成型條件對模壓大豆蛋白塑料碟子性能的影響研究

朱 雙

(北海職業(yè)學(xué)院海洋食品研發(fā)中心，廣西 北海 536000)

0 引言

隨著食品外賣行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)塑料餐具在食品包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛，但傳統(tǒng)塑料餐具產(chǎn)生的大量垃圾卻一直無法得到妥善解決。例如傳統(tǒng)塑料餐具在自然環(huán)境中很難降解，對其進(jìn)行填埋和焚燒等常規(guī)處理會浪費(fèi)大量土地資源并極易造成環(huán)境污染，因此尋找環(huán)境友好的生物降解材料替代品已迫在眉睫[1-4]。大豆蛋白塑料是以大豆蛋白為原料，通過一系列的改性處理，采用模壓、擠出等方法制備而成的可再生、可降解的植物資源降解材料，因此國內(nèi)外文獻(xiàn)中有大量關(guān)于大豆蛋白塑料的研究報(bào)道[1]。但通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，關(guān)于模壓大豆蛋白塑料碟子制備及其成型條件優(yōu)化的研究，鮮有報(bào)道。

鑒于此，本論文中以商業(yè)化大豆分離蛋白為原料，經(jīng)丙三醇增塑改性處理后，采用模壓成型工藝制備出模壓大豆蛋白塑料碟子，并研究了成型溫度和成型時間對模壓大豆蛋白塑料碟子的力學(xué)性能和吸水率的影響，為模壓大豆蛋白塑料餐具的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 原料與試劑

大豆分離蛋白、丙三醇、氫氧化鈉、鹽酸等。

1.1.2 儀器設(shè)備

電腦伺服系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)、平板模壓硫化機(jī)、電子天平、冰箱、烘箱、自制模具、裁樣機(jī)等。

1.2 方法

1.2.1 模壓豆大豆蛋白塑料碟子的制備

將商業(yè)化大豆分離蛋白和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇在研缽中充分研磨30 min后，取出后裝入聚乙烯袋中密封，之后置于低溫冰箱冷藏室內(nèi)靜置48 h，冷藏室溫度設(shè)定為4 ℃[1]。稱取靜置后的商業(yè)化大豆分離蛋白和丙三醇混合物，放入自制模壓碟子模具中，設(shè)置平板硫化機(jī)模壓溫度、模壓時間和模壓壓力。當(dāng)平板硫化機(jī)上、下模壓板達(dá)到設(shè)定溫度且穩(wěn)定時，將裝有已稱入商業(yè)化大豆分離蛋白和丙三醇混合物的自制模具，移至平板硫化機(jī)上下板之間，啟動模壓程序。不同成型溫度參數(shù)條件為：128 ℃，134 ℃，140 ℃，146 ℃，152 ℃，成型時間6 min，成型壓力20 Mpa。不同成型時間參數(shù)條件為：3 min，4 min，5 min，6 min，7 min，成型溫度140 ℃，成型壓力20 MPa。模壓成型結(jié)束后，將模具冷卻后脫模，得到模壓大豆蛋白塑料碟子實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。最后，將在不同成型溫度和成型時間條件下經(jīng)模壓成型得到的模壓大豆蛋白塑料碟子產(chǎn)品，用拆樣機(jī)裁樣，然后用剪刀去除在模壓過程中產(chǎn)生的多余邊角，用100目、600目的砂紙將其打磨成長75 mm，寬5 mm，厚1.2 mm，形狀為啞鈴型的測試樣條，待力學(xué)性能測試和吸水性能測試時使用。

1.2.2 力學(xué)性能測試

為測試大豆蛋白塑料碟子的力學(xué)性能，將待測試模壓大豆蛋白塑料碟子樣條放置在溫度為25 ℃，相對濕度為50%的干燥器中達(dá)48 h進(jìn)行靜置處理。測試前，使用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測量每根樣條的長度、寬度，并將所測數(shù)值輸入電腦伺服系統(tǒng)拉力機(jī)的測試軟件中，測試時十字頭速度設(shè)置為10 mm/min。之后，進(jìn)行力學(xué)性能測試，力學(xué)性能測試以5個樣為一組，得到樣品的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂能數(shù)據(jù)，測試結(jié)果取5個樣的平均值[2]。

1.2.3 吸水率的測定

按照ASTMD570- 81(1993)，將模壓大豆蛋白塑料碟子樣條置于烘箱中，溫度設(shè)置為50 ℃，連續(xù)烘24 h后取出并立即放入干燥器中冷卻片刻，用電子天平準(zhǔn)確稱量(N1)，然后分別在25 ℃水中浸泡2 h和24 h，到達(dá)時間時用鑷子迅速取出并用干燥的白砂布擦干塑料樣條表面附著的水分，再次用電子天平準(zhǔn)確稱量樣條(浸泡2 h時為N2，浸泡24 h時為N3)[4]。模壓大豆蛋白塑料碟子2 h吸水率和24吸水率的計(jì)算公式參考鄒文中等人的文獻(xiàn)[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型溫度對模壓大豆蛋白塑料碟子力學(xué)性能的影響

在模壓成型溫度分別為128 ℃、134 ℃、140 ℃、146 ℃、152 ℃溫度時(成型時間6 min，成型壓力20 MPa)，將對經(jīng)丙三醇增塑的商業(yè)化大豆分離蛋白用自制碟子模具進(jìn)行模壓成型，制成模壓大豆蛋白塑料碟子，所得成型溫度對大豆蛋白塑料碟子拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、斷裂能的影響見表1。由表1所示，隨著成型溫度從128 ℃升到140 ℃，模壓大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂能分別從4.18 MPa、126.64%和0.98 kJ/m2升至5.04 MPa、166.25%和1.55 kJ/m2，達(dá)到最大值。此后，隨著成型溫度增加，大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂能下降。

表1 成型溫度對大豆蛋白塑料碟子力學(xué)性能的影響

2.2 成型溫度對大豆蛋白塑料碟子吸水率的影響

在模壓成型溫度分別為128 ℃、134 ℃、140 ℃、146 ℃、152 ℃溫度時，所得成型溫度對模壓大豆蛋白塑料碟子的2 h和24 h吸水率的影響見表2。由表2可見，隨著成型溫度從128 ℃升到140 ℃，模壓大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率分別從173.09%和260.97%降至151.79%和220.78%。此后，隨著成型溫度增加，大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率下降。綜合考慮力學(xué)性能和吸水率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知成型溫度為140 ℃時，模壓大豆蛋白塑料碟子具有最佳的力學(xué)性能和耐水性。

表2 成型溫度對大豆蛋白塑料碟子吸水率的影響

2.3 成型時間對大豆蛋白塑料碟子力學(xué)性能的影響

在模壓成型時間分別為3 min、4 min、5 min、6 min和7 min時(成型溫度140 ℃，成型壓力20 MPa)，所得成型時間對大豆蛋白塑料碟子拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂能的影響見表3。由表3所示，隨著成型時間從3 min延長到5 min，模壓大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂能分別從4.49 MPa、112.20%和1.08 kJ/m2升至5.11 MPa、158.90%和1.74 kJ/m2，達(dá)到最大值。此后，隨著成型時間延長到7 min，大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂能下降。

表3 成型時間對大豆蛋白塑料碟子力學(xué)性能的影響

表4 成型時間對大豆蛋白塑料碟子吸水率的影響

2.4 成型時間對大豆蛋白塑料碟子吸水率的影響

在模壓成型時間分別為3 min、4 min、5 min、6 min和7 min時(成型溫度140 ℃，成型壓力20 MPa)，所得成型時間對大豆蛋白塑料碟子2 h和24 h吸水率的影響見表4。由表4可見，隨著成型時間從3 min延長到5 min，模壓大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率分別從176.84%和320.66%降至158.81%和239.14%。此后，隨著成型時間延長到7 min，大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率下降。綜合考慮力學(xué)性能和吸水率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知成型時間為5 min時，模壓大豆蛋白塑料碟子具有最佳的力學(xué)性能和耐水性。

3 結(jié)論

1)當(dāng)成型溫度為140 ℃時，模壓大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂能分別為5.04 MPa、166.25%和1.55 kJ/m2，達(dá)到最大值；此時，模壓大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率分別為151.79%和220.78%，達(dá)到最小值。

2)當(dāng)成型時間為5 min時，模壓大豆蛋白塑料碟子的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂能分別為5.11 MPa、158.90%和1.74 kJ/m2，達(dá)到最大值；此時，模壓大豆蛋白塑料碟子的2 h吸水率和24 h吸水率分別為158.81%和239.14%，達(dá)到最小值。

3)綜上所述，制備模壓大豆蛋白塑料碟子的最佳成型條件為成型溫度140 ℃、成型時間5 min。