比例1：
一种生物基食品级水性防油涂料，其组成如下表所示：
表5一种生物基食品级水性防油涂料的组成表
| 组分 | 质量百分比(％) |
| 藻蓝蛋白 | 5 |
| 玉米淀粉 | 4 |
| 食品级甘油 | 2 |
| 碳酸氢钠 | 1 |
| 木瓜蛋白酶 | 0.3 |
| 硬脂酸十八醇酯 | 0.3 |
| 苯甲酸钠 | 0.2 |
| 去离子水 | 87.2 |
上述生物基食品级水性防油涂料的制备方法包括以下步骤：
将藻蓝蛋白、玉米淀粉、食品级甘油和去离子水混合后加热升温至85℃，再在搅拌速度为1500r/min的条件下搅拌，再加入碳酸氢钠调节反应混合物的pH值至8，再加入木瓜蛋白酶后在温度为55℃、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌2.5h，再加入硬脂酸十八醇酯和苯甲酸钠后在室温、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌1h，即得生物基食品级水性防油涂料。
性能测试：
采用自动涂布机以3m/min的速度用RDS18线棒在40g/m2的食品级白纸上涂布本对比例的生物基食品级水性防油涂料，再置于烘箱中60℃干燥5min，涂布量为8g/m2，得到涂布纸，再采用oil Kit Test TAPPI测试法测定涂布纸的防油性，测得防油等级为3级，再将120℃的热橄榄油均匀倒在涂布纸上，试样底部和表面明显渗漏，防油效果差。
对比例2：
一种生物基食品级水性防油涂料，其组成如下表所示：
表6一种生物基食品级水性防油涂料的组成表
| 组分 | 质量百分比(％) |
| 藻蓝蛋白 | 5 |
| 微晶纤维素(聚合度为100～300) | 7 |
| 食品级甘油 | 2 |
| 碳酸氢钠 | 1 |
| 木瓜蛋白酶 | 0.3 |
| 硬脂酸十八醇酯 | 0.3 |
| 苯甲酸钠 | 0.2 |
| 去离子水 | 84.2 |
上述生物基食品级水性防油涂料的制备方法包括以下步骤：
将藻蓝蛋白、微晶纤维素、食品级甘油和去离子水混合后加热升温至85℃，再在搅拌速度为1500r/min的条件下搅拌，再加入碳酸氢钠调节反应混合物的pH值至8，再加入木瓜蛋白酶后在温度为55℃、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌2.5h，再加入硬脂酸十八醇酯和苯甲酸钠后在室温、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌1h，即得生物基食品级水性防油涂料。
性能测试：
采用自动涂布机以3m/min的速度用RDS18线棒在40g/m2的食品级白纸上涂布本对比例的生物基食品级水性防油涂料，再置于烘箱中60℃干燥5min，涂布量为6g/m2，得到涂布纸，再采用oil Kit Test TAPPI测试法测定涂布纸的防油性，测得防油等级为1级，再将120℃的热橄榄油均匀倒在涂布纸上，试样底部和表面明显渗漏，防油效果差。
对比例3：
一种生物基食品级水性防油涂料，其组成如下表所示：
表7一种生物基食品级水性防油涂料的组成表
上述生物基食品级水性防油涂料的制备方法包括以下步骤：
将微晶纤维素、玉米淀粉、食品级甘油和去离子水混合后加热升温至85℃，再在搅拌速度为1500r/min的条件下搅拌，再加入碳酸氢钠调节反应混合物的pH值至8，再加入木瓜蛋白酶后在温度为55℃、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌2.5h，再加入硬脂酸十八醇酯和苯甲酸钠后在室温、搅拌速度为600r/min的条件下搅拌1h，即得生物基食品级水性防油涂料。
性能测试：
采用自动涂布机以3m/min的速度用RDS18线棒在40g/m2的食品级白纸上涂布本对比例的生物基食品级水性防油涂料，再置于烘箱中60℃干燥5min，涂布量为7g/m2，得到涂布纸，再采用oil Kit Test TAPPI测试法测定涂布纸的防油性，测得防油等级为2级，再将120℃的热橄榄油均匀倒在涂布纸上，试样底部和表面明显渗漏，防油效果差。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种生物基食品级水性防油涂料，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：
蛋白质：2%～5%；
微晶纤维素：5%～10%；
淀粉：3%～6%；
甘油：1.5%～3%；
碳酸氢钠：0.5%～1%；
食品级交联剂：0.1%～0.5%；
食品级消泡剂：0.1%～0.3%；
食品级防腐剂：0.1%～0.3%；
水：73.9%～87.7%；
所述蛋白质为藻蓝蛋白、酪蛋白、花生蛋白、乳清蛋白中的至少一种；
所述微晶纤维素的聚合度为100～300；
所述淀粉为玉米淀粉、红薯淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉中的至少一种；
所述食品级交联剂为碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶、谷氨酰胺转氨酶中的一种；
所述生物基食品级水性防油涂料是由包括以下步骤的制备方法制成：将蛋白质、微晶纤维素、淀粉、甘油和水混合进行第一次加热搅拌，再加入碳酸氢钠调节反应混合物的pH值至8～9，再加入食品级交联剂后进行第二次加热搅拌，再加入食品级消泡剂和食品级防腐剂后进行第三次加热搅拌，即得生物基食品级水性防油涂料；
所述第一次加热搅拌在温度为85℃～95℃、搅拌速度为1000r/min～1500r/min的条件下进行；
所述第二次加热搅拌在温度为55℃～65℃、搅拌速度为500r/min～800r/min的条件下进行，搅拌时间为2h～4h；
所述第三次加热搅拌在室温、搅拌速度为500r/min～800r/min的条件下进行，搅拌时间为0.5h～1h。
2.根据权利要求1所述的生物基食品级水性防油涂料，其特征在于：所述食品级消泡剂为聚二甲基硅氧烷、硬脂酸十八醇酯、山梨糖醇酐脂肪酸酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的生物基食品级水性防油涂料，其特征在于：所述食品级防腐剂为山梨酸钾、苯甲酸钠、丙酸钙、乳酸钠中的至少一种。
4.一种食品包装，组成包括纸质基材和防油涂层，其特征在于，所述防油涂层由权利要求1～3中任意一项所述的生物基食品级水性防油涂料制成。
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