【摘 要】
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食源性致病菌引起的食物浪费和食品安全问题不容忽视。使用杀菌包装膜包装食品是防止其受到食源性致病菌侵染的有效途径之一。但是,现有杀菌包装膜面临着杀灭不智能、杀灭不瞬时、杀灭不持续、杀灭力低等问题。包装膜内的杀菌功能物质也面临着成本高和稳定性差的挑战。为了解决这些问题,本论文借助纳米技术制备了4种不同类型的功能包装膜,测试了膜的杀菌效力并揭示了相应的杀菌机制,最后综合评价了膜在水果保鲜中应用的可行性。
【基金项目】
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国家自然科学基金（编号:21675127）；
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食源性致病菌引起的食物浪费和食品安全问题不容忽视。使用杀菌包装膜包装食品是防止其受到食源性致病菌侵染的有效途径之一。但是,现有杀菌包装膜面临着杀灭不智能、杀灭不瞬时、杀灭不持续、杀灭力低等问题。包装膜内的杀菌功能物质也面临着成本高和稳定性差的挑战。为了解决这些问题,本论文借助纳米技术制备了4种不同类型的功能包装膜,测试了膜的杀菌效力并揭示了相应的杀菌机制,最后综合评价了膜在水果保鲜中应用的可行性。论文主要研究内容和结果如下:1、自活化膜的制备及杀菌机制为了解决现有杀菌包装膜杀灭不智能的问题,首先采用静电自组装法制备了纳米片装石墨相碳氮化碳/壳聚糖纳米复合膜。通过扫描电镜、原子力显微镜、傅里叶变换红外光谱、Zeta电位、流变仪和X射线衍射对膜的形貌、结构以及成膜溶液的流变学性能进行了表征,通过热重分析仪、质构仪、接触角测量仪测试了膜的物化性能。采用杀菌效率和抑菌圈测量来评价膜的杀菌性能。采用储藏保鲜实验验证膜对柑橘的保鲜效果。通过溶血和细胞实验验证膜的安全性。结果表明,CS-NCN-30膜的综合性能最优,分子间氢键和静电相互作用使它形成了均匀致密的结构,Ra和Rq值分别为4.8 nm和6.2 nm。该膜的残留热为45.6%,接触角为102.4°,可以自激活杀死99.8±0.26%的大肠杆菌和99.9±0.04%的金黄色葡萄球菌,并能有效保鲜柑橘24天。在此基础上,进一步制备了纳米片状石墨相氮化碳/二硫化钼纳米点/魔芋葡甘聚糖复合膜。利用扫描电镜、透射电镜、高分辨透射电镜、高角度环形暗场、元素mapping和差式扫描量热仪等对膜进行了表征。通过抑菌圈测试、细菌固定观察和红外热成像等方式研究了膜的杀菌性能和机制。结果表明,KCNMo-10膜的综合性能最优,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别产生直径为12.3±1.5 mm和20.6±1.5 mm的抑菌圈,能够有效保鲜圣女果18天。2、类巴氏膜的制备及杀菌机制在自活化膜的基础上,为了进一步解决现有杀菌包装膜杀灭不瞬时的问题,采用溶液浇铸法制备了纳米片状石墨相氮化碳/氧化石墨烯/魔芋葡甘聚糖功能膜。通过扫描电镜、红外光谱、拉曼光谱、流变仪、差式扫描量热仪、接触角测量仪、质构仪和水蒸气透过率等方式测试了膜的形貌、结构、热性能、机械性能和疏水性能。利用抑菌圈测试、细菌固定观察、红外热成像和自由基清除实验研究了膜的类巴氏功能和杀菌机制。结果表明,KCNGO-10膜的综合性能最优,该膜具有优良的热稳定性,结构破坏温度为303°C,抗拉伸强度为29.4±3.5 MPa,断裂伸长率为6.9±0.4%,接触角为77.6°。该膜能够在4 min内将温度升高至55±1°C,并对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别产生直径为15.3±1.2 mm和21.0±2.6 mm的抑菌圈。羟自由基、超氧自由基和热的产生是膜瞬时杀灭的作用机制。在24天内,该膜能够有效地保持水果的“新鲜”特性并且对水果而言是安全无毒的。3、缓释膜的制备及杀菌机制在类巴氏膜的基础上,为了进一步赋予膜缓慢释放的功能和解决现有杀菌包装膜杀灭不持续的问题,将姜黄素装载到纳米中空石墨氮化碳中,并制备了纳米中空石墨氮化碳/姜黄素/壳聚糖纳米生物复合膜。通过扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射对膜进行了表征,利用质构仪、热重分析仪、接触角测量仪等分别对膜的机械性能、热性能和疏水性能进行测试。使用累计缓慢释放实验、杀菌效率和抑菌圈实验研究了膜的释放特性、杀菌活性和机制。结果表明,该膜的残留热为51.7%,平均接触角和水蒸气透过率分别为105.83°和105.03×10-5 g·mm·（m~2·h·k Pa）-1。该膜对大肠杆菌的杀菌效率和抑菌圈分别为83.3±1.0%和8.0±1.0 nm,对金黄色葡萄球菌的杀菌效率和抑菌圈分别为85.2±5.5%和8.7±1.5 nm。该膜展现了p H响应的释放特性和持续的杀菌活性,并能有效地保鲜小米蕉10天。4、高效力膜的制备及杀菌机制在缓释膜的基础上,为了应对食源性致病菌耐药带来的威胁和解决现有杀菌包装膜杀灭力低的问题,受叶绿体中类囊体的层层堆叠和放大镜聚光原理的启发,首先制备了类囊体状纳米三壁石墨相氮化碳基膜。通过扫描电镜、X射线衍射、比表面积测试、紫外可见漫反射、抑菌圈、细菌固定观察、凝固酶、BCA蛋白含量、核酸含量、ATP酶含量、ATP酶活性测试对膜的杀菌活性和杀灭机制进行了研究。结果表明,该膜所具有的高效杀菌活性源于膜的强化光动力和细菌代谢干预的杀灭机制。其次,受新冠病毒的冠状形貌和其超强穿越细胞膜能力的启发,制备了冠状纳米三壁石墨相氮化碳基膜。利用透射电镜、高分辨透射电镜、自由基清除实验、电子自旋共振、荧光活/死细菌染色、膜电位测试、红外热成像和TMB显色等研究了膜的杀菌活性和杀灭机制。结果表明,该膜所具有的高效杀菌活性源于其超强的膜穿透能力、光动力、类氧化酶活性、光热及保温效应的多协同杀灭机制。
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