我国是玉米生产大国，每年会产生大量的玉米秸秆[1]，玉米秸秆作为种植业副产物，富含纤维素，但因处理废弃秸秆的方式[2]不佳会对人体健康及空气质量带来影响。2019 年我国玉米产量26 077 万t，但玉米秸秆的利用率却低于总量的三分之一[3]。因此，科学利用玉米秸秆使其转废为宝，提高资源性价值，是目前亟待解决的问题。羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose，CMC）是目前最有前途的纤维素衍生物之一，其具有独特的表面性质、机械强度、亲水性与良好的黏合性、使用方法的丰富性[4]等优点，被广泛应用于各领域，如食品[4-6]、制药[7-8]、废水处理[9-10]等。随着人们对食品安全和环境问题的关注，绿色环保、可生物降解的包装及保鲜材料成为研究热点[11-12]。
目前制备羧甲基纤维素的原料成本较高，导致羧甲基纤维素的价格昂贵，以玉米秸秆为原料制备低成本的CMC 基水果保鲜膜的研究报道还较少。CMC 可通过玉米秸秆提取的纤维素经碱化和醚化制得，本文以玉米秸秆制备的羧甲基纤维素为原料，以丙三醇作为辅料制备羧甲基纤维素膜，降低原料成本，从而促进玉米秸秆的高附加值应用，而且可以减少塑料制品在水果保鲜中的使用，具有一定可持续性发展的意义。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
玉米秸秆取自于黑龙江省青冈县；氢氧化钠：天津市大陆化学试剂厂；亚氯酸钠：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；盐酸：天津欣泰怡科技有限公司；氯乙酸、冰醋酸、无水乙醇、丙三醇：天津市大茂化学试剂厂；以上化学试剂均为分析纯。
1.2 仪器与设备
集热式恒温加热磁力搅拌器（DF-101S 型）：巩义市予华仪器有限责任公司，循环水式真空泵（SHZ-DШ型）：上海力辰仪器科技有限公司；紫外可见分光光度计（Alpha-1506 型）：上海谱元仪器有限公司；同步热分析仪（METTLER TGA/DSC3+型）：梅特勒托利多科技（中国）有限公司；X 射线衍射仪（X＇Pert Pro 型）：荷兰PANalytical 公司；扫描电子显微镜（SU5000 型）：日本日立公司；傅里叶变换红外光谱仪（PerkinElmer）：珀金埃尔默仪器（苏州）有限公司；鼓风干燥箱（DHG-9070A 型）：上海一恒科学仪器有限公司；台式真空冷冻干燥机（YTLG-10A 型）：上海叶拓科技有限公司。
1.3 试验方法
1.3.1 玉米秸秆中纤维素的提取
玉米秸秆洗净晾干后粉碎过筛，秸秆粉末与NaOH 按料液比1∶20（g/mL）混合，置于80 ℃水浴锅中搅拌处理2 h，随后抽滤洗涤。将得到的沉淀按料液比1∶10（g/mL）加入0.25 mol/L 亚氯酸钠，用10%盐酸调pH 值在6～7，75 ℃搅拌40 min，抽滤后使用大量蒸馏水洗涤，烘干得到玉米秸秆纤维素。
1.3.2 玉米秸秆中纤维素的提取
采用溶媒法制备羧甲基纤维素CMC[13]，将上述提取的纤维素与适量80%乙醇溶液混合，65 ℃磁力搅拌30 min，加入NaOH 继续搅拌2 h 后，加入8.9%氯乙酸搅拌1.5 h，用冰醋酸调节pH 至6，反应后抽滤并使用80%乙醇溶液洗涤数次，50 ℃烘干至恒重得到羧甲基纤维素。
1.3.3 羧甲基纤维素膜的制备
结合前期预试验结果：CMC 添加量在0.5 g 左右，甘油添加量在0.7 mL 左右时，表观上可以形成较均匀的膜。所以取0.5 g CMC 与30 mL 蒸馏水混合并置于磁力搅拌器中55 ℃搅拌3 h，分别加入0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 mL 丙三醇继续搅拌1 h 取出倒入表面皿，40 ℃烘干成膜。另固定丙三醇添加量为0.7 mL，调整CMC 添加量分别为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g 制备保鲜膜液，其他条件不变，40 ℃烘干成膜。制备的羧甲基纤维素保鲜膜的编号及对应的工艺参数如表1 所示。
表1 保鲜膜的样品编号和对应的工艺参数
Table 1 Sample number of preservative film and corresponding experimental parameters
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1.4 羧甲基纤维素膜的性能测定
1.4.1 透光率测试
使用紫外可见分光光度计，薄膜切4 cm×1 cm 长条，放入石英比色皿中，以空白石英比色皿为参照，记录薄膜在600 nm 下的透光率，用透光率描述膜的透明程度。
1.4.2 水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）测试
25 ℃下，将薄膜覆盖在含有25 g 预先干燥的无水硅胶的称量瓶上，称重后放入密封的装有76%饱和氯化钠溶液（relative humidity，RH）的干燥器中，每隔1 天称重1 次，共5 次，WVP 的计算公式如下。
式中：WVP 为水蒸气透过率，g/（m·Pa·s）；Δm 为称量瓶增加质量，g；d 为薄膜厚度，mm；A 为薄有效面积，m2；Δt 为时间间隔，d；ΔP 为25 ℃薄膜两边水蒸气压力差，kPa。
1.4.3 扫描电镜分析（scanning electron microscope，SEM）
采用热场发射扫描电镜，将样品固定并喷金，加速电压为15 kV。观察不同条件的羧甲基纤维素保鲜膜的表面形貌。
1.4.4 X 射线衍射分析（x-ray diffraction，XRD）
采用X 射线衍射仪以Cu-Kα 辐射（λ=0.154 nm）作为X 射线源，在40 kV 的加速电压和40 mA 电流下测量羧甲基纤维素膜的X 射线衍射图谱。扫描角度2θ为10°～80°，扫描速度为4°/min。
1.4.5 红外光谱分析（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）
采用傅里叶红外光谱仪，将样品膜经冷冻干燥后研磨粉碎，与溴化钾混合后压成均匀完整的薄片，在4 000 cm-1～400 cm-1 范围内记录组分不同含量的羧甲基纤维素膜的光谱变化。扫描次数40 次，分辨率为8.0 cm-1。
1.4.6 热重分析（thermogravimetric analysis，TGA）
使用同步热分析仪，对不同条件羧甲基纤维素保鲜膜在30 ℃～400 ℃内进行热重分析，升温速率为10 ℃/min，使用氮气作为保护气体，氮气流速为30 mL/min。
1.4.7 羧甲基纤维素膜对蓝莓的保鲜效果
1.4.7.1 外观变化
选择蓝莓作为测定羧甲基纤维素膜保鲜效果的试验模型，将蓝莓由蒸馏水洗净，第一组不再进行任何操作，第二、三、四组蓝莓分别浸入3 种不同的羧甲基纤维素膜液（CMC-2、CMC-3 与CMC-7）中1 min，取出并自然晾干，在室温下（20±5）℃贮藏10 d，每隔2 d对4 组不同处理方式的蓝莓进行拍照并观察分析各组蓝莓外观的变化。
1.4.7.2 失重率
使用分析天平测定不同处理的蓝莓在贮藏过程中的质量变化，每隔2 天测量蓝莓质量并记录，每组做3 次平行试验取均值，失重率的计算方程式如下。
式中：m0 为蓝莓的原始质量，g；m 为储存期间每次测量蓝莓的质量，g。
1.4.7.3 腐烂率
采用计数法对经过不同处理方法的蓝莓在贮藏期间的腐烂率进行测定，腐烂率的计算公式如下。
式中：n1 为腐烂果数量，个；n0 为总果数量，个。
1.5 数据处理
采用Origin 2019 软件对数据进行对比及统计检验。
2 结果与分析
2.1 丙三醇添加量对膜的WVP 及透光率的影响
WVPS 是用于描述膜阻隔水蒸气性能的参数，对产品货架期质量具有一定影响，较低的WVP 意味着较高的耐水性。此外膜的透明度也是评价保鲜膜的一项关键参考指标，所以制备的薄膜要综合考虑WVP和透明度。按照表1 试验设计，CMC 添加量为0.5 g时，不同丙三醇添加量对膜的WVP 和透光率产生不同的影响。其变化规律如图1 所示。
图1 丙三醇添加量对WVP 和透光率的影响
Fig.1 Effects of glycerol addition on WVP and light transmittance
由图1 可知，随着丙三醇添加量的增多，膜的水蒸气透过率不断上升，在丙三醇添加量为1.1 mL 时，水蒸气透过率为7.405 1×10-12 g/（m·Pa·s），这是由于丙三醇的加入使得羧甲基纤维素分子之间的相互作用降低，改变了膜的通透性。丙三醇亲水性较强，丙三醇的加入及增多都会降低薄膜的耐水性，这种降低耐水性的能力可能与丙三醇分子中的羟基有关[14]，从而使得膜的水蒸气透过率增大；但随着丙三醇添加量的增多，膜的透光率不断增加，这是由于丙三醇的加入改变了膜的微观结构[15]，增加了薄膜的透明度。综合考虑WVP 与膜的透明度及成膜的具体情况：因丙三醇保水性较好[16]，在丙三醇量超过0.7 mL 后，形成的膜黏度很大，WVP 过高，不适合做保鲜膜使用。但如果丙三醇的含量过低，膜的刚性结构增强，在丙三醇添加量小于0.5 mL 时膜变脆，不适合做水果保鲜膜。综合以上分析，丙三醇添加量需大于0.5 mL 而不超过0.7 mL。
2.2 CMC 添加量对膜的WVP 及透光率的影响
WVP 值及透光率可以作为评价膜材料性能的指标。按照表1 的试验设计，丙三醇添加量为0.7 mL 时，不同CMC 添加量对膜的WVP 和透光率产生不同的影响，其变化规律如图2 所示。
图2 CMC 添加量对WVP 和透光率的影响
Fig.2 Effects of CMC addition on WVP and light transmittance
由图2 可知，随着CMC 添加量的增多，膜的水蒸气透过率先增大后减小，透光率呈下降趋势。在CMC添加量为0.3 g 时，水蒸气透过率达到最高，为8.412 0×10-12 g/（m·Pa·s）；但膜的透光率较大。因为随着CMC的增加，膜液的流动性减小，膜不均匀且较厚，形成水分子扩散的曲折路径[17]，同时CMC 量的增大，使得其在丙三醇中分散的均匀性减弱，出现分子堆积的情况，所以透光率降低。综合考虑WVP 与膜的透明度及成膜的具体情况，当膜中羧甲基纤维素的含量过高时，膜液流动性差，成膜后的膜黏度大，且分子过于致密，使得涂膜厚度不匀；若CMC 添加量过少，形成的膜过薄且不易成膜，不适合用于水果保鲜，所以CMC 添加量不宜低于0.3 g、不宜高于0.7 g。对WVP 及透光率的结果进行分析，尽可能保证低水蒸气透过率和高透光率，同时考虑实际成膜情况，择优选取膜CMC-2、CMC-3、CMC-7 做进一步的检测分析。
2.3 扫描电镜分析
CMC-2、CMC-3、CMC-7 的扫描电镜图见图3。
图3 不同丙三醇、CMC 添加量羧甲基纤维素膜的SEM 图像
Fig.3 SEM images of CMC films with different amounts of glycerol and CMC
成膜液的黏度及表面形态由内部聚合物决定，膜液内的基质相互影响。由图3 可知，可以看出CMC-2、CMC-3、CMC-7 所成的膜较平滑均匀并伴有轻微沟壑，说明CMC 溶解效果较好，并与丙三醇融合较充分，且干燥成膜后二者也无分离现象，丙三醇具有增塑功能，可以使得羧甲基纤维素膜整体更加柔韧，而丙三醇与CMC 结合后复合膜液具有自由膨胀吸收能力[18]，使得成膜后表面会更加平滑。分析沟壑的产生是由揭膜或转移过程造成的，对羧甲基纤维素膜本身无影响，成膜后未产生大的孔洞或裂缝，膜的完整度较好。此外，三种膜液成膜后，图3（b）在电镜下略显光滑，说明该成膜液整体更加均匀、膜的结构更加稳定，更适合应用于水果保鲜。
2.4 X 射线衍射分析
CMC-2、CMC-3、CMC-7 3 种保鲜膜的XRD 图谱如图4 所示。
图4 不同丙三醇、CMC 添加量羧甲基纤维素保鲜膜的XRD 图谱
Fig.4 XRD spectra of CMC preservative films with different amounts of glycerol and CMC
由图4 可知，不同丙三醇与CMC 添加量制得的膜的强衍射峰均出现在2θ=20.8°处，峰型均较宽且不尖锐，因羧甲基基团为非结晶结构[19]，基本可以确定成膜物质为非晶态。在羧甲基纤维素与丙三醇结合后，两组分之间产生作用力，膜的聚合链松弛度降低[20]，但基质混合良好。CMC 具有吸湿性[21]，可以为微生物的生长提供有利条件，但CMC 与丙三醇结合能够很好地解决这个问题，使得膜性质稳定且质地均匀，而丙三醇添加量的增加并不会使得膜在2θ=20.8°处的峰显示出形成半结晶区域的趋势，这与Wu 等[22]的研究一致。
2.5 CMC 膜的FT-IR 分析
红外光谱可分析膜中组分的化学键及官能团，且可以判断各组分之间是否存在相互作用。图5 为不同组成保鲜膜的FT-IR 谱图。
图5 不同丙三醇、CMC 添加量羧甲基纤维素膜的FT-IR 谱图
Fig.5 FT-IR spectra of CMC films with different amounts of glycerol and CMC
由图5 可知，以1 425 cm-1 和1 629 cm-1 为中心的特征峰，分别是CMC 中羧基的反对称和对称拉伸振动，可以看出3 种样品峰的走向大致类似，CMC 与丙三醇结合并不会产生其他物质，但保鲜膜中组分含量的不同会使得组分间相互作用大小不同。在2 897 cm-1处的吸收峰是由碳氢化合物中的C—H 的伸缩振动引起[23]，图谱中1 397 cm-1 处出现弱峰，这是CMC 的特征峰。红外光谱分析表明，CMC 与丙三醇混合制备保鲜膜，两者结合只会在一定程度上加强相互间的作用力，但并不会改变彼此的结构，复合膜性质稳定。
2.6 热重分析
使用不同丙三醇、CMC 添加量制备的羧甲基纤维素保鲜膜得到的热重曲线如图6 所示。
图6 不同丙三醇、CMC 添加量羧甲基纤维素膜的TG 图
Fig.6 TG diagram of CMC preservative films with different addition amounts of glycerol and CMC
由图6 可知，3 个薄膜样品在热分析图中均显示出了3 个失重阶段。因羧甲基纤维素本身为一种亲水性纤维素衍生物[24]，与丙三醇结合，膜样品中含有水分，所以在30 ℃～150 ℃范围内的第一次失重以水分蒸发为主，是游离水与结合水的损失重量，3 份样品失重率均在8%左右。第二阶段的失重主要是薄膜内部聚合物的快速热降解所致[25]，在这个阶段的重量损失相对较高，3 个薄膜样品的TG 曲线基本走向相同且热分解温度基本保持一致，说明制备羧甲基纤维素及成膜阶段均无其他物质生成。而CMC-3 相较于CMC-2在第二阶段内失重稍有增加是CMC 添加量增加，样品内聚合物快速分解导致。在主热解温度结束后样品的失重趋势均再次平缓，且在400 ℃后3 份薄膜样品的残余量均在20%左右，热稳定性能够满足食品保鲜材料的要求。
2.7 薄膜对蓝莓的保鲜效果分析
不同丙三醇、CMC 添加量制备的薄膜对蓝莓贮藏有不同程度影响[26]。
2.7.1 不同表面处理方式对蓝莓外观的影响
为了证实羧甲基纤维素膜在水果贮藏过程中良好的保鲜效果，对不包裹羧甲基纤维素膜、包裹羧甲基纤维素膜的蓝莓进行保鲜效果考察。在上述试验中CMC-2、CMC-3 与CMC-7 膜的性能相对较好，所以4组蓝莓分别由蒸馏水、CMC-2、CMC-3 与CMC-7 膜液浸泡并取出自然风干，4 组蓝莓均在室温（20±5）℃下贮藏10 d，每两天拍摄1 次蓝莓的外观图片，取有代表性的3 组图片如图7 所示。
图7 不同涂层的蓝莓在10 d 内的外观照片
Fig.7 Appearance photos of blueberries with different coatings within 10 d
由图7 可知，2 d 内4 组蓝莓外观均未出现明显变化，表皮光滑平整。在第6 天时第一组未涂膜液的蓝莓表皮出现褶皱，失水现象严重，另外三组涂敷羧甲基纤维素膜液的蓝莓表皮均未出现明显变化，果实硬度要好于第一组。第10 天时第一组未涂膜液的蓝莓皱缩现象明显，已不是规整的球状体。第二组蓝莓出现表皮皱缩，但皱缩情况并不严重。而第三、四组涂膜液的蓝莓表皮出现轻微皱缩，但整体仍圆润光滑。适量的CMC 和丙三醇之间的氢键，促使膜内形成了一种稳定的网状结构，减少了蓝莓中水分的蒸发流失，使蓝莓保持在较新鲜的状态，保鲜效果较好。
2.7.2 不同涂层对蓝莓失重率的影响
蓝莓贮藏过程中水分的流失情况是考察膜保鲜效果的一项重要指标，不同涂层对蓝莓失重率的影响见图8。
图8 不同涂层对蓝莓失重率的影响
Fig.8 Effects of different coatings on weight loss rate of blueberries
如图8 所示，4 组不同处理的蓝莓失重率均随着贮藏时间的延长而增加，但不同处理方式的蓝莓失重率有一定的差距，经蒸馏水浸泡过的蓝莓10 d 后的失重率达到36.9%，失重率是蓝莓自重的三分之一，保鲜效果较差。目前在贮藏前期蓝莓损失的大部分都是水分及少数营养物质，而经羧甲基纤维素膜CMC-2 与CMC-7 包裹后的蓝莓失重率大大降低，分别为8.6%与7.1%，二者仅有细微差距，由于丙三醇也具有保水性，所以丙三醇添加量的增多也能一定程度地减缓蓝莓的失水速率；CMC-3 包裹后的蓝莓失重率为6.0%，效果最好。就失重情况来看，羧甲基纤维素保鲜膜可以减小水果的呼吸作用，尤其是阻隔与空气中氧气的接触与交换，这使得蓝莓的失水速率得到有效的减缓，从而起到对蓝莓的保鲜作用。
2.7.2 不同涂层对蓝莓腐烂率的影响
蓝莓是温带地区生长的灌木小浆果，极易腐烂，贮藏过程中蓝莓腐烂率的变化是考察材料保鲜效果的重要指标之一。图9 为不同处理方式的蓝莓果实在贮藏时间20 d 内的腐烂率变化曲线。
图9 不同涂层对蓝莓腐烂率的影响
Fig.9 Effects of different coatings on decay rate of blueberries
由图9 可知，随着贮藏时间的增长，蓝莓果实的腐烂率也在不断增加，但不同处理方式的蓝莓果实的腐烂率并不相同。只使用蒸馏水清洗过的蓝莓果实在第5天后的腐烂率便开始迅速增长，在第10 天时的腐烂率为11%，而贮藏20 d 后腐烂率为28%，腐烂程度较大。可以看出如果不做任何处理蓝莓在室温下保存的效果并不好。经羧甲基纤维素膜液包裹的蓝莓腐烂率明显下降，CMC-3 膜包裹的蓝莓腐烂率整体来说最低，第20 天时腐烂率为13%，保鲜效果显著，效果最佳，很大程度上保证蓝莓的新鲜度，减小蓝莓的烂果速率，无论是在运输或贮藏过程中都是一种极好的保鲜材料。
3 结论
低成本羧甲基纤维素为基料，添加丙三醇制备羧甲基纤维素膜，丙三醇添加量为0.7 mL，羧甲基纤维素添加量为0.5 g 时，经结构和形貌的表征，该膜质地均匀，成分融合良好且无其他物质生成；膜的水蒸气透过率为6.570 4×10-12 g/（m·Pa·s），透光率为92.0%，耐热性良好，此时膜的保鲜效果最好，保持了蓝莓的外观，降低了重量损失和腐烂率，有助于延长蓝莓的货架期。在易失水变皱的水果上具有很好的应用价值。
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