一種可完全降解的防水型食品用包裝材料及其制備方法與流程

本發明屬于有機高分子材料制備技術領域，具體地說，是涉及一種以細菌纖維素纖維和微晶纖維素顆粒交聯而成的網絡結構為基體，然后向其空隙中填充大豆分離蛋白而形成的一種可完全降解的防水型食品用包裝材料及其制備方法。

背景技術：

目前主要的防水型食品用包裝材料是塑料，其具有防水性好、強度高等突出的優勢，但是塑料包裝材料難以實現自然降解，不符合綠色環保的可持續發展理念。因此，發展一種基于纖維素的具有突出防水性能的紙質食品用包裝材料不僅能夠滿足包裝工業的需要，同時也能夠滿足食品安全和環境保護的要求。

提高纖維素基包裝材料防水性能的傳統思路主要是將水蒸氣阻隔性較強的材料通過各種工藝覆蓋在基材的表面或者內部[胡焱清，李保江，李大綱，紙/鋁/塑復合水泥袋的研究與應用，包裝工程，2006年6期；Lahtinen K, Maydannik P, Johansson P, et al. Utilisation of continuous atomic layer deposition process for barrier enhancement of extrusion-coated paper[J]. Surface and Coatings Technology. 2011, 205(15): 3916-3922]，但是該工藝會導致包裝材料失去原有的可回收性和生物降解性[Morillon V, Debeaufort F, Blond G, et al. Factors affecting the moisture permeability of lipid-based edible films: a review[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2002, 42(1): 67-89；Khwaldia K, Arab Tehrany E, Desobry S. Biopolymer coatings on paper packaging materials[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2010, 9(1): 82-91]。另外，也可以通過將抗水劑施加于包裝材料內部或者表面從而賦予基材抗水性能[張國運，表面施膠的作用及影響因素，天津造紙，2003年2期；李建文，詹懷宇，劉偉華，表面施膠劑在造紙工業中的應用進展，紙和造紙，2007年26期]，但是在抗水劑的生產和使用過程中會釋放出污染物質，而且存在難以生物降解等問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對傳統防水型食品用包裝材料生物降解性差，難以回收利用等問題，提供一種可完全降解的防水型食品用包裝材料及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種可完全降解的防水型食品用包裝材料，所述的可完全降解的防水型食品用包裝材料是以細菌纖維素纖維為骨架、微晶纖維素為結點的交聯網絡為基體，然后在該基體的空隙中填充大豆分離蛋白后經真空脫泡、刮刀刮平、烘干形成的一種環保無毒、可降解的防水型食品用包裝材料，其在40℃的蒸餾水中浸泡12h后的吸水比例低于5.0%。

所述的可完全降解的防水型食品用包裝材料的制備方法，步驟如下：

（1）首先將細菌纖維素纖維加入到無水乙醇中，經過高壓均質處理制備獲得細菌纖維素纖維的分散體系；

（2）將微晶纖維素顆粒分散在蒸餾水中，在水浴加熱條件下依次加入乙酸酐和濃硫酸對其進行表面改性，處理6h后利用蒸餾水將微晶纖維素顆粒洗滌至中性，經真空抽濾所得濾餅在40℃~45℃下干燥48h后得到改性微晶纖維素顆粒，整個改性過程伴隨機械攪拌；

（3）將步驟（2）所得的改性微晶纖維素顆粒添加到步驟（1）所得的細菌纖維素纖維的分散體系中，經超聲處理獲得細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物；

（4）將大豆分離蛋白加入到步驟（3）所得的細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物中經超聲處理分散均勻后制得原料，該原料經真空脫泡、刮刀刮平、烘干后制得可完全降解的防水型食品用包裝材料。

進一步的，所述的步驟（1）中細菌纖維素的聚合度為1500~2000，分子量為250000~300000。

進一步的，所述的步驟（1）中每1.0g細菌纖維素需要分散于100g無水乙醇中，高壓均質處理的壓力為80MPa，處理次數為2次。

進一步的，所述的步驟（2）中微晶纖維素粒度為20μm~50μm、聚合度為200~220；用蒸餾水配制的微晶纖維素水溶液的質量分數為1.0%~2.0%，水浴加熱溫度為60℃；每改性1.0g微晶纖維素需要0.2g乙酸酐和2.5g濃硫酸；全程機械攪拌轉速為120r/min，表面改性反應方程式如下：

。

進一步的，所述的步驟（3）中每100g細菌纖維素纖維的分散體系中需要加入0.5g~2.0g改性微晶纖維素顆粒。

進一步的，所述的步驟（3）中超聲處理的功率為800w，時間為5min。

進一步的，所述的步驟（4）中大豆分離蛋白為120目；大豆分離蛋白與細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物的質量比為1:5~1:20。

進一步的，所述的步驟（4）中超聲處理的功率為1200w，時間為5min；真空脫泡時間為30min；烘干溫度為105℃，烘干時間為6h。

本發明的有益效果在于：（1）本發明提供了一種利用細菌纖維素纖維、微晶纖維素顆粒和大豆分離蛋白制備可完全降解的防水型食品用包裝材料的有效途徑；（2）本發明利用乙酸酐等對微晶纖維素進行表面改性，可以減少由于表面羥基間氫鍵的形成而導致的微晶纖維素顆粒團聚并可改善其在細菌纖維素纖維分散體系中的分散性能；由于細菌纖維素纖維表面的活性基團可以與微晶纖維素間形成大量的氫鍵連接，進而獲得致密的交聯網絡結構，因此可顯著提高該包裝材料的防水能力；（3）本發明以微晶纖維素顆粒作為連接點可以顯著提高細菌纖維素纖維排列的致密程度和連接強度；（4）本發明通過向細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物中添加大豆分離蛋白不會影響包裝材料環保性能和降解性能；（5）本發明以細菌纖維素為骨架、微晶纖維素為結點的交聯網絡作為基體可以顯著提高防水型食品用包裝材料的結構穩定性，利用大豆分離蛋白填充上述交聯網絡的空隙可以保護纖維素結構中的羥基、降低包裝材料的表面能，同時也可以使包裝材料的結構更加致密，從而提高其防水能力；（6）本發明一種可完全降解的防水型食品用包裝材料的制備方法簡單，易與現有技術結合，可實現工業化生產；（7）本發明一種可完全降解的防水型食品用包裝材料具有較好的生物降解性能，環保無毒，能夠回收利用，適合可持續發展的需要。

附圖說明

圖1為可完全降解的防水型食品用包裝材料結構中的交聯網絡基體示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例詳細說明本發明的技術方案，但保護范圍并不受此限制。

實施例1

本實施例的可完全降解的防水型食品用包裝材料的制備方法如下：

（1）取5.0g細菌纖維素纖維（聚合度為1500~2000，分子量為250000~300000）分散在500g無水乙醇中，經過80MPa的高壓均質處理2次制備獲得504g均勻分散的細菌纖維素纖維的分散體系；

（2）取1.0g微晶纖維素（微晶纖維素粒度為20μm~50μm，聚合度為200~220）添加到100g的蒸餾水中，在60℃水浴加熱條件下依次加入0.2g乙酸酐和2.5g濃硫酸進行表面改性，處理6h后利用蒸餾水將微晶纖維素洗滌至中性，經過真空抽濾后將濾餅在40℃下干燥48h后得到1.1g改性微晶纖維素顆粒，整個改性過程中的機械攪拌轉速為120r/min；

（3）取1.0g改性微晶纖維素顆粒添加到200g細菌纖維素纖維的分散體系中，經過功率為800w，時間為5min的超聲處理后獲得201g細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物；

（4）取40g大豆分離蛋白（120目）加入到200g細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物中，經過功率為1200w、時間為5min的超聲處理獲得原料236g，經過30min真空脫泡后進行刮刀刮平，在105℃下烘干6h可制得41.3g可完全降解的防水型食品用包裝材料。

上述防水型食品用包裝材料在40℃的蒸餾水中浸泡12h后的吸水比例為4.7%。

實施例2

本實施例的可完全降解的防水型食品用包裝材料的制備方法如下：

（1）取7.0g細菌纖維素纖維（聚合度為1500~2000，分子量為250000~300000）分散在700g無水乙醇中，經過80MPa的高壓均質處理2次制備獲得705g均勻分散的細菌纖維素纖維的分散體系；

（2）取3.0g微晶纖維素（微晶纖維素粒度為20μm~50μm，聚合度為200~220）添加到200g的蒸餾水中，在60℃水浴加熱條件下依次加入0.6g乙酸酐和7.5g濃硫酸進行表面改性，處理6h后利用蒸餾水將微晶纖維素洗滌至中性，經過真空抽濾后將濾餅在45℃下干燥48h后得到3.2g改性微晶纖維素顆粒，整個改性過程中的機械攪拌轉速為120r/min；

（3）取3.0g改性微晶纖維素顆粒添加到300g細菌纖維素纖維的分散體系中，經過功率為800w，時間為5min的超聲處理后獲得302g細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物；

（4）取20g大豆分離蛋白（120目）加入到200g細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物中，經過功率為1200w、時間為5min的超聲處理獲得原料219g，經過30min真空脫泡后進行刮刀刮平，在105℃下烘干6h可制得22.3g可完全降解的防水型食品用包裝材料。

上述防水型食品用包裝材料在40℃的蒸餾水中浸泡12h后的吸水比例為4.2%。

實施例3

本實施例的一種可完全降解的防水型食品用包裝材料的制備方法如下：

（1）取6.0g細菌纖維素纖維（聚合度為1500~2000，分子量為250000~300000）分散在600g無水乙醇中，經過80MPa的高壓均質處理2次制備獲得603g均勻分散的細菌纖維素纖維的分散體系；

（2）取10.0g微晶纖維素（微晶纖維素粒度為20μm~50μm，聚合度為200~220）添加到500g的蒸餾水中，在60℃水浴加熱條件下依次加入2g乙酸酐和25g濃硫酸進行表面改性，處理6h后利用蒸餾水將微晶纖維素洗滌至中性，經過真空抽濾后將濾餅在42℃下干燥48h后得到10.3g改性微晶纖維素顆粒，整個改性過程中的機械攪拌轉速為120r/min；

（3）取9.0g改性微晶纖維素顆粒添加到600g細菌纖維素纖維的分散體系中，經過功率為800w，時間為5min的超聲處理后獲得607g細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物；

（4）取40g大豆分離蛋白（120目）加入到600g細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物中，經過功率為1200w、時間為5min的超聲處理獲得原料637g，經過30min真空脫泡后進行刮刀刮平，在105℃下烘干6h可制得51.2g可完全降解的防水型食品用包裝材料。

上述防水型食品用包裝材料在40℃的蒸餾水中浸泡12h后的吸水比例為5.3%。

實施例4

本實施例的可完全降解的防水型食品用包裝材料的制備方法如下：

（1）取9.0g細菌纖維素纖維（聚合度為1500~2000，分子量為250000~300000）分散在900g無水乙醇中，經過80MPa的高壓均質處理2次制備獲得905g均勻分散的細菌纖維素纖維的分散體系；

（2）取12.0g微晶纖維素（微晶纖維素粒度為20μm~50μm，聚合度為200~220）添加到800g的蒸餾水中，在60℃水浴加熱條件下依次加入2.4g乙酸酐和30g濃硫酸進行表面改性，處理6h后利用蒸餾水將微晶纖維素洗滌至中性，經過真空抽濾后將濾餅在43℃下干燥48h后得到12.3g改性微晶纖維素顆粒，整個改性過程中的機械攪拌轉速為120r/min；

（3）取12.0g改性微晶纖維素顆粒添加到600g細菌纖維素纖維的分散體系中，經過功率為800w，時間為5min的超聲處理后獲得610g細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物；

（4）取30g大豆分離蛋白（120目）加入到600g細菌纖維素纖維-微晶纖維素混合物中，經過功率為1200w、時間為5min的超聲處理獲得原料622g，經過30min真空脫泡后進行刮刀刮平，在105℃下烘干6h可制得45.7g可完全降解的防水型食品用包裝材料。

上述防水型食品用包裝材料在40℃的蒸餾水中浸泡12h后的吸水比例為6.8%。