一种新型淀粉基全生物降解农膜的特性研究

中国粮油学报

JournaloftheChineseCerealsandOilsAssociation

Vol.21,No.5

Oct.2006

一种新型淀粉基全生物降解农膜的特性研究

王艳丽

1

熊汉国

1

艾　艺

1

卢金珍

2

(华中农业大学食品科技学院1,武汉　430070)(武汉生物技术学院第一生物技术系2,武汉　430415)

摘　要　研究了以玉米淀粉为主要原料,经纳米SiO2改性淀粉制备的一种新型淀粉基全生物降解农膜的微观结构、生物降解性能、力学性能及田艺特性。结果表明:纳米SiO2与淀粉分子间形成了均匀的化学键合作用,大大提高了薄膜的力学性能,其力学性能达到国标GB4456-1996所规定的标准;降解性能为:103天生物分解百分率达到62.36%;土埋20天后,微生物生长达到4级,生物降解性能显著;具有普通聚乙烯薄膜相同的保温保水性能。该研究结果为推广与应用生物降解薄膜、消除“白色污染”提供了实际参考。

关键词　纳米SiO2生物降解薄膜特性　　国内农用地膜用量每年超过100万吨,其覆盖面积在2.1亿亩以上,已经成为我国干旱、半干旱地区农作物增产、节水的重要措施。据统计,地膜可使玉米增产15%～30%,棉花、花生、西瓜、烟草、蔬菜等的增产率平均在30%～50%。无公害农产品生产技术的措施之一是采用地膜覆盖,推广地膜下暗灌、滴灌、渗灌,这样不仅可以节约用水,而且还可以降低菜田温度,减少病虫害发生。然而,地膜覆盖技术给农业增产增收带来巨大经济效益的同时,普通地膜因无法回收再利用,给土壤和环境造成白色污染等严重问题。据调查表明,在覆盖5年的表层土壤中,每公顷残膜积累量高达120公斤,作物减产15%～30%,残膜在土壤耕层中的累积将导致土壤失墒,直接影响土壤耕收,破坏土壤结构,使之质量下降,

[1-3]

导致作物严重减产,同时造成环境严重污染。与此同时,另一个应该注意的问题,就是普通地膜的污染不仅影响人类赖以生存的自然环境,同时增加石油资源的消耗。调查表明,目前全球石油储量约有800亿吨,而全球每年的石油消耗量超过30亿吨,如此下去,数十年后,高分子塑料工业就面临匮乏的困[4-5]境。基于上述两种原因,本课题采用能够完全生物降解的天然高分子淀粉制备全生物降解地膜,研究了以玉米淀粉为主要原料,经纳米SiO2改性淀粉

基金项目:863资助项目部分工作内容(2002AA6Z3181)收稿日期:2005-10-09

作者简介:王艳丽,女,1982年出生,硕士,食品科学与工程专业通讯作者:熊汉国,男,1964年出生,博士,副教授,生物降解材料

制备的全生物降解薄膜的微观结构、生物降解性能、力学性能及田艺特性。该研究旨在为扩大淀粉用途、促进农业产业化、消除“白色污染”提供实际应用参考。

1材料与方法

1.1　实验材料

全生物降解薄膜:由华中农业大学生物质材料研究室提供,规格:1000×0.02mm

聚乙烯农膜:市购规格:1000×0.014mm1.2　主要仪器、设备

HitachiS-530　扫描电子显微镜

XL-100A型拉力试验机　广州试验仪器厂1.3　实验方法1.3.1　膜的制备

玉米淀粉+增塑剂+增强剂+交联剂→双螺杆挤出造粒→吹膜→全生物降解淀粉薄膜

铺膜方式:覆盖;作物:超甜玉米。

[6]

1.3.2　生物降解率的测定

以纤维素为测定对照物,使试样在受控的堆肥化条件下,通过测定其排放的二氧化碳量来确定其最终需氧生物分解能力和计算生物分解百分率。1.3.3　拉伸强度、断裂伸长率的测定及拉伸强度下

[7]

降率的计算

[8]

1.3.4　微生物生长实验及膜土埋生物降解实验

[9]

1.3.5　土壤含水量测定:烘干法1.3.6　地温测定

82中国粮油学报2006年第5期

盖膜后每天上午9时和下午16时测两次膜内温度、膜内土壤温度(指离地表10cm处土壤的温度)及地表的温度。

1.3.7　玉米苗生长速度的测量

株高和根长可用直尺测量出,而根数、叶片数可用观测法数出数值

2　结果与讨论

2.1　微观结构特征

图3　全生物降解膜的二氧化碳释放量图1　原淀粉膜的SEM图

图4　全生物降解膜的生物分解率

的生物分解率仍为62.36%。可见该农膜的生物降

解是一个复杂的过程。降解初期主要由于淀粉分子被改性剂所包裹,因此微生物作用缓慢,随着微生物的深透与淀粉分子的作用和接触增加,其降解速率加快,直到结构较疏松的淀粉分子降解完全后,再逐步进入结构较紧密的淀粉分子;待淀粉几乎完全降解后,可降解合成高分子材料进一步降解,其降解作用低于天然高分子淀粉,其降解速率也相应较低。有关全生物降解农膜的降解机理尚待进一步研究,如何根据不同地域、不同时期和不同品种的需要,研制系列相应农膜还要进行大量的工作。2.2.2　微生物生长特性(见表1)

表1　淀粉薄膜的微生物生长过程

天数(d)

8121720

图2　纳米SiO2改性的SEM图

图1～2表明:纳米SiO2与淀粉分子间形成了均

匀的化学键合作用和网络结构,从而大大提高了薄膜的力学性能。2.2　生物降解特性2.2.1　生物降解率(见图3及图4)以纤维素为参比物,全生物降解膜的生物分解率见图3。

根据测试数据可知,全生物降解农膜的降解趋势是,在开始的前15d,降解缓慢,分解率为7.73%;随后增加较显著,到22d生物分解率为18.74%,23～68d出现缓慢降解期,68d的生物分解率为38.82%;69～103d的降解速率显著上升,103d的生物分解率为62.36%;以后则趋于平稳定值,到112d

　　　结果微生物生长达到微生物生长达到微生物生长达到微生物生长达到

1级2级

3级、膜收缩、发裂4级、膜成极小碎片

　　从表2看出,淀粉薄膜在20天内微生物生长达

到4级,膜成极小碎片,表明该膜具有很好的生物降解特性。2.3　力学性能(见表2)

第21卷第5期

表2

抗张强度Mpa断裂伸长率%撕裂强度kn/m最大拉伸强度MPa最大伸长率%

王艳丽等　一种新型淀粉基全生物降解农膜的特性研究

淀粉薄膜的力学性能

12.41220.5255.8314.31135.75

83

保温效果(见表3)

由表3可以看出生物降解膜具有明显调节土壤温度作用。

2.4.2保水特性(见表4)2.4.1

　　从表2看出,淀粉薄膜力学性能达到国标GB4456-1996所规定的标准。2.4　田艺特性

表3

时间

膜内土壤温度/℃膜内温度/℃膜内土壤温度/℃膜内温度/℃土壤温度/℃地表温度/℃3月26日

1015915811由表4可以看出生物降解地膜内土壤含水量与露天相比,土壤中水分含量变化不大。表明该生物降解膜具有保持土壤水分作用。

全生物降解地膜对土壤温度的影响

3月28日

132112201317

3月29日

9169151115

4月5日152516261218

4月10日172618271320

4月15日

182719281421

4月20日

202820291622

111810171013

3月27日

普通膜膜

种降解膜类

露地

表4　生物降解膜对土壤中水分含量(%)的影响

时间

普通膜降解膜露地

3月26日22.522.522.5

3月27日20.520.819.1

3月28日18.518.916.2

3月29日22.522.421.5

4月5日20.821.118.2

4月10日19.219.816.7

4月15日18.718.916.7

4月20日20.620.818.2

膜种类

3结论

[2]　邱威扬,邱贤华.聚乙烯醇-淀粉共混溶液流变特性研

3.1　淀粉是我国产量较高的农副产品,由于我国淀

究[J]1高分子学报,1996,(3):365-368

[3]　李志达,朱秋享,陈为旭.可食性淀粉薄膜材料与性能

粉加工业不发达,产生大量积压,每年有500万吨以

上淀粉需要转化。本研究以玉米淀粉为原料制造全生物降解膜,该膜在环境中能被生物降解,对环境没有“白色污染”。3.2　淀粉经塑化、增强及交联处理后,可制备出力学性能达到国家标准的薄膜制品,为塑料薄膜找到了理想的替代产品。3.3　本研究采用吹膜工艺,生产成本低,为全生物降解农膜的产业化提供了保证。

参　考　文　献

[1]　王维刚,钟艳龙,申玉熙,等.生物降解地膜的降解过程

研究[J]1中国粮油学报,1997,12(3):28-32

[4]　董桓,曹淑桂,沈家骢.可生物降解高分子的酶法合成

和改性[J]1化学通报,1997,(3):8-13

[5]　吉媛媛,魏文珑,左英英.淀粉-聚乙烯醇塑料薄膜的

研究[J]1精细化工,1994,(11):52-53

[6]　中华人民共和国国家标准,GB/T19277-2003,受控堆

肥条件下材料最终需氧生物分解和崩解能力的测定

[S]

[7]　柏柳清.聚合物生物降解ASTM测试中的问题及其标

准测试方法[J]1塑料,1995,24(5):45-48

[8]　杜忠学,刘曼丽.生物降解塑料的开发状况和评价试验

方法[J]1国外塑料,1996,(1):11-13

[9]　黄昌勇主编.土壤学.北京:中国农业出版社,1990.

165

(下转第88页)

及降解效果试验报告1新疆农业科技,2003,(6):41-42　

88中国粮油学报2006年第5期

lentcapabilities,suchasmoistureabsorption,airpermeability,warmthmaintenanceandspinnablecapability,anditsproductioncostismuchlessthanothernaturalfibre.Themajorrawmaterialforsoybeanproteinissoybeanmealwhichisrich,reproductiveandfriendlyforenvironmentprotectioninprocessing.Thisarticlefocusesoncomposition,capability,processinganddevelopmentofsoybeanproteinfibre.

Keywords　soybeanproteinfibre,soybeanmeal,reproductive

(上接83页)

StudyonCharacteristicsofaNewStarch-based

Full-BiodegradableFilmWangYanli1XiongHanguo1

AiYi

1

LuJinzhen

2

(DepartmentofFoodscienceandtechnology,HuazhongAgriculturalUniversity1,Wuhan

(The1stDepartmentofBioengineering,WuhanBioengineeringCollege2,Wuhan

430070)

430415)

Abstract　Thisstudycoveredthemicrostructure,biodegradableproperties,mechanicalpropertiesandagricul2turalpropertiesofakindoffull-biodegradablefilmusingcornstarchasbasematerialandmodifiedbynano-SiO2.Theresultsshow:Ahomogenouschemicalnetworkisgeneratedbetweenthenano-SiO2andthestarchmolecule,whichreinforcesthemechanicalpropertiesofthefilm,reachingthenationalstandardGB4456-1996.Regardingthedegradablecharactersofthefilm,CO2releaseamountis97.71g/100gsamples,biodegradableratiois62.36%after103d,andtherateofmicrobegrowthisgrade4afterbeingcoveredupundertheearthfor20d.Theseresultsindicatethebiodegradablecharacteristicsofthefilm.ThefilmpossessesthesamecapabilityofthermalholdingandmoistureholdingasPEfilm.TheresultoftheresearchprovidespracticalreferencesforpopularizingandapplyingBiodegrada2bleFilmsandeliminating“WhitePollution”.

Keywords　nano-SiO2,biodegradation,film,characteristics