特殊浸潤性表面構建及其抑制酸奶黏附的研究

劉淑秋，蘇夢琪，侯聚敏,b，盧敏

特殊浸潤性表面構建及其抑制酸奶黏附的研究

劉淑秋a，蘇夢琪a，侯聚敏a,b，盧敏a

（長春大學 a.食品科學與工程學院 b.吉林省健康狀態辨識與機能增強重點實驗室，長春 130022）

構建一種能夠抑制酸奶黏附現象的特殊浸潤性表面，探索特殊浸潤表面的結構、組成及性能。以棕櫚蠟、二氧化硅和羧甲基纖維素鈉為原料，通過噴涂法在聚苯乙烯片材上構建特殊浸潤性表面。棕櫚蠟添加量為3 g，二氧化硅為0.9 g，兩者共溶于100 mL無水乙醇，將0.6 g羧甲基纖維素鈉溶于100 mL去離子水時，2種溶液共混（乙醇溶液∶水溶液=2∶1）在聚苯乙烯片材表面進行噴涂，并于75 ℃烘干30 min，得到特殊浸潤性表面。所構建的特殊浸潤性表面具有典型的微納結構，酸奶在其表面的接觸角為(141.32±5.43)°，滾動角為(7.51±2.86)°。耐堿、耐鹽試驗表明，特殊浸潤性涂層在浸泡24 h后，酸奶在其表面的接觸角分別為(132.00±5.75)°和(130.18±6.09)°，與原始特殊浸潤性表面相比未發生顯著性下降（>0.05）。此外，甲基藍和鄰苯二酚紫粉末的殘留結果表明所構建的表面自清潔性能良好。酸奶在具有特殊浸潤性表面的聚苯乙烯片材上的殘留量為(3.77±1.99)%，顯著低于無特殊浸潤性表面的聚苯乙烯片材(15.12±2.77)%（<0.05）。該特殊浸潤性表面具有良好的化學穩定性、自清潔性和不黏性，可有效減少酸奶資源的浪費，也為液態黏性流體食品的包裝設計提供理論依據。

特殊浸潤性表面；噴涂法；化學穩定性；自清潔性；酸奶；殘留量

食品黏附對于食品制造和最終產品都有很大影響，食品加工和包裝系統中，必須仔細研究液體–固體和固體–固體的界面。因此，有必要對食品成分、材料表面能等影響黏附的因素進行研究，以便更好地了解和減少這種現象[1]。酸奶是一種日常飲用的發酵型乳制品[2]。然而，在飲用后常常會有大量酸奶黏附在杯壁，造成大約15%的殘留，產生大量的食品資源浪費。因此，減少酸奶殘留量是乳制品行業中亟待解決的問題[3]。自然界中的“荷葉效應”，具有典型的自清潔功能，這為基于特殊浸潤性表面，改善酸奶包裝的表面結構，從而抑制酸奶黏附現象提供了思路[4]。

用于食品相關應用的食用超疏水表面已在各種基質上實現。然而，可獨立食用的超疏水材料尚未實現[5]。而食用蠟作為一種典型的低表面能材料，在特殊浸潤性表面構建中具有廣泛的應用。巴西棕櫚蠟和蜂蠟具有不同的熔化溫度，是混合蠟涂層的適宜材料，可制備出具有良好透明性和機械耐久性的棕櫚蠟和蜂蠟混合涂層[5]。Wang等[6]將棕櫚蠟和蜂蠟分別溶解到丙酮中，利用噴涂法制備得到的超疏液表面具有良好的穩定性和實用性。但蜂蠟表面容易遭到手指按壓而被破壞。朱蓓薇課題組將蜂蠟溶解于丙酮中，利用噴涂法制備出仿生超疏水表面，實現了對利普頓茶、可口可樂、桔子汁、牛奶、咖啡、蜂蜜的超疏液性[7]。但該方法在中間彈性層制備過程中耗時長，且引入了丙酮，需要考慮涂層的毒理性質。后期，朱蓓薇課題組為了克服涂層的不耐高溫性，在涂層中引入了咖啡木質素，使涂層的超疏液性在溫度為120 ℃時依然可以良好的保持[8]，但此方法依然引入了丙酮作為溶劑。乙醇是一種比丙酮更綠色環保的溶劑[9]，已有研究轉向采用乙醇作為涂層原料的溶劑。例如，將小燭樹蠟（candelilla wax）和米糖蠟（Rice Bran Wax）溶解于乙醇，經過噴涂干燥后，可在酸奶盒或玻璃上生成具有良好疏液性的涂層，同時也具有良好的穩定性和應用性[10]。另外，也有研究將石蠟（Paraffin Wax）、蜂蠟（Bee wax）、微晶蠟（Micro-crystalline Wax）和棕櫚蠟（Carnauba Wax）直接溶解于乙醇，加熱溶解后在基底上噴涂形成超疏液涂層，具有抗生物黏附、果品保藏等方面的應用[11]。目前看來，棕櫚蠟和蜂蠟在超疏液涂層制備過程中應用最為廣泛，其他蠟質則處于被逐漸開發利用的狀態，且蠟質中也在逐步加入其他原料，來賦予蠟質涂層的多功能性（疏液性、耐磨性）需要得到進一步研究。

非金屬氧化物可有效提升可食性涂層的疏液性能。其中，超疏水性納米二氧化硅應用最為廣泛。例如，已有研究將納米二氧化硅分散于乙醇[12]或異丙醇[13]中，再添加固定劑或氟化物來形成乳液，采用噴涂法在硬質基底或軟質基底上制備超疏液涂層，均取得了良好的效果。然而，氟化物具有難以分解、大量攝入對人體有害的缺陷，這限制了二氧化硅和氟化物共同應用于超疏液涂層制備中的應用。也有研究將二氧化鈦分散到聚乙烯–辛烷共聚物（黏性體，60%）和聚乙烯–庚酸共聚物（穩定劑，40%）中，通過噴涂法，制備超疏液涂層，取得了較好的效果[14]。此外，氧化鋁[15]、氧化鋅[16]等氧化物，也逐步應用于制備超疏液涂層?？傮w來看，二氧化硅及其改性產品是目前應用于可食性超疏液涂層中最為廣泛的非金屬氧化物。另外，GB 2760—2011《食品添加劑使用衛生標準》規定：二氧化硅可用于蛋粉、糖粉、奶粉、可可粉、可可脂、植物性粉末、速溶咖啡、湯料粉等?？梢?，二氧化硅是賦予蠟質涂層疏液性能的理想材料。

雖然已有很多技術和方法應用于制備超疏水表面[17-19]，但較差的化學穩定性仍然是抑制特殊浸潤性表面廣泛應用的重要問題[20-21]。許多具有特殊浸潤性功能的微結構表面，在強酸堿溶液中，或在高溫和低溫環境中，無法良好地保持結構的完整性，也是特殊浸潤性表面應用過程中存在的主要問題。因此，構建具有優異化學穩定性的超疏水表面[22]，可有效解決復雜液態食品體系（如酸奶）的黏附問題。羧甲基纖維素鈉（CMC–Na）水溶液透明，具有增稠、成膜、黏結、水分保持、膠體保護、乳化及懸浮等作用，具有較強的黏性和良好的穩定性[23]，這為增加特殊浸潤性表面的穩定性提供了思路。

因此，本研究以減少酸奶殘留量為目標，以棕櫚蠟（CW）、疏水性二氧化硅（SiO2）和羧甲基纖維素鈉（CMC–Na）為主要原料，在酸奶常用包裝材料聚苯乙烯（PS）表面構建一種相對安全，且穩定性良好的特殊浸潤性表面，用于解決酸奶殘留而產生的浪費現象。本研究的開展，有利于酸奶包裝材料的創新，也為減少液態黏性食品資源的浪費提供了理論依據。

1 試驗

1.1 材料與設備

材料包括：棕櫚蠟，1#，阿拉??；聚苯乙烯，深圳市宏興源塑膠制品有限公司；疏水性二氧化硅，廣東新如榮生物科技有限公司；無水乙醇，天津化學試劑有限公司；羧甲基纖維素鈉（CMC–Na），上海市申光食用化學品有限公司；以上試劑均為食品級。HCl溶液，鄭州永坤環?？萍加邢薰?；NaOH，鄭州永坤環?？萍加邢薰?；NaCl，天津市大茂化學試劑廠；甲基藍，天津市光復精細化工研究所；鄰苯二酚紫，國藥集團化學試劑有限公司。

設備包括：集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DF– 101S），鞏義市予華儀器有限責任公司；接觸角測量儀（SL200KS），上海梭倫信息科技有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱（DZF–6050），上?，槴\實驗設備有限公司；空氣壓縮機（2極1600），臺州市奧突斯工貿有限公司；電子天平（PX224ZH/E），奧豪斯儀器有限公司；掃描電子電鏡（JSM–IT500A），JEOL公司（日本）；傅里葉變換紅外光譜分析（Nicolet iS5），美國賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 特殊浸潤性表面的構建

分別采用CMC–Na、SiO2或CW中的1種物質、2種物質或3種物質，采用噴涂法構建特殊浸潤性表面，以是否能構成特殊浸潤性表面，以及接觸角和滾動角為判斷依據，來確定涂層配方。

3種物質構建特殊浸潤性表面的方法具體如下。

A液：將一定量的CW和SiO2放入100 mL乙醇溶液中，在恒溫加熱磁力攪拌器中水浴攪拌30 min（80 ℃）。

B液：將一定濃度CMC–Na與100 mL水混合放入磁力攪拌器中（75 ℃）加熱溶解30 min。

以A液∶B液=2∶1，進行混合，采用噴槍進行一次噴涂構建包含3種物質的特殊浸潤性表面。槍嘴距離PS片材（長×寬=60 mm×25 mm）約12 cm，壓強選擇60 psi，進行噴涂。噴涂完后，將帶有表面的PS片材放于75 ℃鼓風干燥箱內干燥30 min，去除乙醇并固定表面。裝置流程圖見圖1。

圖1 構建特殊浸潤性表面的裝置流程圖

1.2.2 CW、SiO2、CMC–Na添加量對表面浸潤性的影響試驗

以CW、CMC–Na和SiO2添加量為考察因素，判斷CW、CMC–Na和SiO2添加量對3種物質所構建的特殊浸潤性表面對水和酸奶浸潤性的影響，進而確定特殊浸潤性表面的最佳配方。CW、CMC–Na和SiO2添加量對特殊浸潤性表面對水和酸奶的浸潤性影響試驗設計如表1所示。

表1 CW、CMC–Na和SiO2添加量對表面浸潤性的影響試驗設計

Tab.1 Experimental design table of the effect of the addition amount of CW, CMC-Na and SiO2 on the hydrophobicity of the surfaces g

Notes: A is CW quality, that is, A is 1, 2, 3, 4, 5;B is SiO2quality, that is, B is 0.3, 0.6, 0.9, 1.2, 1.5; C is the CMC–Na mass, that is, C is 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, and 1.4.

1.2.3 接觸角和滾動角的測定

選取表面平整光滑的特殊浸潤性表面，將樣品表面進行接觸角和滾動角測量，滴加5 μL的去離子水和酸奶在樣品表面，再采用接觸角儀器，在樣品表面不同地方測試5次，取平均值。利用接觸測量儀自帶的滾動角測試方法，記錄酸奶液滴滾落試樣表面時的滾動角，在樣品表面不同地方測試5次，取平均值。同時測定特殊浸潤性表面對水和酸奶的潤濕性，是為了優化涂層配方，實現特殊浸潤性涂層對酸奶低黏附、自清潔的目的。

1.2.4 掃描電子顯微鏡的測試（SEM）

采用導電膠將樣品黏貼到載物臺上，放入離子濺射儀內以6 mA電流、5 mmHg真空度進行噴金。之后用掃描電子顯微鏡，設定加速電壓為10.0 kV，觀察表面的微觀結構。

1.2.5 傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析

采用傅里葉變換紅外光譜分析及驗證特殊浸潤性表面的成分。對樣品進行溴化鉀壓片處理[24]，參考Chen[25]的方法，將特殊浸潤性表面放置在載樣臺上，波長范圍設置在500～4 000 cm?1。

1.2.6 穩定性試驗

為了檢測所構建的特殊浸潤性表面是否能夠長期使用，將其進行穩定性試驗的測試。分別配制1 mol/l HCI、1 mol/l NaOH和3.5%NaCl的溶液，將構建好的特殊浸潤性表面分別浸入其中，24 h后將其取出烘干，每個樣品選取5個測試點，在接觸角測量儀上測量其接觸角和滾動角。

1.2.7 自清潔性測試

將樣品固定在長8 cm的玻璃片放置在培養皿中[26]，使玻璃片頂部到底部距離為2 cm，傾斜角度為10°[27]。在其樣品表面灑上甲基藍粉末和鄰苯二酚紫粉末模擬污染物的污染，觀察樣品表面甲基藍和鄰苯二酚紫粉末隨水滴的沖刷情況。自清潔測試裝置如圖2所示[28]。

圖2 自清潔測試簡易裝置

1.2.8 抗污性能測試

配制甲基藍溶液250 mL，將特殊浸潤性表面樣品完全浸入到甲基藍溶液中，取出后觀察涂層表面的顏色變化。

1.2.9 殘留量的測定

參考隋越等[29]的方法，按照式（1）計算酸奶在特殊浸潤性表面的殘留量。每個樣品測試3次，結果取平均值。

式中：為殘留量，%；為經過傾斜之后殘留的酸奶量，g；為原始的酸奶質量，g。

2 結果與討論

2.1 不同處理表面的浸潤性結果分析

2.1.1 單種物質構建特殊浸潤性表面的結果

分別采用CMC、SiO2或CW采用噴涂法構建特殊浸潤性表面，成膜結果見表2。

表2 單種物質構建特殊浸潤性表面的結果

Tab.2 Results of fabricating special wettability surfaces with single substances

notes: - represents a water droplet that does not roll on a particular wettability surface, same below.

由表2可知，單獨使用CMC–Na和SiO2無法構成表面。單獨使用CW可以構建表面，水的接觸角達到(128.69±6.05)°，酸奶的接觸角為(125.07±5.22)°，但水和酸奶液滴無法滾動?？梢?，采用一種物質構建的表面不僅穩定性差且液滴滾動性差，無法構成理想的特殊浸潤性表面。

2.1.2 兩種物質構建特殊浸潤性表面的試驗

分別采用CMC–Na、SiO2或CW中的2種物質采用噴涂法構建特殊浸潤性表面，結果見表3。

由表3可見，當CMC–Na和CW混合使用時可以構成表面，水接觸角為(134.16±4.77)°，酸奶接觸角為(138.24±4.16)°，但是無滾動角，水滴不易從表面滾落；而SiO2和CW混合使用時可構成表面，且水接觸角達到(127.49±6.38)°，酸奶接觸角為(136.14±4.86)°，滾動角為(19.05±4.95)°，但是穩定性很差，容易破碎。因此，兩種物質復合也無法構成理想的特殊浸潤性表面。

因此，采用CMC–Na、SiO2和CW 3種物質進行復合使用，嘗試構建自清潔性能和穩定性較好的特殊浸潤性表面。

2.2 CW、SiO2、CMC–Na添加量對特殊浸潤性表面潤濕性的影響

2.2.1 CW添加量對特殊浸潤性表面潤濕性的影響

CW添加量對特殊浸潤性表面的接觸角大小影響見圖3。由圖3a和圖3b可以看出，隨著CW添加量的增加，特殊浸潤性表面對水和酸奶的接觸角均呈現出顯著上升并趨于平緩的趨勢，當CW添加量為4 g時，特殊浸潤性涂層對水的接觸角達到(136.25± 1.60)°；當CW添加量為3 g時，接觸角達到(146.04± 2.29)°。CW添加量對特殊浸潤性表面的滾動角大小的影響見表4。由表4可知，隨著CW添加量的增加，水無法在特殊浸潤性表面滾動，但酸奶在特殊浸潤性表面上的滾動角呈現由無到有、由大到小再到大的趨勢，當CW添加量為3、4 g時，滾動角分別為(9.79± 4.44)°和(7.61±4.95)°，導致特殊浸潤性涂層對水和酸奶呈現出不同的滾動性。這可能與水、蛋白質、脂肪等分子的半徑大小有關。另外，若CW濃度過低，則無法構建粗糙表面；若CW濃度過高，所構建的表面不易成膜。因此，綜合考慮，選取CW質量為3 g。

表3 2種物質構建特殊浸潤性表面的結果

Tab.3 Results of the fabrication of special wettability surfaces by two substances

圖3 CW添加量對特殊浸潤性表面水（a）和酸奶（b）接觸角大小的影響（相同的小寫字母代表CW添加量對特殊浸潤性表面無顯著性影響）

表4 CW添加量對特殊浸潤性表面酸奶滾動角大小的影響

Tab.4 Effect of CW addition on yogurt roll angle of special wettability surface (°)

2.2.2 SiO2添加量對特殊浸潤性表面潤濕性的影響

SiO2添加量對特殊浸潤性表面的接觸角大小的影響見圖4。由圖4可知，SiO2添加量對特殊浸潤性表面對水的接觸角無顯著影響（>0.05）。由圖4a可知，當特殊浸潤性表面內不添加SiO2時，水接觸角達到(131.32±1.85)°，當SiO2的質量為0.3 g時，水接觸角為(135.65±2.64)°。由圖4b可以看出，特殊浸潤性涂層對酸奶的接觸角總體呈現出先上升后下降的趨勢。當沒有添加SiO2時，酸奶接觸角為(133.25± 2.37)°，而當SiO2的質量為0.3 g時，酸奶接觸角達到(138.92±3.32)°，但酸奶在特殊浸潤性表面無法滾動（表5）。與添加量為0.3 g時相比，顯著下降（<0.05）。由表5可知，水無法在特殊浸潤性表面上滾動，而當SiO2質量為0.6 g和0.9 g時，酸奶在特殊浸潤性表面有滾動角，分別為(23.12±2.22)°和(13.93±1.92)°，且在SiO2為0.9 g時，流動性最好。這可能與水、蛋白質、脂肪等分子的半徑大小有關。因此，綜合考慮，SiO2質量選取0.9 g。

圖4 SiO2的添加量對特殊浸潤性表面水和酸奶的接觸角大小的影響（相同的小寫字母代表SiO2添加量對特殊浸潤性表面無顯著性影響）

表5 SiO2添加量對特殊浸潤性表面酸奶的滾動角大小的影響

Tab.5 Effect of SiO2 addition on the yogurt roll angle of special wettability surface (°)

2.2.3 CMC–Na添加量對特殊浸潤性表面潤濕性的影響

CMC–Na添加量對特殊浸潤性表面對水和酸奶接觸角大小的影響規律見圖5。由圖5可知，CMC–Na添加量對特殊浸潤性表面的接觸角（水和酸奶）無顯著性影響（>0.05）。但由表6可見，水無法在特殊浸潤性表面實現滾動，但隨著CMC–Na添加量的增加，CMC–Na在0.6、0.8、1.0 g時，特殊浸潤性表面的滾動角逐漸增大，分別為(7.51±2.86)°、(8.77±3.66)°、(11.15± 4.68)°，當CMC–Na添加量為0.6 g時，滾動角最好，達到了(7.51±2.86)°，而當CMC–Na添加量超過1.0 g時，酸奶無法在特殊浸潤性表面流動。這可能是由于酸奶屬于復雜體系，其內部的蛋白質、脂肪分子半徑較大，與涂層中的CMC–Na具有一定的斥力，而純水分子半徑相對較小，與CMC–Na分子之間具有較大引力。CMC–Na是親水性的，不利于表面的自清潔性能。但是添加CMC–Na能夠增強特殊浸潤性表面的穩定性，因此綜合考慮，CMC–Na用量選取0.6 g。

圖5 CMC–Na添加量對特殊浸潤性表面水和酸奶的接觸角大小的影響（相同的小寫字母代表CMC–Na添加量對特殊浸潤性表面無顯著性影響）

表6 CMC–Na添加量對特殊浸潤性表面的滾動角大小的影響

Tab.6 Effect of CMC–Na addition on the roll angle of special wettability surface (°)

2.3 特殊浸潤性表面的微觀結構與分析

特殊浸潤性表面的掃描電鏡圖見圖6。由圖6a、圖6b可以看出，PS表面光滑，無雜質。從圖6c可以看出，特殊浸潤性表面粗糙，被微米級二氧化硅顆粒緊密覆蓋，表面的納米級粒子呈球形，但大小不均。特殊浸潤性表面具備微納米粗糙結構，表面有一些小褶皺，這些亞微米結構的大小取決于蠟混合乳膠，一般從幾百納米到幾微米[30]。其表面良好的疏水性是由于表面二氧化硅和棕櫚蠟結構在同一表面的不同位置的排列所致，接觸面積增加了表面與基體之間范德華力的界面相互作用。從圖6d可以看出，特殊浸潤性表面的粗糙結構分布均勻，表面的粗糙結構使表面與空氣接觸的面積較大，當液體接觸到表面時，液體與表面之間有氣體隔擋，增大了液體的接觸角，這也解釋了特殊浸潤性表面的浸潤特性。

2.4 特殊浸潤性表面的紅外光譜圖分析

特殊浸潤性表面及其構成組分的紅外光譜圖見圖7。由圖7中曲線a中的2 917.48 cm?1附近有甲基—CH3—吸收峰，2 855.41 cm?1處的吸收峰由亞甲基—CH2—的C—H鍵的不對稱的伸縮振動形成，相應的酯基使蠟顆粒具有疏水的化學性質。1 746.04 cm?1為羰基C==O的特征吸收峰，且比較尖銳，1 169.57 cm?1處為C—O鍵的伸縮振動吸收峰[31]，屬于典型的棕櫚蠟FTIR譜圖。由圖7中曲線b可以看到，1 228.64 cm?1和1 044.84 cm?1處有很寬的吸收峰，為對應的Si—O—Si的對稱收縮振動峰，該鍵同時在949.36 cm?1處表現出對稱收縮振動峰和780.48 cm?1的彎曲振動峰，此處的峰為SiO2中Si的特征峰，3 435.46 cm?1為Si—O鍵與表面吸附氫鍵締合的振動峰，屬于典型的二氧化硅FTIR譜圖。由圖7中曲線c可知，3 600.77 cm?1處有羥基—OH鍵特征峰，且在1 573.57 cm?1處出現羧基C==O吸收峰[32]，屬于典型的羧甲基纖維素FTIR譜圖。最后由圖7中曲線d可知，1 478.09 cm?1處出現羧基C==O吸收峰，證明此處有CMC–Na和CW。在912.96～747.66 cm?1有SiO2中Si的特征峰，證明此處有SiO2出現?？傮w來看，CMC–Na、SiO2和CW很好地相容在一起。

圖6 PS基材放大100倍（a）和50倍（b）以及特殊浸潤性表面放大100倍（c）和50倍（d）的電鏡掃描圖

圖7 特殊浸潤性表面的紅外光譜圖

2.5 耐堿耐鹽性試驗

強堿強鹽對特殊浸潤性表面的影響見圖8。由圖8可知，經過HCl溶液、NaOH溶液和NaCl溶液浸泡24 h后，特殊浸潤性表面的接觸角都有所下降。在酸性條件下，特殊浸潤性表面對水的接觸角下降至(120.07±2.80)°，對酸奶的接觸角下降至(112.39± 8.84)°。在堿性條件下，特殊浸潤性表面對水的接觸角下降至(126.09±2.67)°，對酸奶的接觸角下降至(132.00±0.54)°。在中性條件下，特殊浸潤性表面對水的接觸角下降至(119.48±14.14)°，對酸奶的接觸角下降至(130.18±3.26)°。與原始最優涂層對酸奶的接觸角(141.32±5.43)°比較，只有在酸性條件下的特殊浸潤性表面對酸奶的接觸角發生顯著下降（<0.05），在堿性和高鹽條件下的特殊浸潤性表面對酸奶的接觸角沒有顯著影響（>0.05）。這是由于CMC–Na中有親水基團，更容易與H+結合，從而破壞了特殊浸潤性表面的黏附性，導致接觸角下降。另外，可以看出接觸角在酸性溶液中比在堿性和中性溶液中下降更快，說明疏水結構在酸性溶液中破壞更易遭到破環，這可能是由于H+比OH?更容易吸附在特殊浸潤性表面結構上[33]?？傮w來看，特殊浸潤性表面具有耐堿耐鹽性。

圖8 酸堿鹽對特殊浸潤性表面接觸角的影響結果（相同的小寫字母代表特殊浸潤性表面經過酸堿鹽試驗后，對水接觸角無顯著性影響（p>0.05）；相同的大寫字母代表特殊浸潤性表面經過酸堿鹽試驗后，對酸奶接觸角無顯著性影響（p>0.05））

2.6 自清潔性能測試

特殊浸潤性表面的自清潔測試結果見圖9。由圖9可以看出，當將甲基藍粉和鄰苯二酚紫粉末模擬污垢放置在黏有特殊浸潤性表面的傾斜載玻片上時，經過2次水滴沖洗會迅速從表面滾落并將甲基藍粉末和鄰苯二酚紫粉末帶走直至沖洗到載玻片底部，留下干凈的特殊浸潤性表面，說明特殊浸潤性表面有著良好的自清潔性能。

2.7 抗污性能測試

特殊浸潤性表面的抗污性能測試結果見圖10。由圖10可知，將特殊浸潤性表面完全浸潤甲基藍溶液中，浸潤30 s后，抽出特殊浸潤性表面時，可以觀察到表面不帶有藍色溶液，同樣將樣品浸泡2、5、10 min后表面仍保持干凈并未被潤濕污染（與浸潤30 s結果相同，因此未標示相關圖片），證明特殊浸潤性表面有良好的抗污性能。

2.8 酸奶殘留量

特殊浸潤性表面對酸奶殘留量的影響如圖11所示。由圖11可知，酸奶在特殊浸潤性表面的殘留量為(3.77±1.99)%，原始PS基材的殘留量(15.12± 2.77)%，相比之下，特殊浸潤性表面的殘留量顯著低于原始PS基材的殘留量（<0.05）。這說明酸奶在特殊浸潤性表面上的附著力變小，能有效地減少酸奶與表面間的黏附性，表明表面的防黏性能較好。

圖9 特殊浸潤性表面的自清潔測試

圖10 特殊浸潤性表面浸潤30 s的抗污性能結果

圖11 特殊浸潤性表面對酸奶殘留量的影響（相同的小寫字母代表特殊浸潤性表面對酸奶殘留量有顯著性影響）

3 結論

本研究分別考察了棕櫚蠟、二氧化硅和羧甲基纖維素鈉的添加量對表面液體浸潤性的影響，構建了一種特殊浸潤性表面。結果顯示，當CW添加量為3 g、SiO2添加量為0.9 g、CMC–Na添加量0.6 g時，涂層表面對酸奶的接觸角為(141.32±5.43)°，滾動角為(7.51± 2.86)°，酸奶殘留量為(3.77±1.99)%。另外，酸奶成分對特殊浸潤性表面潤濕性的影響，也是提高酸奶在特殊浸潤性表面上滾動性需要探索的一個方向?？偟膩碚f，該特殊浸潤性表面的防黏附性能好，可以用于酸奶的包裝，抑制酸奶的黏附，并為液體黏性流體食品的包裝改善提供理論依據。

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Fabrication of Special Wettability Surface and Application in Inhibition of Yogurt Adhesion

a,a,a,b,a

(a. College of Food Science and Engineering, b. Jilin Province Key Laboratory of Human Health State Identification and Function Enhancement, Changchun University, Changchun 130022, China)

Plenty of residual yogurt is always adhere to the inner face of the package after daily drink, causing severe waste of food resource. Thus, a special wetted surface was fabricated to inhibit the adhesion phenomenon of yogurt, which was used to reduce the residual amount of yogurt.

In this study, the carnauba wax, silica and sodium carboxymethyl cellulose were used as the original materials which could be developed a hydryphobic surface. 3 g carnauba wax and 0.9 g silica were dissolved in 100 mL absolute ethyl alcohol and was taken a water bathe at 80 ℃ for 30 min in a magnetic stirring equipment. While 0.6 g sodium carboxymethyl cellulose was dissolved in 100 mL deionized water at 75 ℃ for 30 min. Afterwards, the ethyl alcohol solution and the water solution were mixed together with a volume ratio of 2:1 and spayed on the polystyrene sheets to form a special wettable surface in 75 ℃ for 30 min. Then, the special wettability surface was characterized comprehensively. A scanning electron microscope and a Fourier infrared spectrometer were utilized to analyze the morphology and the constitute of the special wetting surface. At the same time, the chemical stability test, self-cleaning property test, anti-pollution test, and inadhesion test were all performed verify the applicability of the special wetted surface. Lastly, the residual amount of yogurt was detected to verify the applicability of the special wettability surface.

The typical micro-nano structure could be observed on the special wettability surface. Meanwhile, carnauba wax, silica and sodium carboxymethyl cellulose could be integrally fused to constitute the special wetted surfaces, which could be concluded from the Fourier infrared spectroscopy curves. The contact Angle of water on the special wetted surface was (131.34±3.61)°, but water could not be rolled freely probably due to the existence of hydrogen bonds between the sodium carboxymethyl cellulose and water. Besides, The contact Angle, rolling Angle of yogurt on the wettability surface were (141.32±5.43)° and (7.51±2.86)°, respectively, indicating great inhibition adherence of the yogurt on the special wetted surface. Alkali resistance and salt resistance tests showed that the contact angles of yogurt on the special wettability surfaces were (132.00±5.75)° and (130.18±6.09)° after soaking for 24 h, respectively, without significant decrease compared to the original wettability surface (141.32±5.43)° (<0.05). However, after acid resistance test, the contact angle of yogurt on the special wettability surface decreased dramatically to (112.39±8.84)° (<0.05). It could be inferred that the acid solution contained a lot of H+which could easily bind to the sodium carboxymethyl cellulose, damaging the integrity of the special wettability surface. In addition, the residual results of methyl blue powder and solution showed that the fabricated surface had good self-cleaning performance. And the residual amount of yogurt was significantly decreased from (15.12±2.77)% to (3.77±1.99)% compared the pristine polystyrene sheets with the coated sheets (<0.05). Although yogurt is a complicated liquid system which contained nutrient substances such as lactose, lipid, protein and lactic acid, the special wettability surface could be served as an efficient package material to reduce the adhesion of yogurt significantly.

Totally, the special wettable surface has good chemical stability, self-cleaning and non-viscosity, which can effectively reduce the waste of yoghurt resources, and also provides a theoretical basis for the packaging design of liquid viscous fluid food.

special wettable surface; spray method; chemical stability; self-cleaning property; yogurt; residual quantity

2021-08-17；

2022-01-05

LIU Shu-qiu (1997-), Female, Postgraduate, Research focus: fabrication of special wettability surface.

侯聚敏（1985—），男，博士，講師，主要研究方向為仿生表面構建與應用、小漿果貯藏與加工。

HOU Ju-min (1985-), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: fabrication and application of bionic surface, storage and production of small berry.

盧敏（1963—），女，博士，教授，主要研究方向為谷物貯藏與加工。

LU Min (1963-), Female, Doctor, Professor, Research focus: storage and production of cereal.

劉淑秋, 蘇夢琪, 侯聚敏, 等.特殊浸潤性表面構建及其抑制酸奶黏附的研究[J]. 表面技術, 2022, 51(9): 300-310.

TB34

A

1001-3660(2022)09-0300-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–08–17；

2022–01–05

長春大學攀登計劃項目（zkp202029/2020JBD26L45）；長春大學科研培育項目春蕾基金項目（zkc201909/2019JBC26L35）；中國博士后科學基金第65批面上資助項目（2019M651212）；吉林省教育廳“十三五”科學技術研究項目（JJKH20191208KJ）

Fund：The Climbing Plan Project of Changchun University (zkp202029/2020JBD26L45); the Chunlei Fund Project of Changchun University (zkc201909/2019JBC26L35); the 65th China Postdoctoral Science Funded Projects (2019M651212); the 13th Five-Year Plan Scientific and Technological Research Project of Jilin Provincial Department of Education (JJKH20191208KJ)

劉淑秋（1997—），女，碩士研究生，主要研究方為特殊浸潤性表面的構建。

LIU Shu-qiu, SU Meng-qi, HOU Ju-min, et al. Fabrication of Special Wettability Surface and Application in Inhibition of Yogurt Adhesion[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 300-310.

責任編輯：萬長清