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    壳聚糖在包装印刷业的应用
    时间:2013-05-07   来源: 包装前沿   阅读:7516次

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    ??????1、引言
    ??????对壳聚糖的研究,国外起源于上世纪80—90年代,而我国的研究也基本是同一时期开始的。近年来,随着绿色包装印刷的兴起,多糖类物质也越来越多地应用于包装与印刷材料。壳聚糖作为一?#20013;?#22411;绿色包装印刷原材料,由于其是成膜性很好的天然高分子物质,具?#34892;?#22810;传统包装印刷材料所不具有的优点,所以?#37096;?#22987;被研究和应用。经有关研究表明,壳聚糖作为一?#20013;?#30340;包装与印刷材料是可行的,它将在淘汰聚合材料、填补纸张供量不足、减少环境污染等各方面起着积极而重要的作用。?#22771;埃?#25105;国正加紧研究用其制成能够满足包装和印刷要求的片状材料的工艺,并进行定量分析,?#34892;?#24050;用于生产,产生了一定的经济效益。
    ??????2、壳聚糖及其衍生物的基本性质
    ??????壳聚糖(Chitosan,简称为cs)来源丰富,价格?#25163;校?#26159;由甲壳素(广泛存在于虾、蟹、昆虫等外壳及真菌中,每年生物合成约为100多亿吨,是地球上仅次于纤维素的第二大再生资源,在我国沿海地区也相当丰富)在浓碱下脱乙酰化处理后得到的一种天然含氨基的均态直链多糖,是自然界唯一的碱性多糖,含有游离氨基。其化学名称为(1,4)一2一氨基一2一β—D一葡萄糖,分子式为(C6H13·N05)n,结构式如下图1:?
    ??????


    ??????壳聚糖的外观?#21069;咨?#25110;淡黄色半透明片状或粉末固体,?#26434;?#29645;珠光泽;相对分子量?#37038;?#21313;万到数百万不等;由于氨基的存在,其化学性质大大被活化,尽管不溶于水?#22270;?#24615;溶?#28023;?#20294;在酸性条件下一NH2?#39318;?#21270;变为一NH2+,所以可溶于大多数稀酸,如稀的盐酸、醋酸、乳酸、甲酸?#20154;?#28342;液中,水合能力增强,聚集态的高分子链可以慢慢被水解开,形成溶?#28023;?#36825;也是其最主要最有用的性?#25163;?#19968;。脱乙酰度和粘度(平均相对分子量)是壳聚糖的两项主要?#38405;?#25351;标。
    ??????由于分子结构中氨基、羟基、乙酰氨基、氧桥以及富含电子的吡喃环等活性基团的存在,壳聚糖能进行多种化学改性反应,其生成的衍生物具有独特的物理、化学性?#22987;?#29983;理功能,如良好的成膜性、良好的生物相容性、抗菌性、调节免疫功能性、?#21040;?#24615;等。因此,在医药、食品、功能材料、纺织印染、环境保护、日用化工、果蔬保鲜、生物组织技术等领域显示出广阔的应用前景。
    ??????3、壳聚糖材料的包装适性分析
    ??????由于壳聚糖的组成、结构与天然纤维素一样都属于多糖类物质,因此用它制成薄型片状材料,可满足如下包装适性的要求:
    ??????(1)保护性
    ??????保护性主要指包装材料的力学强度、透气性、稳定性等方面的?#38405;堋?
    ??????①力学强度
    ??????由于多糖类物质壳聚糖的内力作用较强,有链的交织力作用、分子间范德华力及羟基与水分子间的作用力,因而用其制成的片?#27425;?#26377;一定的拉伸强度、拉裂强度、破裂强度、耐折强度、耐磨?#38405;?#31561;。
    ??????②气体透过性
    ??????包装材料对水蒸汽、氧气、有机挥发气体等的透过性是比较重要的特性,其直接影响着被包装品特别是食品的质量。壳聚糖大分子上?#34892;?#22810;结合水分子的氨基,具有优良的吸水性和保水性,而且其可通过各种方法(如以聚乙二醇为微孔剂)制成具有多孔结构的材料,从而具有良好的气体透过性,这些对很多包装品来说非常重要。
    ??????③稳定性
    ??????稳定性是指包装材料的耐光性、耐药品性、耐有机溶剂性、耐热寒性等。壳聚糖在光、热、寒、及大多数有机溶剂等作用下不会发生化学变化,不霉、不腐、无菌,其稳定?#26434;?#20110;纸张。
    ??????(2)作业性
    ??????包装材料的作业性是指作业强度、封口性、不粘连性、与粘合剂的适用性、不卷曲等。根据壳聚糖结?#36141;?#29305;性可知,其强度?#25163;校?#20855;有较好的挺度,可粘连,能够满足包装作业中的适应性和机械?#38405;?#30340;要求。
    ??????(3)商品性
    ??????主要指包装材料的光泽度、平滑度、染色性等。壳聚糖具有较强的成膜性,其片?#27425;?#24179;滑度高,它又有良好的吸?#25307;阅埽?#21487;充分吸收染料溶液而使其染成各种色彩。
    ??????(4)使用方便性和卫生性
    ??????壳聚糖材料强度?#25163;校?#20854;使用方便性如开封?#38405;?#20248;于聚合材料。另外,壳聚糖材料用于食品包装医药包装,无?#23613;?#26080;味、无臭,热稳定?#26434;?#33391;,且具有明显的抑制霉菌、细菌和酵母菌的?#38405;埽?#31526;合食品药物管理的规定要求。
    ??????(5)经济性
    ???????#22771;?#22771;聚糖主要是从虾壳或蟹壳中提取,这个方法有两个缺点:首先是原料有限,收集受季节限制,生产成本高;其次由于原料种类、产地和生产工艺不同,壳聚糖的质量不稳定。国内外自90年代开始研究发酵法生产壳聚糖的方法,如日本旭硝子公司已于1993年开发了发酵法生产壳聚糖工艺。?#26412;?#21270;工大学1998年?#37096;?#21457;成功了发酵法生产壳聚糖的工艺,该方法可大大地?#26723;?#22771;聚糖生产成本,使发酵法生产壳聚糖取代以虾壳或蟹壳为原料的生产方法成为可能。所以,虽然壳聚糖成本较之聚合材料和纸张来说可能暂时偏高,但其经济可行性是?#26723;?#26399;待的。
    ??????4、壳聚糖材料的印刷适性分析
    ??????大多数包装材料除了需进行包装以外,还需进行印刷。在印刷中,包装材料是作为承印物的,因此,它必须满足下列一些印刷适性的要求:
    ??????(1)良好的机械压缩弹性
    ??????壳聚糖制成的多孔类材料,在外力作用下,体积会缩小,当外力撤消以后,由于其?#23376;?#23380;间的分离特性,定会恢复多孔结构及原来的体积,从而保证印刷中具有良好的弹性恢复率,其压缩变形较小。
    ??????(2)良好的印刷平滑度
    ??????壳聚糖较植物纤维来说,其聚合度小,分布状态均匀,成膜性好。因此,其片?#27425;?#20855;有良好的平滑度,用其进行印刷,定可获得较为精细的图文精度,对色?#22987;?#22810;层?#25991;?#22815;得以良好的再现。
    ??????(3)吸湿性?#32479;?#23544;稳定性
    ??????壳聚糖大分子上的氨基使其吸水和保水?#36234;?#22909;,吸水后不发生膨胀,因而在印刷中吸水后尺寸是稳定的。这克服了纸张等材料吸水膨胀的弊病,使印前无需再进?#26800;?#28287;处理,印刷中不受环境温度和湿度的影响,保证彩色套印精度。
    ??????(4)吸墨性
    ??????壳聚糖吸附?#36234;?#24378;,适合于水?#26434;?#22696;和树脂型油墨的吸附。
    ??????5、壳聚糖材料在包装上的具体应用
    ??????对于壳聚糖包装材料,在国外已经有很多的市场应用,其中有一些已经取得了非常好的包装效果,它在一些包装应用中的各项?#38405;?#36739;传统包装材料更为优秀,是一种可以替代传统包装材料的绿色包装材料。
    ??????5.1?壳聚糖在水果和蔬菜的保鲜包装上的应用
    ??????水果蔬菜一旦采摘后,来自根系的水分和养分供应中断,但其呼吸、蒸腾等生理作用依然存在,仍要?#27426;?#28040;耗养分和散失水分。大部分水果蔬菜水分含量在65%-96%之间,只要失掉5%的含水量,就会失去光泽,其表面就会出?#31181;?#35126;,产品质量?#38470;担?#20215;?#21040;档汀?#26524;蔬不?#23383;?#34255;,因此减少水分蒸发,抑制呼吸作用是果蔬保鲜包装的必要要求。以往用到的果蔬包装膜最多的是塑料产品。塑料包装除了造成污染外,最大的问题是不能保持水果的新鲜。以壳聚糖为主要原料的制成的保鲜包装膜,其原料是天然的生物多糖,安全、无毒,可被生物?#21040;猓?#19981;存在残留毒性问题;其形成水果和蔬菜的内包装膜后具有一定的阻气性和阻水汽性以及良好的抗张强度,能调节果实采后的生理代谢;同?#20445;?#22771;聚糖及其?#21040;?#20135;物还具有一定的抗菌?#38405;堋?#24050;经有学者研究了壳聚糖包装膜应用于西红柿、猕猴?#19994;?#34092;菜水果。大量?#23548;?#35777;明,用壳聚糖材料作为内包装膜的蔬菜和水果的保质期可?#28304;?#22823;延长,?#34892;?#22320;保证了蔬菜和水果产品在运输和销售过程中的价值。因此,壳聚糖在水果和蔬菜防腐保鲜包装方面有很好的应用前景。
    ??????5.2?壳聚糖在肉类油脂类食品包装上的应用
    ??????据国内报道,壳聚糖经特殊工艺可加工成复合包装膜(纸),具有较高的抗张强度、?#30001;?#29575;以及很好的耐水性和阻油性,而且壳聚糖对猪肉有明显的保鲜效果。近年来,国内一些大?#34892;?#32905;类加工企业正在有计划地调整产品结构,积极发展肉类保鲜包装产品,对肉制品进行标准化包装,采用天然包装保鲜技术,延长肉制品保质期,以保证商品的品质?#22270;?#20540;。以往肉制品?#26412;?#28201;度?#31995;停本?#19981;彻?#31069;?#36142;藏温度稍高即易引起微生物滋生而致变质,即使在冷藏条件下,也经常出现卫生指标不合格,严重影响产品质量。可食性壳聚糖保鲜包装膜应用于肉类食品包装后,其阻油性?#28034;?#33740;?#26434;?#21161;于改进肉类食品的品质,延长其保质期。壳聚糖包装膜在形成肉类产品包装的气调环境的同?#20445;?#36824;会抑制霉菌、细菌和酵母菌等微生物的生理活动,起到双重?#26412;?#20316;用,达到保鲜的目的。
    ??????另外,可食性壳聚糖保鲜包装膜还可?#34892;?#24212;用于油炸食品、糕点等含油量比较高的加工食品的内包装。以往这类食品的内包装多以纸类包装为主,?#27426;?#32440;类包装机械?#38405;?#20302;,防湿性差,并且具有吸油性,这些特点都限制了纸类包装的发展;一些塑料类的包装虽然具有较好的机械?#38405;埽?#20294;并非最佳绿色包装的选择,会给环境带来污染负担。将壳聚糖进行?#34892;?#21152;工后,无论是做油性食品的内包装还是外包装,都有着非常好的优点。壳聚糖这一形式的包装材料有望成为传统包装材料的一?#20013;?#22411;替代品。
    ??????5.3?壳聚糖用于制作包装纸
    ??????早在上世纪中期,苏联和日本就有研究者将壳聚糖加入到造纸原料中去,这一大胆的尝?#28304;?#22823;提高了纸张的阻水性、抗水性。后来的研究显示,纸张用壳聚糖醋酸溶液处理后,可以提高印刷质量,改善机械?#38405;堋?#32784;水?#38405;?#21644;电绝缘?#38405;堋?#33509;纸张中加入壳聚糖,则纸张吸水性?#38470;担?#24378;度提高,并?#19968;?#33021;具有一定的抗菌性,这在制造特种纸如图素纸、商标纸、卷烟包装纸以及在防水包装纸、透明包装纸等方面,都有着独特的应用。这些特性都大大提高了纸类包装材料的应用?#38405;堋?
    ??????6、壳聚糖材料在印刷上的应用
    ???????#22771;埃?#30740;究较多的是壳聚糖作为表面施胶剂在胶版印刷纸中的应用。胶版印刷是比较常见的印刷方式。由于所使用的油墨类型以及印刷过程中纸张?#27426;?#22320;润湿,胶版印刷纸需具有较高的表面强度和内?#22771;?#24230;以及较高的表面能和均匀的微孔结构。孔隙率(如孔的数量、孔径及形状)影响印刷质量,为了使油墨介体渗透到纸页内部,而油墨粒子留在纸页表面,胶版印刷纸应具有均匀的孔径?#28034;?#38553;分布。如果孔隙太大,油墨完全渗透进纸页,导致光泽度?#38470;?#21644;透印?#27426;?#23380;隙率低于某一定值,在热凝过程中,水分很难排出,出?#21046;?#27873;现象;如果孔隙分布或孔径不均匀,就会出?#32844;?#28857;或漏印。高孔隙结构的纸张具有高吸水性,使纸张表面变软,而纤维或填料疏散导则致纸页表面掉毛。
    ??????为了提高胶版印刷纸的表面?#38405;埽?#21487;?#20113;?#36827;行表面施胶。用天然或合成聚合物作为表面施胶剂,比如氧化淀粉,易产生斑点,?#24050;?#21270;淀粉中羧基对极性水—酒精润版?#22909;?#24863;,会导致纸张表面掉毛,生产过程中氧化淀粉?#37096;?#33021;进入纸厂废水,导致BOD5值升高。合成聚合物通常不容易产生斑点,但对?#23548;?#24037;人和环境会产生不利影响。因此,壳聚糖或聚葡萄糖胺等阳离子生化聚合物,由于其对环境和人类健?#24471;?#26377;副作用,可能成为满足这些条件的替代品。壳聚糖施胶具有以?#32511;?#24615;,使其成为胶版印刷纸施胶纸的首选:用壳聚糖施胶的纸质量优于用氧化淀粉或聚乙烯醇施胶的纸;壳聚糖可?#26723;?#32440;张的吸水性,该特性在胶版印刷中非常重要;壳聚糖具有阳离子特性,在抄纸过程中吸附在纤维上,?#26723;?#32440;厂废水中BOD5的负担;壳聚糖具有生物?#21040;?#24615;,对环境有益;壳聚糖能提高纸张强度,可用于低定量纸中。
    ??????此外,壳聚糖作为印刷中油墨的乳化剂、增稠型、防粘剂、填充料等的研究也正在进行中。
    ??????7、结语
    ??????业内近年来一直倡导的绿色包装与印刷不仅仅是一个口号,它更应该是一个产业的发展方向和革新力量。壳聚糖作为一?#20013;?#22411;绿色包装与印刷材料,需要得到包装印刷业的认可,也需要这一行业在这方面?#27426;?#30740;究和改进。相信壳聚糖包装材料会出现在越来越多的绿色包装与印刷之中,也希望壳聚糖这一地球上数量最大的含氮有机化合物能让我们的地球少一点污染,多一些自然。

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