可降解魔芋葡甘聚糖吸管的制備研究

張孟琦，梁蓮花，崔歆悅，任梓嫣，蔣 革

大連大學生命健康學院，遼寧 大連 116622

全球每年的塑料使用量接近4 億t，占據了大部分吸管市場。塑料因具有成本低、透明度高、耐久性強等優良性能而深受市場的青睞，然而強耐久性的塑料也會給環境帶來巨大污染。塑料吸管是一次性用品，降解所需時間長，回收利用難度系數很大，會給生態環境造成嚴重的危害。隨著經濟社會不斷發展和環保意識的迅速提高，人民對生活質量的要求日益提高，環保意識逐漸增強，迫切需要發現更多可降解的原材料。為解決自然與人類的需求，目前主要采用木漿作為主要原料制作紙吸管，其具有可降解、熱塑性強等優點，故而被廣泛應用于生物能源和儲能等領域。但紙吸管的耐用性較差且成本更高[1]，硬度相較于塑料吸管偏低，容易損壞，很多時候無法戳開飲料包裝，且為三層覆蓋式構造，在使用過程中可能會出現軟化進而影響使用體驗[2]。因此，急需一種可降解、成本低、耐用性能強的環保吸管。魔芋主要含有魔芋葡甘聚糖（Konjac Glucomannan，KGM），黏度較高且具有優良的成膜性，是一種很好的制膜材料，其天然可降解性對環境非常友好，可以被廣泛應用于食品、醫藥等領域。海藻酸鈉（Sodium Alginate ，SA）是一種從天然產物海帶中分離出的含有大量羥基的多糖，在自然界中可以完全降解，并且不會對環境造成污染，具有很好的成膜性和增稠性[3]，同時與魔芋有很好的相容性。因此可以將魔芋與SA 復配，以制備一種性能良好的可降解吸管。

1 材料與儀器

KGM（上海源葉生物有限公司）、SA（上海源葉生物有限公司）、甘油（國藥試劑化學有限公司）、無水CaCl2（天津科密歐化學試劑有限公司）、NaOH（江蘇強盛功能化學股份有限公司）、H2SO4（天津市華東試劑廠）、DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（上海力辰邦西儀器科技有限公司）、真空干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）、電腦拉力試驗機（東莞市東日儀器有限公司）。

2 實驗步驟

2.1 可降解魔芋葡甘聚糖吸管的制備

稱取一定質量的KGM 溶于70 ℃的去離子水中，攪拌狀態下緩慢加入SA，確保兩種物質在水中分散均勻不易結塊，在40 r/min 的轉速下連續攪拌并加入甘油，至完全溶解后停止，利用真空干燥箱多次去除氣泡。趁熱倒入聚四氟乙烯板，待表面平整后，烘干10 h 成膜。將膜卷曲成管后用1%的CaCl2溶液固化并烘干，得到魔芋葡甘聚糖吸管。

2.2 可降解魔芋葡甘聚糖吸管的性能研究

2.2.1 性能檢測

耐熱性能的測定：將制備好的KGM∶SA（分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）的魔芋葡甘聚糖吸管裁剪成同樣大小和形狀，放入70 ℃的恒溫水中1 h，每隔10 min 記錄吸管的軟硬程度[4]。

耐水性能的測定：為評估魔芋葡甘聚糖吸管的耐水性能，將制備成型的5 組比例吸管浸入水中1 h，記錄吸管的離散程度。

力學拉伸性能的測定：采用電腦拉力試驗機，拉伸速度設定為10 mm/min，測定魔芋葡甘聚糖5 組比例吸管數據。

耐酸堿性能的測定：用滴管將硫酸緩慢滴入去離子水中，邊滴加邊攪拌，配置成pH 為2 的酸性溶液；稱取一定質量的氫氧化鈉，溶解在去離子水中，配置成pH 為11 的堿性溶液；用去離子水配置pH為7 的中性溶液并將制備成型的質量為0.15 g 的5組比例魔芋葡甘聚糖吸管放入其中，浸泡2 h，然后用鑷子取出吸管，烘干至質量不再發生變化后稱重。

2.2.2 生物降解性能

將魔芋葡甘聚糖吸管和普通塑料吸管每隔5 d分別放入土壤中，共8 次，將吸管從土壤中取出，沖洗干凈并擦干后稱重，與掩埋前的重量進行對比。

3 結果分析

3.1 性能檢測

3.1.1 耐熱性能

檢測結果如表1 所示。從數據表格分析來看，魔芋葡甘聚糖吸管制混合比例KGM∶SA 為1∶1和3∶1 的吸管耐熱性都符合要求，但混合比例為1∶1 的吸管耐熱性最好，軟硬程度適中，在加熱60 min 時才開始變軟。

表1 可降解魔芋葡甘聚糖吸管耐熱軟硬程度

3.1.2 耐水性能

檢測結果如表2 所示。5 組比例的魔芋葡甘聚糖吸管在耐水方面全部保存完好，僅KGM∶SA 為1∶3 的吸管在40 min 后發生部分松散，故而可以將其應用于食品包裝行業。

表2 可降解魔芋葡甘聚糖吸管耐水離散程度

3.1.3 力學拉伸性能

針對可降解魔芋葡甘聚糖吸管力學拉伸的性能檢測，本研究分別從斷裂延伸率和抗拉強度方面檢查了吸管的性能。檢測結果如表3 所示。在斷裂延伸率方面，比例為1∶1 和1∶2 的吸管斷裂延伸率最高，吸管延展性更強，表面更加光滑[5]。在抗拉強度方面，比例為1∶1 和1∶2 的吸管性能最好，吸管韌性較好，吸管抵抗拉伸能力更強，使吸管不易因外力而發生變形。綜合以上數據，1∶1 的吸管的力學延伸性較好。

表3 可降解魔芋葡甘聚糖吸管拉伸度

3.1.4 耐酸堿性能

在相同浸泡時間條件下，根據5 種比例吸管在酸性溶液、堿性溶液及中性溶液中的殘余質量，計算得到表4 可降解魔芋葡甘聚糖吸管耐酸堿性能測定實驗數據。通過對比5 種比例吸管的耐酸度、耐堿度和中性度，發現比例為3∶1 的可降解魔芋葡甘聚糖吸管在三種溶液浸泡下剩余質量最高，完整性最好。

表4 可降解魔芋葡甘聚糖吸管耐酸堿性能測定

本實驗以KGM 和SA 為原材料，制備了5 組不同配比的吸管進行性能檢測，得出以下結論：耐熱性最好的吸管的混合比例是KGM∶SA 為1∶1，耐水性能除混合比例1∶3 外均較好，力學拉伸性能最好的吸管混合比例為1∶1，耐酸堿性能最好的吸管是混合比例為1∶3。綜合各項性能，選用1∶1 的比例作為制備魔芋葡甘聚糖吸管的材料配比。

3.2 生物降解檢測

根據實驗方案，對兩種吸管掩埋前后的質量進行比較，發現魔芋葡甘聚糖吸管形態發生萎縮，重量發生變化，分解率為59.5%；而普通塑料吸管的形態幾乎沒有改變，質量只有輕微減少，分解率僅為8.4%。因此魔芋與海藻酸鈉均為可降解物質[6]，相較于傳統吸管具有極好的生物降解性能。

4 結語

本文以魔芋與海藻酸鈉為主要原材料制備的魔芋葡甘聚糖吸管兼顧環保和實用性能，既保留了塑料吸管耐高溫、高韌性的特點，又解決了高分子材料吸管存在的一些缺陷，具有可降解性，對環境十分友好，是一種可生產利用吸管。近年來，越來越多的科研人員投身于可降解材料的研究中，創新性的技術也在不斷推出，可降解魔芋葡甘聚糖吸管對于中國可降解材料的發展具有重要意義。在環保要求日益提高的未來，希望可降解魔芋葡甘聚糖吸管可以占據食品包裝行業的一席之地，并得到創新發展，實現綠色低碳發展。