改性聚丙烯薄膜防黏性能驗證及包裝應用

隋 越 楊福馨 - 程 龍 徐 韜

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

酸奶是一種備受歡迎的保健食品[1]，生產商家想要在競爭日益激烈的酸奶產業中脫穎而出，除了要對酸奶的風味進行改進和創新，在價格方面進行調整外，也要在其用來提高附加值的酸奶包裝上進行改革和創新，因此，各商家將重點放在酸奶的外包裝上[2-3]。包裝的創新包括包裝設計和包裝材料的研發，日常生活中，連杯酸奶在飲用后仍會有大量粘附在杯壁，不僅降低了購物體驗，還會造成浪費。如何解決酸奶包裝材料使酸奶剩余量減少是亟待解決的問題[4]。吳小鳴等[5]研制出人工仿生荷葉薄膜，這種薄膜實際上是一種人造高分子薄膜，具有不沾水和不沾油的性質，但制作工藝繁瑣，且未與其他薄膜進行對比；郝利榮[6]研究了有機氟、硅油改性聚苯乙烯，但對薄膜防黏效果的驗證方法介紹甚少。

試驗擬驗證改性薄膜的防黏連效果，檢驗改性薄膜的安全性以及測量并記錄用改性薄膜包裝后的酸奶的營養成分及品質變化等，在追求安全的基礎上使酸奶殘留量更少，將防黏效果的驗證簡單有效化，旨在為酸奶提供有效的包裝，為防黏薄膜提供有效驗證方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

PPMDP5樹脂、聚丙烯樹脂：中國石油天然氣股份有限公司；

聚四氟乙烯改性聚丙烯薄膜、硅油改性聚丙烯薄膜、未改性聚丙烯薄膜：上海膜益信息科技有限公司；

酸奶：蒙牛風味酸牛奶(樣品a)、光明碧悠酸牛奶(樣品b)、伊利原味發酵乳；

乙酸、乙醇、高錳酸鉀、硫化鈉、甘油、氫氧化鈉、草酸、草酸鈉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

轉矩流變儀：XSS-300型，上海科創橡塑機械設備有限公司；

雙螺桿擠出機：LSSJ-20型，上海科創橡塑機械設備有限公司；

流延機：LYJ-300型，上海科創橡塑機械設備有限公司；

切粒機：SG-20型，上海科創橡塑機械設備有限公司；

接觸角測量儀：JC2000D1型，上海中晨數字技術設備有限公司；

超低溫冰箱：DW-86L286型，—80 ℃，青島海爾股份有限公司；

真空冷凍干燥機：FD-2D-80壓蓋掛瓶型，上海繼譜電子科技有限公司；

分析天平：SZGA30002型，蘇州博泰偉業電子科技有限公司；

塑料薄膜封口機：FR-300A型，上海翔一包裝機械有限公司；

恒溫水浴鍋：DF-101S型，上海繼譜電子科技有限公司。

1.2 試驗準備

1.2.1 試驗用薄膜 將改性劑聚四氟乙烯、硅油以表1中比例與母粒聚丙烯充分混合均勻，將其加入到已預熱好的雙螺桿擠出機中，通過雙螺桿擠出機的共混，熔融擠出，用切粒機將其切斷獲得大小合適的顆粒，獲得所需的改性不黏聚丙烯樹脂母粒，其中雙螺桿擠出機的參數為：1～7區的溫度分別為165，170，175，180，180，175，170 ℃；雙螺桿轉速30 r/min。將制備好的改性母粒直接加入到已預熱好的流延機中，流延成膜，其中流延機1～7區的溫度分別為165，170，180，185，185，175，170 ℃，轉速60 r/min。

1.2.2 酸奶包裝

(1)包裝袋的準備:將未改性的聚丙烯薄膜和表1中除市售薄膜外的所有改性薄膜以8 cm×6 cm的尺寸裁剪后，用熱封機熱封成袋，每一編號的薄膜準備6個備用。

表1 試驗用薄膜組合

(2)酸奶裝袋：各稱取40 g酸奶樣品a和樣品b，裝入已準備好的包裝袋中，標記后將已包裝好的樣品放入與原杯酸奶所處條件相同的冷藏室中貯藏。

1.3 性能測試

1.3.1 接觸角的測定(CAM) 參照文獻[7]的方法并略作修改。以酸奶為介質，通過測量酸奶與薄膜表面接觸角的大小來初步檢測薄膜的防黏性能。選取試驗用薄膜裁剪成3 cm×2 cm的樣品，用注射器滴2 μL酸奶(伊利原味發酵乳)于薄膜表面，采用接觸角測量儀固定圖像并任意選取5點進行接觸角的計算[8]，以未改性的聚丙烯PP薄膜為對照，每個圖像測量5次，取平均值[9-10]。

1.3.2 防黏效果驗證 以酸奶在薄膜上的剩余量為直觀表現，分別采用兩種不同的方法測量殘留量進行驗證實驗。方法一結束后評選效果最優的薄膜，將其采用方法二與原杯膜再次進行防黏效果驗證。

(1)方法一：① 將未改性聚丙烯片材與試驗所制得片材裁剪成4 cm×6 cm的樣品，稱量每個片材樣品的質量(X)，備用；② 從冰箱中取出酸奶樣品a，開蓋后稱量酸奶杯及酸奶的質量(Y)，將剪裁好的樣品垂直全部沒入酸奶中，并旋轉3圈使片材表面充分接觸酸奶，垂直靜置1 min取出，稱量剩余酸奶質量(Y1)；③ 將取出后的粘有酸奶的片材垂直靜置1 min，稱取靜置后片材及其附著酸奶的總質量(T)；連續測量7 d，每個樣品測量3次，按式(1)計算酸奶殘留量。

(1)

式中：

潛水軸流泵和傳統水泵相比，輔助設備少，能大大減少故障出現概率，提高設備可靠性；操作程序也相對簡單，有利于提高設備自動化程度；同時由于潛水軸流泵散熱效果好，也有效延長了泵機組的使用壽命。

R——酸奶殘留量，%；

T——酸奶的總質量，g；

X——片材質量，g；

Y——開蓋后未引用酸奶杯及酸奶質量，g；

Y1——剩余酸奶質量，g。

(2)方法二：① 按市面上聯杯酸奶的尺寸加工成酸奶杯，灌裝酸奶低溫冷藏7 d后，打開食用，保證酸奶殘留量均為3.00 g；② 將食用后有殘留酸奶的酸奶杯分別使其從1 m高處做自由落體運動(見圖1)，跌落5次，稱重，按式(2)計算跌落前后酸奶質量比，每個包裝平行3次。

(2)

式中：

f——跌落前酸奶質量，g；

t——跌落后酸奶質量，g。

1.3.3 改性薄膜衛生性能測量 按GB/T 5009.60—2003執行。試驗樣品為經防黏效果測量后優選的薄膜。

圖1 酸奶自由落體試驗設計圖

2 結果與分析

2.1 酸奶接觸角測試結果

由圖2可知，A、B、C 3組的接觸角隨硅油含量的增加而增大，由81.38°增大到85.97°，是由于增加硅油含量，薄膜的表面能越來越低[11]，酸奶越不易粘附于薄膜表面，薄膜接觸角越大，說明添加硅油使疏水性增大。D、E、F、G的接觸角隨PTFE含量的增加呈先增大后減小趨勢，由88.15°先增大到99.84°再減小至85.33°，可能是PTFE含量增多使得薄膜表面粗糙度增加，研究[12-13]表明，薄膜表面粗糙度的增大會導致接觸角增大，說明酸奶在由PTFE改性的薄膜上的附著力變小，薄膜的防黏連性能較好。綜上，C組和E組改性薄膜的接觸角最優，可作為酸奶的包裝使用。

2.2 不同包裝條件下酸奶殘留量測試結果

由表2可知，改性薄膜A、B、C、D、E、F、G經試驗后的薄膜不粘效果均比未改性的聚丙烯薄膜的好，其中薄膜E的不粘效果最好，酸奶殘留量為26.61%，其次為薄膜C，其酸奶殘留量為28.67%；市面上已應用的防黏連薄膜的酸奶殘留量為30.65%，故經改性的薄膜C和薄膜E的不粘效果比未改性的聚丙烯薄膜的好，且更優于市面上已應用的其他同性能的薄膜，由于聚四氟乙烯和硅油表面能很低，使薄膜具有更好的防黏連效果，能有效地減少酸奶與薄膜間的黏附性。

由表3可知，經方法一驗證后效果最優的薄膜C和薄膜E在跌落試驗后殘留的平均質量比明顯低于原杯膜的，平均質量比越小即酸奶殘留量越少，表明經薄膜C和薄膜E包裝后的酸奶殘留量遠小于原杯膜，進一步說明改性后的薄膜的防黏連性能遠遠優于原杯膜，證明此研究達到效果且可足夠應用于實踐與生產。

圖2 薄膜的接觸角測試結果

表2 薄膜的防黏效果(方法一)

表3 自由落體后酸奶殘留量(方法二)

2.3 改性薄膜的衛生性能

由表4可知，經改性后的薄膜C和薄膜E的各項指標均符合GB/T 5009.71—2003的規定，說明改性后最優組合的薄膜C和薄膜E在最大程度地降低酸奶殘留量的同時也沒有安全隱患，可以放心用于食品包裝。

表4 安全性能檢測結果

3 結論

酸奶在改性薄膜和未改性薄膜上的接觸角表明，改性防黏薄膜的接觸角大于未改性聚丙烯薄膜的，疏水性極佳，且防黏連性能測試進一步驗證了改性薄膜的最佳配方為7%硅油+93%聚丙烯和8%聚四氟乙烯+92%聚丙烯；經兩種方法測試酸奶在改性薄膜的殘留量得出：改性薄膜的性能均優于市面已有防黏薄膜的，且最佳配方的薄膜的防黏效果優于原杯膜；薄膜的衛生性能表明，改性薄膜符合GB/T 5009.71—2003的規定，其安全性高，對包裝物無影響，可應用于實際食品的包裝。后續可將改性薄膜進行多次造粒流延，使改性劑更加充分地與聚丙烯母粒進行融合；可將改性薄膜應用于酸奶的包裝，并與原杯酸奶進行風味比較及酸奶成分的變化等。