纤维素结晶度对胶原/纤维素共混膜力学性能的调控及其应用

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胶原肠衣因其卫生性、可食性、与天然肠衣相似的口感和化学组成而被广泛应用于香肠的生产。然而在国外专利技术封锁下,国内胶原肠衣普遍存在力学性能不足的问题,导致在香肠的加工生产中易出现破裂,挂蒸时出现结绳部位变尖(溜肩)、甚至断裂的现象。因此,增强国产胶原肠衣力学性能将有利于提高国产肠衣的品质,提升国产胶原肠衣的市场竞争力。纤维素是增强胶原肠衣力学性能的常用填料,研究表明,纤维素用量、粒径等是影响其增强效果的重要因素。结晶度是纤维素的一个重要指标,影响纤维素表面化学和纤维素力学性能,但有关纤维素结晶度对纤维素/胶原共混膜的影响却鲜有报道。本研究以纤维素结晶度为视角,系统研究纤维素结晶度对纤维素-胶原界面作用及纤维素分布的影响及机制,并进一步指导开发高力学性能的胶原肠衣,为解决国内胶原肠衣力学性能不足的问题提供指导。本研究首先以国内肠衣常用的市售纤维素为原料,采用真空水环境加热法和3%Na OH溶液常温溶胀法调控纤维素结晶度。X-射线衍射(XRD)、凝胶渗透色谱(GPC)、扫描电子显微镜(SEM)分析结果表明,采用两种结晶度调控方法成功获得了结晶度分别为40%、48%、52%、60%和67%的纤维素(分别命名为Cel40、Cel48、Cel52、Cel60、Cel67),且所获得纤维素的分子量和表面形貌未发生明显变化。随后将不同结晶度的纤维素与胶原在醋酸环境下(0.5 mol/L)溶胀共混,流延成膜法制得共混膜(COL/Cel),以研究纤维素结晶度对共混膜力学性能的影响及机制。傅立叶变换红外光谱(FTIR)、动态机械分析(DMA)、SEM检测结果表明:纤维素结晶度通过调控胶原-纤维素间的氢键作用而调控二者的界面作用强度,且氢键作用具有双相性。当结晶度(Cr I)<52%时,胶原与纤维素之间的氢键相互作用随结晶度增大逐渐增强;当Cr I>52%时,胶原与纤维素之间的氢键相互作用随结晶度增大逐渐减弱。相应地,COL/Cel膜的力学性能、热性能也呈现对应的两相性。COL/Cel52的力学性能最优。最后,选择Cel48和Cel52作为肠衣增强剂,采用工业生产装置按照工业配方制备胶原肠衣(CC48,CC52)。CC52的热收缩性能、力学性能和爆破压力均优于CC48,而CC52和CC48又优于MCC。香肠灌装实验和挂蒸实验表明,CC52在挂蒸过程中的溜肩现象更少,表明纤维素结晶度可以调控胶原肠衣的力学性能,Cel52是胶原肠衣的合适增强剂。综上所述,纤维素结晶度是影响胶原与纤维素共混的重要因素,通过调控纤维素结晶度,可显著增强胶原肠衣力学性能,提高胶原肠衣品质,为解决国产胶原肠衣力学性能不足的问题提供了指导。
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