一种可完全降解的防水型食品用包装材料及其制备方法与流程

本发明属于有机高分子材料制备技术领域，具体地说，是涉及一种以细菌纤维素纤维和微晶纤维素颗粒交联而成的网络结构为基体，然后向其空隙中填充大豆分离蛋白而形成的一种可完全降解的防水型食品用包装材料及其制备方法。

背景技术：

目前主要的防水型食品用包装材料是塑料，其具有防水性好、强度高等突出的优势，但是塑料包装材料难以实现自然降解，不符合绿色环保的可持续发展理念。因此，发展一种基于纤维素的具有突出防水性能的纸质食品用包装材料不仅能够满足包装工业的需要，同时也能够满足食品安全和环境保护的要求。

提高纤维素基包装材料防水性能的传统思路主要是将水蒸气阻隔性较强的材料通过各种工艺覆盖在基材的表面或者内部[胡焱清，李保江，李大纲，纸/铝/塑复合水泥袋的研究与应用，包装工程，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]，但是该工艺会导致包装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，也可以通过将抗水剂施加于包装材料内部或者表面从而赋予基材抗水性能[张国运，表面施胶的作用及影响因素，天津造纸，2003年2期；李建文，詹怀宇，刘伟华，表面施胶剂在造纸工业中的应用进展，纸和造纸，2007年26期]，但是在抗水剂的生产和使用过程中会释放出污染物质，而且存在难以生物降解等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对传统防水型食品用包装材料生物降解性差，难以回收利用等问题，提供一种可完全降解的防水型食品用包装材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种可完全降解的防水型食品用包装材料，所述的可完全降解的防水型食品用包装材料是以细菌纤维素纤维为骨架、微晶纤维素为结点的交联网络为基体，然后在该基体的空隙中填充大豆分离蛋白后经真空脱泡、刮刀刮平、烘干形成的一种环保无毒、可降解的防水型食品用包装材料，其在40℃的蒸馏水中浸泡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装材料的制备方法，步骤如下：

（1）首先将细菌纤维素纤维加入到无水乙醇中，经过高压均质处理制备获得细菌纤维素纤维的分散体系；

（2）将微晶纤维素颗粒分散在蒸馏水中，在水浴加热条件下依次加入乙酸酐和浓硫酸对其进行表面改性，处理6h后利用蒸馏水将微晶纤维素颗粒洗涤至中性，经真空抽滤所得滤饼在40℃~45℃下干燥48h后得到改性微晶纤维素颗粒，整个改性过程伴随机械搅拌；

（3）将步骤（2）所得的改性微晶纤维素颗粒添加到步骤（1）所得的细菌纤维素纤维的分散体系中，经超声处理获得细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物；

（4）将大豆分离蛋白加入到步骤（3）所得的细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物中经超声处理分散均匀后制得原料，该原料经真空脱泡、刮刀刮平、烘干后制得可完全降解的防水型食品用包装材料。

进一步的，所述的步骤（1）中细菌纤维素的聚合度为1500~2000，分子量为250000~300000。

进一步的，所述的步骤（1）中每1.0g细菌纤维素需要分散于100g无水乙醇中，高压均质处理的压力为80MPa，处理次数为2次。

进一步的，所述的步骤（2）中微晶纤维素粒度为20μm~50μm、聚合度为200~220；用蒸馏水配制的微晶纤维素水溶液的质量分数为1.0%~2.0%，水浴加热温度为60℃；每改性1.0g微晶纤维素需要0.2g乙酸酐和2.5g浓硫酸；全程机械搅拌转速为120r/min，表面改性反应方程式如下：

。

进一步的，所述的步骤（3）中每100g细菌纤维素纤维的分散体系中需要加入0.5g~2.0g改性微晶纤维素颗粒。

进一步的，所述的步骤（3）中超声处理的功率为800w，时间为5min。

进一步的，所述的步骤（4）中大豆分离蛋白为120目；大豆分离蛋白与细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物的质量比为1:5~1:20。

进一步的，所述的步骤（4）中超声处理的功率为1200w，时间为5min；真空脱泡时间为30min；烘干温度为105℃，烘干时间为6h。

本发明的有益效果在于：（1）本发明提供了一种利用细菌纤维素纤维、微晶纤维素颗粒和大豆分离蛋白制备可完全降解的防水型食品用包装材料的有效途径；（2）本发明利用乙酸酐等对微晶纤维素进行表面改性，可以减少由于表面羟基间氢键的形成而导致的微晶纤维素颗粒团聚并可改善其在细菌纤维素纤维分散体系中的分散性能；由于细菌纤维素纤维表面的活性基团可以与微晶纤维素间形成大量的氢键连接，进而获得致密的交联网络结构，因此可显著提高该包装材料的防水能力；（3）本发明以微晶纤维素颗粒作为连接点可以显著提高细菌纤维素纤维排列的致密程度和连接强度；（4）本发明通过向细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物中添加大豆分离蛋白不会影响包装材料环保性能和降解性能；（5）本发明以细菌纤维素为骨架、微晶纤维素为结点的交联网络作为基体可以显著提高防水型食品用包装材料的结构稳定性，利用大豆分离蛋白填充上述交联网络的空隙可以保护纤维素结构中的羟基、降低包装材料的表面能，同时也可以使包装材料的结构更加致密，从而提高其防水能力；（6）本发明一种可完全降解的防水型食品用包装材料的制备方法简单，易与现有技术结合，可实现工业化生产；（7）本发明一种可完全降解的防水型食品用包装材料具有较好的生物降解性能，环保无毒，能够回收利用，适合可持续发展的需要。

附图说明

图1为可完全降解的防水型食品用包装材料结构中的交联网络基体示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围并不受此限制。

实施例1

本实施例的可完全降解的防水型食品用包装材料的制备方法如下：

（1）取5.0g细菌纤维素纤维（聚合度为1500~2000，分子量为250000~300000）分散在500g无水乙醇中，经过80MPa的高压均质处理2次制备获得504g均匀分散的细菌纤维素纤维的分散体系；

（2）取1.0g微晶纤维素（微晶纤维素粒度为20μm~50μm，聚合度为200~220）添加到100g的蒸馏水中，在60℃水浴加热条件下依次加入0.2g乙酸酐和2.5g浓硫酸进行表面改性，处理6h后利用蒸馏水将微晶纤维素洗涤至中性，经过真空抽滤后将滤饼在40℃下干燥48h后得到1.1g改性微晶纤维素颗粒，整个改性过程中的机械搅拌转速为120r/min；

（3）取1.0g改性微晶纤维素颗粒添加到200g细菌纤维素纤维的分散体系中，经过功率为800w，时间为5min的超声处理后获得201g细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物；

（4）取40g大豆分离蛋白（120目）加入到200g细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物中，经过功率为1200w、时间为5min的超声处理获得原料236g，经过30min真空脱泡后进行刮刀刮平，在105℃下烘干6h可制得41.3g可完全降解的防水型食品用包装材料。

上述防水型食品用包装材料在40℃的蒸馏水中浸泡12h后的吸水比例为4.7%。

实施例2

本实施例的可完全降解的防水型食品用包装材料的制备方法如下：

（1）取7.0g细菌纤维素纤维（聚合度为1500~2000，分子量为250000~300000）分散在700g无水乙醇中，经过80MPa的高压均质处理2次制备获得705g均匀分散的细菌纤维素纤维的分散体系；

（2）取3.0g微晶纤维素（微晶纤维素粒度为20μm~50μm，聚合度为200~220）添加到200g的蒸馏水中，在60℃水浴加热条件下依次加入0.6g乙酸酐和7.5g浓硫酸进行表面改性，处理6h后利用蒸馏水将微晶纤维素洗涤至中性，经过真空抽滤后将滤饼在45℃下干燥48h后得到3.2g改性微晶纤维素颗粒，整个改性过程中的机械搅拌转速为120r/min；

（3）取3.0g改性微晶纤维素颗粒添加到300g细菌纤维素纤维的分散体系中，经过功率为800w，时间为5min的超声处理后获得302g细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物；

（4）取20g大豆分离蛋白（120目）加入到200g细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物中，经过功率为1200w、时间为5min的超声处理获得原料219g，经过30min真空脱泡后进行刮刀刮平，在105℃下烘干6h可制得22.3g可完全降解的防水型食品用包装材料。

上述防水型食品用包装材料在40℃的蒸馏水中浸泡12h后的吸水比例为4.2%。

实施例3

本实施例的一种可完全降解的防水型食品用包装材料的制备方法如下：

（1）取6.0g细菌纤维素纤维（聚合度为1500~2000，分子量为250000~300000）分散在600g无水乙醇中，经过80MPa的高压均质处理2次制备获得603g均匀分散的细菌纤维素纤维的分散体系；

（2）取10.0g微晶纤维素（微晶纤维素粒度为20μm~50μm，聚合度为200~220）添加到500g的蒸馏水中，在60℃水浴加热条件下依次加入2g乙酸酐和25g浓硫酸进行表面改性，处理6h后利用蒸馏水将微晶纤维素洗涤至中性，经过真空抽滤后将滤饼在42℃下干燥48h后得到10.3g改性微晶纤维素颗粒，整个改性过程中的机械搅拌转速为120r/min；

（3）取9.0g改性微晶纤维素颗粒添加到600g细菌纤维素纤维的分散体系中，经过功率为800w，时间为5min的超声处理后获得607g细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物；

（4）取40g大豆分离蛋白（120目）加入到600g细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物中，经过功率为1200w、时间为5min的超声处理获得原料637g，经过30min真空脱泡后进行刮刀刮平，在105℃下烘干6h可制得51.2g可完全降解的防水型食品用包装材料。

上述防水型食品用包装材料在40℃的蒸馏水中浸泡12h后的吸水比例为5.3%。

实施例4

本实施例的可完全降解的防水型食品用包装材料的制备方法如下：

（1）取9.0g细菌纤维素纤维（聚合度为1500~2000，分子量为250000~300000）分散在900g无水乙醇中，经过80MPa的高压均质处理2次制备获得905g均匀分散的细菌纤维素纤维的分散体系；

（2）取12.0g微晶纤维素（微晶纤维素粒度为20μm~50μm，聚合度为200~220）添加到800g的蒸馏水中，在60℃水浴加热条件下依次加入2.4g乙酸酐和30g浓硫酸进行表面改性，处理6h后利用蒸馏水将微晶纤维素洗涤至中性，经过真空抽滤后将滤饼在43℃下干燥48h后得到12.3g改性微晶纤维素颗粒，整个改性过程中的机械搅拌转速为120r/min；

（3）取12.0g改性微晶纤维素颗粒添加到600g细菌纤维素纤维的分散体系中，经过功率为800w，时间为5min的超声处理后获得610g细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物；

（4）取30g大豆分离蛋白（120目）加入到600g细菌纤维素纤维-微晶纤维素混合物中，经过功率为1200w、时间为5min的超声处理获得原料622g，经过30min真空脱泡后进行刮刀刮平，在105℃下烘干6h可制得45.7g可完全降解的防水型食品用包装材料。

上述防水型食品用包装材料在40℃的蒸馏水中浸泡12h后的吸水比例为6.8%。