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殼聚糖在包裝印刷業的應用
時間:2013-05-07   來源: 包裝前沿   閱讀:7412次

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??????1、引言
??????對殼聚糖的研究,國外起源于上世紀80—90年代,而我國的研究也基本是同一時期開始的。近年來,隨著綠色包裝印刷的興起,多糖類物質也越來越多地應用于包裝與印刷材料。殼聚糖作為一種新型綠色包裝印刷原材料,由于其是成膜性很好的天然高分子物質,具有許多傳統包裝印刷材料所不具有的優點,所以也開始被研究和應用。經有關研究表明,殼聚糖作為一種新的包裝與印刷材料是可行的,它將在淘汰聚合材料、填補紙張供量不足、減少環境污染等各方面起著積極而重要的作用。目前,我國正加緊研究用其制成能夠滿足包裝和印刷要求的片狀材料的工藝,并進行定量分析,有些已用于生產,產生了一定的經濟效益。
??????2、殼聚糖及其衍生物的基本性質
??????殼聚糖(Chitosan,簡稱為cs)來源豐富,價格適中,是由甲殼素(廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲等外殼及真菌中,每年生物合成約為100多億噸,是地球上僅次于纖維素的第二大再生資源,在我國沿海地區也相當豐富)在濃堿下脫乙酰化處理后得到的一種天然含氨基的均態直鏈多糖,是自然界唯一的堿性多糖,含有游離氨基。其化學名稱為(1,4)一2一氨基一2一β—D一葡萄糖,分子式為(C6H13·N05)n,結構式如下圖1:?
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??????殼聚糖的外觀是白色或淡黃色半透明片狀或粉末固體,略有珍珠光澤;相對分子量從數十萬到數百萬不等;由于氨基的存在,其化學性質大大被活化,盡管不溶于水和堿性溶液,但在酸性條件下一NH2質子化變為一NH2+,所以可溶于大多數稀酸,如稀的鹽酸、醋酸、乳酸、甲酸等水溶液中,水合能力增強,聚集態的高分子鏈可以慢慢被水解開,形成溶液,這也是其最主要最有用的性質之一。脫乙酰度和粘度(平均相對分子量)是殼聚糖的兩項主要性能指標。
??????由于分子結構中氨基、羥基、乙酰氨基、氧橋以及富含電子的吡喃環等活性基團的存在,殼聚糖能進行多種化學改性反應,其生成的衍生物具有獨特的物理、化學性質及生理功能,如良好的成膜性、良好的生物相容性、抗菌性、調節免疫功能性、降解性等。因此,在醫藥、食品、功能材料、紡織印染、環境保護、日用化工、果蔬保鮮、生物組織技術等領域顯示出廣闊的應用前景。
??????3、殼聚糖材料的包裝適性分析
??????由于殼聚糖的組成、結構與天然纖維素一樣都屬于多糖類物質,因此用它制成薄型片狀材料,可滿足如下包裝適性的要求:
??????(1)保護性
??????保護性主要指包裝材料的力學強度、透氣性、穩定性等方面的性能。
??????①力學強度
??????由于多糖類物質殼聚糖的內力作用較強,有鏈的交織力作用、分子間范德華力及羥基與水分子間的作用力,因而用其制成的片狀物有一定的拉伸強度、拉裂強度、破裂強度、耐折強度、耐磨性能等。
??????②氣體透過性
??????包裝材料對水蒸汽、氧氣、有機揮發氣體等的透過性是比較重要的特性,其直接影響著被包裝品特別是食品的質量。殼聚糖大分子上有許多結合水分子的氨基,具有優良的吸水性和保水性,而且其可通過各種方法(如以聚乙二醇為微孔劑)制成具有多孔結構的材料,從而具有良好的氣體透過性,這些對很多包裝品來說非常重要。
??????③穩定性
??????穩定性是指包裝材料的耐光性、耐藥品性、耐有機溶劑性、耐熱寒性等。殼聚糖在光、熱、寒、及大多數有機溶劑等作用下不會發生化學變化,不霉、不腐、無菌,其穩定性優于紙張。
??????(2)作業性
??????包裝材料的作業性是指作業強度、封口性、不粘連性、與粘合劑的適用性、不卷曲等。根據殼聚糖結構和特性可知,其強度適中,具有較好的挺度,可粘連,能夠滿足包裝作業中的適應性和機械性能的要求。
??????(3)商品性
??????主要指包裝材料的光澤度、平滑度、染色性等。殼聚糖具有較強的成膜性,其片狀物平滑度高,它又有良好的吸收性能,可充分吸收染料溶液而使其染成各種色彩。
??????(4)使用方便性和衛生性
??????殼聚糖材料強度適中,其使用方便性如開封性能優于聚合材料。另外,殼聚糖材料用于食品包裝醫藥包裝,無毒、無味、無臭,熱穩定性優良,且具有明顯的抑制霉菌、細菌和酵母菌的性能,符合食品藥物管理的規定要求。
??????(5)經濟性
??????目前殼聚糖主要是從蝦殼或蟹殼中提取,這個方法有兩個缺點:首先是原料有限,收集受季節限制,生產成本高;其次由于原料種類、產地和生產工藝不同,殼聚糖的質量不穩定。國內外自90年代開始研究發酵法生產殼聚糖的方法,如日本旭硝子公司已于1993年開發了發酵法生產殼聚糖工藝。北京化工大學1998年也開發成功了發酵法生產殼聚糖的工藝,該方法可大大地降低殼聚糖生產成本,使發酵法生產殼聚糖取代以蝦殼或蟹殼為原料的生產方法成為可能。所以,雖然殼聚糖成本較之聚合材料和紙張來說可能暫時偏高,但其經濟可行性是值得期待的。
??????4、殼聚糖材料的印刷適性分析
??????大多數包裝材料除了需進行包裝以外,還需進行印刷。在印刷中,包裝材料是作為承印物的,因此,它必須滿足下列一些印刷適性的要求:
??????(1)良好的機械壓縮彈性
??????殼聚糖制成的多孔類材料,在外力作用下,體積會縮小,當外力撤消以后,由于其孔與孔間的分離特性,定會恢復多孔結構及原來的體積,從而保證印刷中具有良好的彈性恢復率,其壓縮變形較小。
??????(2)良好的印刷平滑度
??????殼聚糖較植物纖維來說,其聚合度小,分布狀態均勻,成膜性好。因此,其片狀物具有良好的平滑度,用其進行印刷,定可獲得較為精細的圖文精度,對色彩及多層次能夠得以良好的再現。
??????(3)吸濕性和尺寸穩定性
??????殼聚糖大分子上的氨基使其吸水和保水性較好,吸水后不發生膨脹,因而在印刷中吸水后尺寸是穩定的。這克服了紙張等材料吸水膨脹的弊病,使印前無需再進行調濕處理,印刷中不受環境溫度和濕度的影響,保證彩色套印精度。
??????(4)吸墨性
??????殼聚糖吸附性較強,適合于水性油墨和樹脂型油墨的吸附。
??????5、殼聚糖材料在包裝上的具體應用
??????對于殼聚糖包裝材料,在國外已經有很多的市場應用,其中有一些已經取得了非常好的包裝效果,它在一些包裝應用中的各項性能較傳統包裝材料更為優秀,是一種可以替代傳統包裝材料的綠色包裝材料。
??????5.1?殼聚糖在水果和蔬菜的保鮮包裝上的應用
??????水果蔬菜一旦采摘后,來自根系的水分和養分供應中斷,但其呼吸、蒸騰等生理作用依然存在,仍要不斷消耗養分和散失水分。大部分水果蔬菜水分含量在65%-96%之間,只要失掉5%的含水量,就會失去光澤,其表面就會出現皺褶,產品質量下降,價值降低。果蔬不易貯藏,因此減少水分蒸發,抑制呼吸作用是果蔬保鮮包裝的必要要求。以往用到的果蔬包裝膜最多的是塑料產品。塑料包裝除了造成污染外,最大的問題是不能保持水果的新鮮。以殼聚糖為主要原料的制成的保鮮包裝膜,其原料是天然的生物多糖,安全、無毒,可被生物降解,不存在殘留毒性問題;其形成水果和蔬菜的內包裝膜后具有一定的阻氣性和阻水汽性以及良好的抗張強度,能調節果實采后的生理代謝;同時,殼聚糖及其降解產物還具有一定的抗菌性能。已經有學者研究了殼聚糖包裝膜應用于西紅柿、獼猴桃等蔬菜水果。大量實踐證明,用殼聚糖材料作為內包裝膜的蔬菜和水果的保質期可以大大延長,有效地保證了蔬菜和水果產品在運輸和銷售過程中的價值。因此,殼聚糖在水果和蔬菜防腐保鮮包裝方面有很好的應用前景。
??????5.2?殼聚糖在肉類油脂類食品包裝上的應用
??????據國內報道,殼聚糖經特殊工藝可加工成復合包裝膜(紙),具有較高的抗張強度、延伸率以及很好的耐水性和阻油性,而且殼聚糖對豬肉有明顯的保鮮效果。近年來,國內一些大中型肉類加工企業正在有計劃地調整產品結構,積極發展肉類保鮮包裝產品,對肉制品進行標準化包裝,采用天然包裝保鮮技術,延長肉制品保質期,以保證商品的品質和價值。以往肉制品殺菌溫度較低,殺菌不徹底,貯藏溫度稍高即易引起微生物滋生而致變質,即使在冷藏條件下,也經常出現衛生指標不合格,嚴重影響產品質量。可食性殼聚糖保鮮包裝膜應用于肉類食品包裝后,其阻油性和抗菌性有助于改進肉類食品的品質,延長其保質期。殼聚糖包裝膜在形成肉類產品包裝的氣調環境的同時,還會抑制霉菌、細菌和酵母菌等微生物的生理活動,起到雙重殺菌作用,達到保鮮的目的。
??????另外,可食性殼聚糖保鮮包裝膜還可有效應用于油炸食品、糕點等含油量比較高的加工食品的內包裝。以往這類食品的內包裝多以紙類包裝為主,然而紙類包裝機械性能低,防濕性差,并且具有吸油性,這些特點都限制了紙類包裝的發展;一些塑料類的包裝雖然具有較好的機械性能,但并非最佳綠色包裝的選擇,會給環境帶來污染負擔。將殼聚糖進行有效加工后,無論是做油性食品的內包裝還是外包裝,都有著非常好的優點。殼聚糖這一形式的包裝材料有望成為傳統包裝材料的一種新型替代品。
??????5.3?殼聚糖用于制作包裝紙
??????早在上世紀中期,蘇聯和日本就有研究者將殼聚糖加入到造紙原料中去,這一大膽的嘗試大大提高了紙張的阻水性、抗水性。后來的研究顯示,紙張用殼聚糖醋酸溶液處理后,可以提高印刷質量,改善機械性能、耐水性能和電絕緣性能。若紙張中加入殼聚糖,則紙張吸水性下降,強度提高,并且還能具有一定的抗菌性,這在制造特種紙如圖素紙、商標紙、卷煙包裝紙以及在防水包裝紙、透明包裝紙等方面,都有著獨特的應用。這些特性都大大提高了紙類包裝材料的應用性能。
??????6、殼聚糖材料在印刷上的應用
??????目前,研究較多的是殼聚糖作為表面施膠劑在膠版印刷紙中的應用。膠版印刷是比較常見的印刷方式。由于所使用的油墨類型以及印刷過程中紙張不斷地潤濕,膠版印刷紙需具有較高的表面強度和內部強度以及較高的表面能和均勻的微孔結構。孔隙率(如孔的數量、孔徑及形狀)影響印刷質量,為了使油墨介體滲透到紙頁內部,而油墨粒子留在紙頁表面,膠版印刷紙應具有均勻的孔徑和孔隙分布。如果孔隙太大,油墨完全滲透進紙頁,導致光澤度下降和透印;而孔隙率低于某一定值,在熱凝過程中,水分很難排出,出現起泡現象;如果孔隙分布或孔徑不均勻,就會出現斑點或漏印。高孔隙結構的紙張具有高吸水性,使紙張表面變軟,而纖維或填料疏散導則致紙頁表面掉毛。
??????為了提高膠版印刷紙的表面性能,可對其進行表面施膠。用天然或合成聚合物作為表面施膠劑,比如氧化淀粉,易產生斑點,且氧化淀粉中羧基對極性水—酒精潤版液敏感,會導致紙張表面掉毛,生產過程中氧化淀粉也可能進入紙廠廢水,導致BOD5值升高。合成聚合物通常不容易產生斑點,但對車間工人和環境會產生不利影響。因此,殼聚糖或聚葡萄糖胺等陽離子生化聚合物,由于其對環境和人類健康沒有副作用,可能成為滿足這些條件的替代品。殼聚糖施膠具有以下特性,使其成為膠版印刷紙施膠紙的首選:用殼聚糖施膠的紙質量優于用氧化淀粉或聚乙烯醇施膠的紙;殼聚糖可降低紙張的吸水性,該特性在膠版印刷中非常重要;殼聚糖具有陽離子特性,在抄紙過程中吸附在纖維上,降低紙廠廢水中BOD5的負擔;殼聚糖具有生物降解性,對環境有益;殼聚糖能提高紙張強度,可用于低定量紙中。
??????此外,殼聚糖作為印刷中油墨的乳化劑、增稠型、防粘劑、填充料等的研究也正在進行中。
??????7、結語
??????業內近年來一直倡導的綠色包裝與印刷不僅僅是一個口號,它更應該是一個產業的發展方向和革新力量。殼聚糖作為一種新型綠色包裝與印刷材料,需要得到包裝印刷業的認可,也需要這一行業在這方面不斷研究和改進。相信殼聚糖包裝材料會出現在越來越多的綠色包裝與印刷之中,也希望殼聚糖這一地球上數量最大的含氮有機化合物能讓我們的地球少一點污染,多一些自然。

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