CN116478544A - 一种基于胶原纤维的食品复合包装材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于胶原纤维的食品复合包装材料及其制备方法，包括如下步骤：将胶原纤维加热溶解，并维持溶解温度，加入甘油、细菌纤维素、纳米SiO2和戊二醛搅拌均匀，然后向其中加入淀粉，混合均匀后得胶原纤维基混合材料；其中，胶原纤维:淀粉:细菌纤维素的质量比为25‑35:5‑15:1；甘油是胶原纤维质量的20％‑40％；纳米SiO2是胶原纤维质量的3％‑6％；戊二醛是胶原纤维质量的1‰‑5‰；将所述胶原纤维基混合材料置于恒温恒湿箱中平衡水分，后挤压除水并造粒，得胶原纤维基混合颗粒，即得。
Description
技术领域
本发明属于食品包装膜制备技术领域，特别涉及一种基于胶原纤维的食品复合包装材料及其制备方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
食品包装的目的是避免食物被污染、减少运输损伤、延长食品保质期。随着国家和人们对环保意识和食品安全问题的重视，石油基塑料包装逐渐被绿色可降解的生物基材料所取代，在食品应用方面，对包装材料的阻隔和力学性能具有更高要求。近年来，生物基材料在食品包装领域得到广泛应用。其中，胶原纤维是由胶原蛋白构成，主要存在于动物真皮组织中，具有良好的成膜性能，但成膜脆性和刚性大。增塑剂作为一种常用的添加剂主要是用来减弱分子间的互相作用力，增加分子链的可移动性，降低聚合物的结晶度及热转变温度，进而增加材料的可塑性，提高聚合物的低温热封性能。此外，增塑剂能够促使分子链排列规整，提高一些薄膜材料表面平滑度以及阻水阻氧性能。通常，以胶原纤维作为基材，通过添加一些增塑剂来改善薄膜的可加工性。
在食品包装领域，热封性能对于食物运输、包装、使用等方面是非常重要的。在热封时，两片薄膜在特定的温度和压力下，聚合物薄膜表面受热熔化，内部分子链活跃运动，相互缠绕作用。冷却后，两种聚合物薄膜在内部结合，并通过氢键和共价键作用重新结晶，产生密封接头。然而，生物基材料的密封强度较差，热封性能难以满足食品包装要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于胶原纤维的食品复合包装材料及其制备方法，该制备方法制备的包装膜具有热封强度高、力学性能好以及阻隔性能优越等优势。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，包括如下步骤：
将胶原纤维加热溶解，并维持溶解温度，加入甘油、细菌纤维素、纳米SiO2和戊二醛搅拌均匀，然后向其中加入淀粉，混合均匀后得胶原纤维基混合材料，所述细菌纤维素经电子束辐照处理；
其中，胶原纤维:淀粉:细菌纤维素的质量比为25-35:5-15:1；甘油是胶原纤维质量的20％-40％；纳米SiO2是胶原纤维质量的3％-6％；戊二醛是胶原纤维质量的1‰-5‰；
将所述胶原纤维基混合材料置于恒温恒湿箱中平衡水分，后挤压除水并造粒，得胶原纤维基混合颗粒，即得。
微纳米材料具备高比表面积，更多的结合位点。其中，细菌纤维素绿色、可降解、保水性好、比表面积大以及物理性能和热稳定性较好，较为适合用作胶原纤维膜的增强剂。采用电子束对细菌纤维素悬浮液进行辐照(吸附剂用量为55-65kGy，剂量率为0.15-0.2kGy/s)。通过对细菌纤维素微纳米化，使其暴露更多的活性位点，结晶度下降，更利于热封以及力学性能的改善。
从工业化角度考虑，可以借助淀粉的可塑性挤压成颗粒，并以热压的形式成膜，代替耗时的浇铸成形。
细菌纤维素可以提高薄膜的力学性能；纳米SiO2用于改善薄膜的透明度、韧性及防水性能等；利用甘油削弱分子链间作用力，提高其柔韧性及热封性能；戊二醛主要用于席夫碱反应化学交联提高薄膜的力学和阻隔性能。
将胶原纤维加热溶解后，并维持溶解温度，进行其他组分的添加，可以避免胶原纤维的凝固，提高混合物料的混合均匀程度。
在一些实施例中，胶原纤维加热溶解的温度为45℃-65℃。
优选的，所述胶原纤维加热溶解的温度为50-60℃。
在一些实施例中，胶原纤维:淀粉:细菌纤维素的质量比为27-32:7-12:1。
优选的，胶原纤维:淀粉:细菌纤维素的质量比为30:10:1。
优选的，甘油是胶原纤维质量的25％-35％；纳米SiO2是胶原纤维质量的4％-6％；戊二醛是胶原纤维质量的2‰-4‰。
在一些实施例中，将胶原纤维基混合材料平衡水分的温度为22-30℃，湿度为50-70％，时间为20-30h。
优选的，胶原纤维基混合材料平衡水分的温度为22-27℃，湿度为50-60％。
在一些实施例中，所述挤压除水的温度为110-130℃，并使其淀粉充分糊化。
优选的，所述挤压除水采用双螺旋挤压机挤压除水，转速为100-300转/min。
在一些实施例中，还包括将制备的胶原纤维基混合颗粒平铺后热压成膜的步骤，在热压成膜之前，对胶原纤维基混合颗粒进行水分平衡。
优选的，对胶原纤维混合颗粒进行水分平衡的温度为22-30℃，湿度为20-50％，平衡时间为20-30h。
优选的，热压成膜的温度为110-130℃，压强为3-5MPa，热压时间为1-5min。
进一步优选的，热压成膜的参数为：
温度为110℃，压强为5MPa，时间为2min；
或，温度为130℃，压强为3MPa，时间为2min。
得到胶原纤维可热封、高阻隔食品复合包装膜。
在一些实施例中，所述淀粉选自玉米淀粉、豌豆淀粉、原淀粉或阳离子木薯淀粉中的一种或其组合。
在一些实施例中，所述细菌纤维素的尺寸为50-100μm。
第二方面，本发明提供一种基于胶原纤维的食品复合包装材料，由所述制备方法制备而成。
上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
将此材料利用螺旋挤压机多次挤压浓缩成颗粒状，后以方便快捷的热压方式成膜。最后得到机械性能优越、热封强度高以及高阻隔性能的食品包装膜。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，包括如下步骤：
1)取30g胶原纤维于55℃的水浴锅中加热溶解；
2)采用电子束对细菌纤维素悬浮液进行辐照(吸附剂用量为60kGy，剂量率为0.173kGy/s)；
3)将1g处理后的细菌纤维素、9g甘油、1.5g纳米SiO2、0.18g戊二醛(50％)与溶解后的胶原纤维充分混合均匀，后加入10g阳离子木薯淀粉搅拌均匀，得到胶原纤维基混合材料；
4)将胶原纤维基混合材料在温度为25℃，湿度为50％的田间下平衡水分24h。
5)将温度调节为110℃的双螺旋挤压机预热30min，将步骤1中得到的胶原纤维基混合材料多次挤压去除水分得到胶原纤维基混合颗粒。
6)将得到的胶原纤维基混合颗粒放入温度为25℃、湿度为50％的恒温恒湿箱平衡24h。
7)将热压机升温至110℃预热30min，在5MPa压力条件热压平铺在热压机上的胶原纤维基颗粒3min，得到胶原纤维基复合薄膜。
实施例2
将实施例1步骤2)中的甘油添加量分别替换为相对于胶原纤维的20％(实施例2-1)和40％(实施例2-2)，对应质量分别为6g和12g，其他条件和实施例1相一致，得到胶原纤维复合薄膜。
实施例3
将实施例1步骤2)中的淀粉添加量分别替换为5g(实施例3-1)和15g(实施例3-2)，其他条件和实施例1相一致，得到胶原纤维复合薄膜。
实施例4
将实施例1步骤2)中的细菌纤维素添加量分别替换为0.5g(实施例4-1)和1.5g(实施例4-1)，其他条件和实施例1相一致，得到胶原纤维复合薄膜。
实施例5
将实施例1步骤2)中的纳米SiO2添加量分别替换为相对于胶原纤维的3％(实施例5-1)和5％(实施例5-2)，对应添加量分别为0.9g和1.5g，其他条件和实施例1相一致，得到胶原纤维基复合薄膜。
实施例6
将实施例1步骤6)中的挤出温度调至100℃(实施例6-1)和140℃(实施例6-2)，其他条件和实施例1相一致，得到胶原纤维基复合薄膜。
实施例7
将实施例1步骤6)中的热压温度分别替换为100℃(实施例7-1)和130℃(实施例7-2)，其他条件和实施例1相一致，得到胶原纤维基复合薄膜。
对比例1
将实施例1中步骤2)中的淀粉省略，其他条件和实施例1相一致，得到胶原纤维基复合薄膜。
对比例2
将实施例1中步骤2)中的甘油省略，其他条件和实施例1相一致，得到胶原纤维基复合薄膜。
对比例3
将实施例1中步骤2)中的细菌纤维素省略，其他条件和实施例1相一致，得到胶原纤维基复合薄膜。
对比例4
将实施例1中步骤2)中的纳米SiO2省略，其他条件和实施例1相一致，得到胶原纤维基复合薄膜。
将以上具体实例得到的胶原纤维基复合薄膜所试验数据结果于表1中列出。
表1实施例和对比例制备的复合薄膜的性能
结论：
想要得到理想的一种基于胶原纤维可热封、高阻隔食品复合包装膜必须满足特定的参数要求：甘油相对于胶原纤维质量为20％-40％；纳米SiO2相对于胶原纤维3％-6％；戊二醛相对于胶原纤维的1‰-5‰；双螺旋挤压温度为110-130℃；热压时，110℃、5MPa或者130℃、3MPa。通过以上参数得到的一种基于胶原纤维可热封、高阻隔食品复合包装膜膜厚约0.18mm时，拉伸强度可达45-60MPa，断裂伸长率30-40％，热封强度高达2300N/m以上，水蒸气透过率不高于2.5×10-13(g·m-1·s-1·Pa-1)。此外，通过与对比例进行对比，淀粉、甘油、细菌纤维素、纳米SiO2中任何一种物质的缺少以及参数的改变都不可能实现各项性能的均衡，更不可能得到理想的一种基于胶原纤维可热封、高阻隔食品复合包装膜。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将胶原纤维加热溶解，并维持溶解温度，加入甘油、细菌纤维素、纳米SiO2和戊二醛搅拌均匀，然后向其中加入淀粉，混合均匀后得胶原纤维基混合材料；
其中，胶原纤维:淀粉:细菌纤维素的质量比为25-35:5-15:1；甘油是胶原纤维质量的20％-40％；纳米SiO2是胶原纤维质量的3％-6％；戊二醛是胶原纤维质量的1‰-5‰；
将所述胶原纤维基混合材料置于恒温恒湿箱中平衡水分，后挤压除水并造粒，得胶原纤维基混合颗粒，即得。
2.根据权利要求1所述的基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，其特征在于：胶原纤维加热溶解的温度为45℃-65℃；
优选的，所述胶原纤维加热溶解的温度为50-60℃。
3.根据权利要求1所述的基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，其特征在于：胶原纤维:淀粉:细菌纤维素的质量比为27-32:7-12:1；
优选的，胶原纤维:淀粉:细菌纤维素的质量比为30:10:1；
优选的，甘油是胶原纤维质量的25％-35％；纳米SiO2是胶原纤维质量的4％-6％；戊二醛是胶原纤维质量的2‰-4‰。
4.根据权利要求1所述的基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，其特征在于：将胶原纤维基混合材料平衡水分的温度为22-30℃，湿度为50-70％，时间为20-30h；
优选的，胶原纤维基混合材料平衡水分的温度为22-27℃，湿度为50-60％。
5.根据权利要求1所述的基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，其特征在于：所述挤压除水的温度为110-130℃，并使其淀粉充分糊化；
优选的，所述挤压除水采用双螺旋挤压机挤压除水，转速为100-300转/min。
6.根据权利要求1所述的基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，其特征在于：还包括将制备的胶原纤维基混合颗粒平铺后热压成膜的步骤，在热压成膜之前，对胶原纤维基混合颗粒进行水分平衡。
7.根据权利要求1所述的基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，其特征在于：对胶原纤维混合颗粒进行水分平衡的温度为22-30℃，湿度为20-50％，平衡时间为20-30h；
优选的，热压成膜的温度为110-130℃，压强为3-5MPa，热压时间为1-5min；
进一步优选的，热压成膜的参数为：
温度为110℃，压强为5MPa，时间为2min；
或，温度为130℃，压强为3MPa，时间为2min。
8.根据权利要求1所述的基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，其特征在于：所述淀粉选自玉米淀粉、豌豆淀粉、原淀粉或阳离子木薯淀粉中的一种或其组合。
9.根据权利要求1所述的基于胶原纤维的食品复合包装材料的制备方法，其特征在于：所述细菌纤维素的尺寸为50-100μm。
10.一种基于胶原纤维的食品复合包装材料，其特征在于：由权利要求1-9任一所述制备方法制备而成。
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