大豆分离蛋白、纳米纤维素防油防水剂的制备及对食品包装纸性能的影响研究

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防油防水纸是一种能够同时抗拒水分润湿和油脂渗透的特殊纸张,在食品包装领域具有广泛的应用前景。纸张传统的防油防水法是在纸张表面覆盖一层塑料薄膜,称为淋膜纸。面临不可降解的塑料带来的“白色污染”越来越严重的问题,以及我国“禁塑令”的实施。开发和利用绿色环保、无毒无害的防油防水涂料制备防油防水纸已成为目前的研究热点。刮棒涂布法由于其操作简单、效率高、比较精确以及可重复的优点,已成为制备涂布纸的主要途径之一。因此,本课题采用生物聚合物大豆分离蛋白(SPI)和豆渣纳米纤维素(CNF)作为主要原料,制备出绿色可降解、无毒无害的防油剂和防水剂,涂布后制备出食品包装防油防水纸。主要的研究成果如下:(1)以大豆分离蛋白和钠基蒙脱土(MMT)为原料,通过物理共混制备出防油剂,再采用刮棒涂布法制备出绿色环保的防油纸。其最佳工艺条件为:SPI浓度为6 wt%,MMT用量为0.1 wt%,涂布量为3.5 g/m2,在此条件下制备出的S6M0.1防油纸的防油等级为8,透气度为0.0051 μm/Pa·s。在3 g/m2的涂布量下可以抵御80℃热植物油的渗透,满足食品包装行业中防油标准。通过FTIR、SEM分析表征了防油纸的微观形貌和结构,揭示了大豆分离蛋白防油剂的防油机理:MMT不仅嵌入到纸基和涂层内部,增大了油脂的渗透路径,而且与大豆分离蛋白通过氢键连接,在基纸表面形成更加致密的膜结构,增加了基纸的防油性能,并提高了成纸的机械强度,为开发新型环保型防油剂提供了一定的理论基础。(2)采用一步法将豆渣纳米纤维(CNF)悬浮液与烷基烯酮二聚体(AKD)共混后加入沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液制成防水剂,涂布后制成防水纸。成纸具有良好的力学性能、稳定性能、良好的耐冷和耐热稳定性。利用FTIR、SEM对CNF-AKD-PCC防水剂进行表征,揭示了防水剂的防水机理:AKD与CNF之间形成β-酮酯键,成功的对CNF进行疏水化改性。此外,CNF由于其高长宽比和卷曲性,既可以包裹在PCC四周,又可以与纸基纤维素纤维通过氢键连接,从而增加了 PCC的留着率,使得基纸表面的粗糙度进一步增高。因此CNF-AKD-PCC防水剂成纸可以达到超疏水性能,在液体包装领域(如饮料容器、纸杯)有很大的应用潜力,为新型绿色防水剂的研发提供了一定的理论研究基础。(3)用SPI-MMT防油剂与CNF-AKD防水剂通过层层组装和混合两种方式进行涂布,制备出了防油防水纸。结果表明,层层组装法制备的SM/CA-2防油防水纸的防油等级为6/12,在满足日常防油功能的同时,具有优异的防水性能,Cobb 60值为20.5 g/m2;混合法制备的防油防水纸综合性能优异,SM-CA-3防油防水纸防油效果和机械性能最佳,其防油等级为8/12,Cobb 60值最佳值为27.13 g/m2,展示出良好的防油防水性能,抗张指数为56.6 N·m/g,较未涂布纸提高了 73.1%,撕裂指数为19.11 mN·m2/g,较未涂布纸提高了 21.4%,并且具有5A级的涂层附着力性能。(4)经FTIR、SEM分析,揭示了层层组装法和混合法防油防水纸的防油防水机理:前者通过防水层和防油层的层层叠加,确保水能通过防油层但无法通过防水层,而油脂只能通过防水层而无法通过防油层,但是层层组装法防油防水纸出现裂缝以及分层现象,降低其防油效果。而后者通过在基纸表面形成了致密的防油防水膜,有效的堵塞了纸张孔隙,而且疏水化CNF赋予了其良好的防水性能,为食品包装防水防油剂的研发提供理论基础和指导。
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