论文荐读
改性甘蔗渣微晶纤维素特性及其对明胶膜性能的影响
作者：
孙雪1 李新萍1 陈成2 范方宇1,3*
单位：
1 西南林业大学 生命科学学院
2 西南林业大学 林学院
3 西南林业大学 西南山地森林资源保育与利用教育部重点实验室
基金项目：
国家自然科学基金（31760470）；云南省“万人计划”青年拔尖人才专项资助（YNWR-QNBJ-2018-046）
摘要&关键词
摘要：该研究以甘蔗渣微晶纤维素为原料，制备了醚化微晶纤维素和乙酰化微晶纤维素，利用扫描电镜、X-射线衍射、傅里叶变换红外光谱及差示扫描量热分析了2种改性甘蔗渣微晶纤维素性质。同时以明胶为成膜基质，研究了2种改性甘蔗渣微晶纤维素对复合膜性能的影响，结合上述分析方法分析复合膜的结构及热稳定性。结果表明，甘蔗渣微晶纤维素改性后，形貌未发生明显变化，改性基团成功被接入，结晶度、熔融温度均有降低。明胶与甘蔗渣微晶纤维素、醚化微晶纤维素、乙酰化微晶纤维素的复合膜透水透气性及机械性能均低于明胶膜，乙酰化微晶纤维素的相关性能最好，3种微晶纤维素均与明胶有良好的相容性，结构致密，稳定性增强。
关键词：甘蔗渣；微晶纤维素；明胶；改性；复合膜
主要结论
1、改性SMCC特性分析
1.1 SEM分析
图1为SMCC、ESMCC及ASMCC的SEM图。3种样品粒径未发生明显变化，均在10 μm左右，且改性后SMCC表面变得光滑。说明对其进行醚化或乙酰化处理并未使SMCC出现水解且不会破坏其结构，改性反应只在表面进行，使SMCC表面的少量丝状纤维结构被去除。
图1 SMCC、ESMCC及ASMCC的SEM图
Fig.1 SEM of SMCC、ESMCC and ASMCC
1.2 FTIR分析
图2为SMCC、ESMCC、ASMCC红外图。ESMCC在1 620 cm-1处吸收峰增强，这种差异表明ESMCC中存在C=O，证明醚化反应的发生，SMCC被成功改性。ASMCC图谱在1 730和1 260 cm-1处的特征吸收峰对应乙酰基中C=O和C-O伸缩振动峰，说明乙酰基已经成功接入微晶纤维素，此外，在1 840 ~1 760 cm-1处没有出现新的吸收峰，说明未反应的醋酸酐已被洗涤去除。
图2 SMCC、ESMCC及ASMCC的FTIR图
Fig.2 FTIR of SMCC、ESMCC and ASMCC
1.3 XRD分析
图3为SMCC、ESMCC、ASMCC的XRD图。改性并没有改变SMCC的晶型，所有样品均在15.9°、22.3°附近出现吸收峰，属于纤维素Ⅰ型结构。与SMCC相比，ESMCC、ASMCC结晶峰明显降低。
图3 SMCC、ESMCC及ASMCC的XRD图
Fig.3 XRD of SMCC、ESMCC and ASMCC
1.4 DSC分析
图4为SMCC、ESMCC、ASMCC的DSC图。3种样品均发生放热反应，SMCC、ESMCC、ASMCC的熔融温度分别为169.6、146.9、153.7 ℃。ESMCC、ASMCC熔融温度分别比SMCC降低了21.7和15.9 ℃。ASMCC熔融温度高于ESMCC，说明ASMCC比ESMCC热稳定性更好。
图4 SMCC、ESMCC及ASMCC的DSC图
Fig.4 DSC of SMCC, ESMCC and ASMCC
2、复合膜性能分析
2.1 复合膜的基本特性
由表1可知，与纯GE膜相比，添加SMCC与改性SMCC的GE膜，WVP、QCO2及OP值均有下降，ASMCC与纯GE膜相比，QCO2、OP分别显著下降37.73%和56.72%，2种改性SMCC/明胶差异不显著，但ASMCC/明胶膜的WVP、QCO2及OP值更小，说明2种复合膜均能增强明胶膜的阻隔性能。添加3种SMCC后与GE膜相比，TS均显著下降，EB无显著差异。
表1 GE膜、SMCC/GE膜、ESMCC/GE膜及ASMCC/GE膜基本特性
Table 1. GE film, SMCC/GE film, ESMCC/GE film and ASMCC/GE film performance test sheet
2.2 SEM分析
图5为纯GE膜、SMCC/GE膜、ESMCC/GE膜及ASMCC/GE膜的SEM图。GE膜表面不平整，存在凸起，截面局部光滑，出现褶皱，纹理粗糙，具有液氮脆断的特征。与纯GE膜相比，添加SMCC、改性SMCC的明胶膜表面更光滑。图5-b~图5-d可见，SMCC/GE膜及改性SMCC/GE膜截面与纯GE膜明显不同。SMCC/GE膜截面褶皱较多，ESMCC/GE膜，截面更为光滑，没有明显的褶皱和纹理，ASMCC/GE膜截面出现褶皱和裂痕。
GE
膜表面
SMCC/GE
膜表面
ESMCC/GE膜表面
ASMCC/GE膜表面
GE
膜截面
SMCC/GE
膜截面
ESMCC/GE膜截面
ASMCC/GE膜截面
图5 GE膜、SMCC/GE膜、ESMCC/GE膜及ASMCC/GE膜的SEM图
Fig.5 SEM of GE film, SMCC/GE film, ESMCC/GE film and ASMCC/GE film
2.3 DSC分析
图6为纯GE膜、SMCC/GE膜、ESMCC/GE膜及ASMCC/GE膜的DSC图。4种样品熔融温度分别为191.9、177.3、175.2及185.1 ℃。其中，ESMCC/GE复合膜熔融温度最低。与纯GE膜相比，添加SMCC、ESMCC、ASMCC的熔融温度分别下降了14.6、16.7、6.8 ℃，热稳定性更好。综上，ASMCC在各方面性能最佳，与GE膜相容性更好。
图6 GE膜、SMCC/GE膜、ESMCC/GE膜及ASMCC/GE膜的DSC图
Fig.6 DSC of GE film, SMCC/GE film, ESMCC/GE film and ASMCC/GE film
结论：
（1）以甘蔗渣为原料制备SMCC，并通过不同方法对其进行改性制备ESMCC、ASMCC，利用SEM、FTIR、XRD、DSC等研究其微观结构和性质。结果表明：ESMCC、ASMCC粒径约为10 μm，改性并未改变SMCC尺寸；FTIR、XRD分析显示改性基团成功被接入，结晶区域被破坏，结晶度降低；DSC分析显示熔融温度分别为147.9、153.7 ℃，常温下稳定性较好。
（2）以GE为成膜基材，分别添加SMCC、ESMCC、ASMCC制备复合膜，探究3种MCC对GE膜性能的影响。结果表明：与纯GE膜相比，3种复合膜阻隔性能均有提高，其中ASMCC/GE膜透水透气性最好，但机械性能略有下降。SEM、FTIR、XRD、DSC分析表明ESMCC、ASMCC与GE具有良好的相容性，复合膜结构紧密，稳定性较好，可为食品包装提供参考。
团队介绍
通信作者
范方宇，男，1979年3月生，中共党员，四川隆昌人，博士，教授，博士生导师。西南林业大学生命科学学院食品科学与工程专业教师。入选云南省首批“兴滇英人支持计划”青年人才专项，昆明市“中青年学术与技术后备人选”，食品工业科技青年编委。长期从事农林食品加工、农林废弃物资源高值化利用方向的科学研究工作。目前主要以纳米技术改性材料制备高品质生物复合膜，食品智能包装材料，农林食品活性物质研究等开展相关科学研究工作。先后主持或参与各类省部级项目15余项，目前主持国家自然基金、云南省农业联合专项面上项目等。以第一作者或通讯作者发表各类文章100余篇，其中SCI、EI论文40余篇，授权软件著作权5项，申请专利20项，授权发明专利4项，实用新型专利9项。国家自然科学基金、云南省科技厅等评审专家；Journal of Food Biochemistry、Food Chemistry、食品工业科技等国内外15余种期刊受邀审稿。
第一作者
孙雪，女，汉族，1998年1月生，共青团员，吉林白城人。本科就读于通化师范学院食品科学与工程专业，2020年获得工学学士学位。硕士就读于西南林业大学食品加工与安全专业，主要研究方向为农产品贮藏、食品加工与检测。具体研究内容包括纤维素提取、可食性复合膜制备与研究、淀粉酯化、Pickering乳液性质研究等。荣获2020校级二等学业奖学金、2021、2022年校级一等学业奖学金、2022年硕士研究生云南省政府奖学金。
本文图片来源于文章原文及作者团队。
