聚乳酸/纳米纤维素可降解食品包装薄膜的研究及其在西兰花保鲜中的应用

摘要

在能源危机和环境恶化的双重压力下，食品包装逐渐朝着节能环保方向转型。聚乳酸(PLA)因原料可再生且降解性能优异而成为绿色食品包装材料的主力军，用同样具有生物降解性的高强度填充粒子纳米纤维素(NCC)改性聚乳酸，不仅能获得一种高性能复合包装材料，而且还符合可持续发展的时代潮流。本文以聚乳酸为基材、纳米纤维素为改性剂、聚乙二醇(PEG)为界面相容剂，制备得到一系列可降解型食品包装薄膜，研究了纳米纤维素含量对复合薄膜表面形貌、热性能、力学性能、渗透性能以及透光性能的影响，考察了不同薄膜包装对西兰花常温贮藏的保鲜效果，并探索了聚乙二醇和纳米纤维素对聚乳酸复合材料降解性能的影响及作用机理。主要研究结果如下:
　　1.采用溶液浇铸法制备一系列不同纳米纤维素含量的聚乳酸/纳米纤维素复合薄膜。利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察薄膜的表面形貌，发现当纳米纤维素添加量小于4wt％时可被聚乙二醇完全包裹并在聚乳酸中均匀分散;由差示扫描量热分析(DSC)可知，聚乙二醇优异的增塑作用提高了聚乳酸的结晶能力，而纳米纤维素作为结晶成核剂也促进了聚乳酸的结晶，当其含量为2wt％时，复合薄膜的结晶度最高达9.37％，与纯聚乳酸相比提高了6.04％;力学性能测试结果显示，聚乙二醇降低了聚乳酸的拉伸强度和模量，但却明显改善了薄膜的柔韧性，添加2wt％纳米纤维素的复合薄膜综合力学性能最好;由于聚乙二醇具有良好的吸湿性以及增塑作用，因此聚乙二醇的存在显著提高了复合材料的渗透性能，而加入少量纳米纤维素则降低了水蒸气和O2分子在薄膜中的渗透速率，其中PLA/N2/P10复合薄膜的透湿系数和透氧率比PLA/N0/P10分别降低了8.70％和14.8％;纳米纤维素和聚乙二醇的加入对复合薄膜的透光率影响较小，但雾度有较明显增加。综合考虑，纳米纤维素含量为2wt％的PLA/N2/P10复合薄膜综合性能最佳。
　　2.分别用纯聚乳酸薄膜、PLA/N0/P10复合薄膜以及PLA/N2/P10复合薄膜包装西兰花并于(22±3)℃条件下贮藏，定期测试西兰花在贮存期间各项生理生化指标的变化，结果表明:PLA/N2/P10复合薄膜对西兰花常温贮藏的保鲜效果最好，能够使包装袋内形成有利于调控西兰花呼吸代谢的湿度水平和气调环境(12.3～13.3％O2+6.82～7.94％CO2)，有效抑制了花蕾霉菌的滋生繁殖，显著延缓西兰花中叶绿素和维生素C含量的下降，控制可溶性固形物含量的大幅变化，防止组织细胞膜结构受损及胞内过氧化物酶活性的快速增长，较好地维持了西兰花的外观品质，保留原有风味口感，从而将西兰花的常温货架期延长了2～3天。
　　3.将纳米纤维素和聚乙二醇以不同比例与聚乳酸熔融共混制备聚乳酸/纳米纤维素复合材料，随后进行为期60天的模拟体液降解实验。研究发现，添加亲水性纳米纤维素和聚乙二醇能明显加快聚乳酸的水降解进程。复合体系中聚乙二醇快速溶解于缓冲溶液导致材料内部形成了多孔结构，水分子更易扩散进入试样，促进聚乳酸酯键水解，而纳米纤维素因良好的亲水效应也吸附大量水分进一步加速了聚乳酸降解。聚乳酸复合材料的水降解速率与体系中纳米纤维素和聚乙二醇的百分含量呈正相关，其中PLA/N6/P16复合材料在降解60天后的失重率约为纯聚乳酸的74倍，黏均分子量下降了56.9％。此外，通过热失重分析(TGA)考察了聚乳酸复合材料在水解前后的热降解性能，发现纳米纤维素和聚乙二醇的存在降低了聚乳酸的热稳定性，但仍能满足实际生产需求;从水解后的复合材料中分离得到的聚乳酸由于分子量下降较多，因此热降解性能较纯聚乳酸有所降低。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 聚乳酸

1．2．1 聚乳酸的合成、结构与性质

1．2．2 聚乳酸的改性

1．2．3 聚乳酸的应用

1．3 纳米纤维素

1．3．1 纳米纤维素概述

1．3．2 纳米纤维素的表面改性

1．3．3 纳米纤维素的应用

1．4 聚乳酸／纳米纤维素复合材料国内外研究现状

1．4．1 国内研究现状

1．4．2 国外研究现状

1．5 聚乳酸及其复合材料的降解

1．5．1 降解机理

1．5．2 降解的影响因素

1．5．3 聚乳酸及其复合材料降解性能研究进展

1．6 西兰花及其保鲜技术研究

1．6．1 西兰花概述

1．6．2 西兰花采后保鲜方法

1．7 纳米包装材料在果蔬贮藏保鲜中的应用

1．8 本文研究意义、内容及创新点

1．8．1 研究目的及意义

1．8．2 主要研究内容

1．8．3 研究创新点

第二章 聚乳酸／纳米纤维素复合薄膜的制备及性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器及设备

2．2．3 实验方法

2．2．4 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 复合薄膜的形貌分析

2．3．2 复合薄膜的热性能

2．3．3 复合薄膜的力学性能

2．3．4 复合薄膜的渗透性能

2．3．5 复合薄膜的透光性能

2．4 本章小结

第三章 聚乳酸／纳米纤维素复合薄膜对西兰花保鲜效果的研究

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器及设备

3．2．3 实验方法

3．2．4 测试与表征

3．2．5 数据分析处理

3．3 结果与讨论

3．3．1 包装袋内O2、CO2含量的变化

3．3．2 感官品质评价

3．3．3 质量损失率变化

3．3．4 细胞膜透性(相对电导率)变化

3．3．5 叶绿素含量变化

3．3．6 维生素C含量变化

3．3．7 可溶性固形物(TSS)含量变化

3．3．8 过氧化物酶(POD)活性变化

3．4 本章小结

第四章 聚乳酸／纳米纤维素复合材料降解性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器及设备

4．2．3 实验方法

4．2．4 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 聚乳酸／纳米纤维素复合材料的水降解性能

4．3．2 聚乳酸／纳米纤维素复合材料的热降解性能

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简介