論文薦讀
改性甘蔗渣微晶纖維素特性及其對明膠膜性能的影響
作者：
孫雪1 李新萍1 陳成2 範方宇1,3*
單位：
1 西南林業大學 生命科學學院
2 西南林業大學 林學院
3 西南林業大學 西南山地森林資源保育與利用教育部重點實驗室
基金項目：
國家自然科學基金（31760470）；雲南省“萬人計劃”青年拔尖人才專項資助（YNWR-QNBJ-2018-046）
摘要&關鍵詞
摘要：該研究以甘蔗渣微晶纖維素爲原料，制備了醚化微晶纖維素和乙酰化微晶纖維素，利用掃描電鏡、X-射線衍射、傅裏葉變換紅外光譜及差示掃描量熱分析了2種改性甘蔗渣微晶纖維素性質。同時以明膠爲成膜基質，研究了2種改性甘蔗渣微晶纖維素對複合膜性能的影響，結合上述分析方法分析複合膜的結構及熱穩定性。結果表明，甘蔗渣微晶纖維素改性後，形貌未發生明顯變化，改性基團成功被接入，結晶度、熔融溫度均有降低。明膠與甘蔗渣微晶纖維素、醚化微晶纖維素、乙酰化微晶纖維素的複合膜透水透氣性及機械性能均低于明膠膜，乙酰化微晶纖維素的相關性能最好，3種微晶纖維素均與明膠有良好的相容性，結構致密，穩定性增強。
關鍵詞：甘蔗渣；微晶纖維素；明膠；改性；複合膜
主要結論
1、改性SMCC特性分析
1.1 SEM分析
圖1爲SMCC、ESMCC及ASMCC的SEM圖。3種樣品粒徑未發生明顯變化，均在10 μm左右，且改性後SMCC表面變得光滑。說明對其進行醚化或乙酰化處理並未使SMCC出現水解且不會破壞其結構，改性反應只在表面進行，使SMCC表面的少量絲狀纖維結構被去除。
圖1 SMCC、ESMCC及ASMCC的SEM圖
Fig.1 SEM of SMCC、ESMCC and ASMCC
1.2 FTIR分析
圖2爲SMCC、ESMCC、ASMCC紅外圖。ESMCC在1 620 cm-1處吸收峰增強，這種差異表明ESMCC中存在C=O，證明醚化反應的發生，SMCC被成功改性。ASMCC圖譜在1 730和1 260 cm-1處的特征吸收峰對應乙酰基中C=O和C-O伸縮振動峰，說明乙酰基已經成功接入微晶纖維素，此外，在1 840 ~1 760 cm-1處沒有出現新的吸收峰，說明未反應的醋酸酐已被洗滌去除。
圖2 SMCC、ESMCC及ASMCC的FTIR圖
Fig.2 FTIR of SMCC、ESMCC and ASMCC
1.3 XRD分析
圖3爲SMCC、ESMCC、ASMCC的XRD圖。改性並沒有改變SMCC的晶型，所有樣品均在15.9°、22.3°附近出現吸收峰，屬于纖維素Ⅰ型結構。與SMCC相比，ESMCC、ASMCC結晶峰明顯降低。
圖3 SMCC、ESMCC及ASMCC的XRD圖
Fig.3 XRD of SMCC、ESMCC and ASMCC
1.4 DSC分析
圖4爲SMCC、ESMCC、ASMCC的DSC圖。3種樣品均發生放熱反應，SMCC、ESMCC、ASMCC的熔融溫度分別爲169.6、146.9、153.7 ℃。ESMCC、ASMCC熔融溫度分別比SMCC降低了21.7和15.9 ℃。ASMCC熔融溫度高于ESMCC，說明ASMCC比ESMCC熱穩定性更好。
圖4 SMCC、ESMCC及ASMCC的DSC圖
Fig.4 DSC of SMCC, ESMCC and ASMCC
2、複合膜性能分析
2.1 複合膜的基本特性
由表1可知，與純GE膜相比，添加SMCC與改性SMCC的GE膜，WVP、QCO2及OP值均有下降，ASMCC與純GE膜相比，QCO2、OP分別顯著下降37.73%和56.72%，2種改性SMCC/明膠差異不顯著，但ASMCC/明膠膜的WVP、QCO2及OP值更小，說明2種複合膜均能增強明膠膜的阻隔性能。添加3種SMCC後與GE膜相比，TS均顯著下降，EB無顯著差異。
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
圖5爲純GE膜、SMCC/GE膜、ESMCC/GE膜及ASMCC/GE膜的SEM圖。GE膜表面不平整，存在凸起，截面局部光滑，出現褶皺，紋理粗糙，具有液氮脆斷的特征。與純GE膜相比，添加SMCC、改性SMCC的明膠膜表面更光滑。圖5-b~圖5-d可見，SMCC/GE膜及改性SMCC/GE膜截面與純GE膜明顯不同。SMCC/GE膜截面褶皺較多，ESMCC/GE膜，截面更爲光滑，沒有明顯的褶皺和紋理，ASMCC/GE膜截面出現褶皺和裂痕。
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
圖5 GE膜、SMCC/GE膜、ESMCC/GE膜及ASMCC/GE膜的SEM圖
Fig.5 SEM of GE film, SMCC/GE film, ESMCC/GE film and ASMCC/GE film
2.3 DSC分析
圖6爲純GE膜、SMCC/GE膜、ESMCC/GE膜及ASMCC/GE膜的DSC圖。4種樣品熔融溫度分別爲191.9、177.3、175.2及185.1 ℃。其中，ESMCC/GE複合膜熔融溫度最低。與純GE膜相比，添加SMCC、ESMCC、ASMCC的熔融溫度分別下降了14.6、16.7、6.8 ℃，熱穩定性更好。綜上，ASMCC在各方面性能最佳，與GE膜相容性更好。
圖6 GE膜、SMCC/GE膜、ESMCC/GE膜及ASMCC/GE膜的DSC圖
Fig.6 DSC of GE film, SMCC/GE film, ESMCC/GE film and ASMCC/GE film
結論：
（1）以甘蔗渣爲原料制備SMCC，並通過不同方法對其進行改性制備ESMCC、ASMCC，利用SEM、FTIR、XRD、DSC等研究其微觀結構和性質。結果表明：ESMCC、ASMCC粒徑約爲10 μm，改性並未改變SMCC尺寸；FTIR、XRD分析顯示改性基團成功被接入，結晶區域被破壞，結晶度降低；DSC分析顯示熔融溫度分別爲147.9、153.7 ℃，常溫下穩定性較好。
（2）以GE爲成膜基材，分別添加SMCC、ESMCC、ASMCC制備複合膜，探究3種MCC對GE膜性能的影響。結果表明：與純GE膜相比，3種複合膜阻隔性能均有提高，其中ASMCC/GE膜透水透氣性最好，但機械性能略有下降。SEM、FTIR、XRD、DSC分析表明ESMCC、ASMCC與GE具有良好的相容性，複合膜結構緊密，穩定性較好，可爲食品包裝提供參考。
團隊介紹
通信作者
範方宇，男，1979年3月生，中共黨員，四川隆昌人，博士，教授，博士生導師。西南林業大學生命科學學院食品科學與工程專業教師。入選雲南省首批“興滇英人支持計劃”青年人才專項，昆明市“中青年學術與技術後備人選”，食品工業科技青年編委。長期從事農林食品加工、農林廢棄物資源高值化利用方向的科學研究工作。目前主要以納米技術改性材料制備高品質生物複合膜，食品智能包裝材料，農林食品活性物質研究等開展相關科學研究工作。先後主持或參與各類省部級項目15余項，目前主持國家自然基金、雲南省農業聯合專項面上項目等。以第一作者或通訊作者發表各類文章100余篇，其中SCI、EI論文40余篇，授權軟件著作權5項，申請專利20項，授權發明專利4項，實用新型專利9項。國家自然科學基金、雲南省科技廳等評審專家；Journal of Food Biochemistry、Food Chemistry、食品工業科技等國內外15余種期刊受邀審稿。
第一作者
孫雪，女，漢族，1998年1月生，共青團員，吉林白城人。本科就讀于通化師範學院食品科學與工程專業，2020年獲得工學學士學位。碩士就讀于西南林業大學食品加工與安全專業，主要研究方向爲農産品貯藏、食品加工與檢測。具體研究內容包括纖維素提取、可食性複合膜制備與研究、澱粉酯化、Pickering乳液性質研究等。榮獲2020校級二等學業獎學金、2021、2022年校級一等學業獎學金、2022年碩士研究生雲南省政府獎學金。
本文圖片來源于文章原文及作者團隊。
