多功能抗菌活性包装材料的设计及其在果蔬保鲜中的应用

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果蔬是日常饮食中不可或缺的组成部分,为我们的健康提供了丰富的营养物质。果蔬采后需要经过包装、贮藏、运输和销售等环节才能到达消费者手中。然而果蔬的蒸腾作用和相对封闭的包装环境使得果蔬在流通过程中温度升高、湿度增加,从而激活病原菌的活性,侵染果蔬,导致大量的果蔬腐烂和变质。随着新技术和新材料的发展,新型活性包装系统在食品保鲜领域展现了独特的优势。与传统的食品包装相比,活性包装通过添加抗菌活性成分有效抑制采后病原菌的生长和活动,从而延长果蔬的货架期。本文基于果蔬包装环境的特点以及果蔬易腐烂的问题,构建了一种具有防结雾和抗菌双重功能的活性包装涂层以及三种新型智能响应抗菌活性包装材料,并探究了其在果蔬保鲜中的应用。主要研究内容如下:(1)设计了一种新型季铵盐壳聚糖/聚乙烯醇高效防雾抗菌涂层用于果蔬保鲜。首先,我们利用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵对天然壳聚糖改性,制备了具有优良吸湿性和抗菌性的水溶性季铵盐壳聚糖(HACC)。将HACC溶液与亲水性的成膜剂聚乙烯醇(PVA)溶液混合,采用流延法制备了HACC/PVA复合涂层。制备的HACC/PVA涂层可以有效防止因果蔬蒸腾作用引起的结雾现象,且能够减轻草莓果实的腐烂。该涂层兼具良好的透明性、防雾性、抗菌性以及生物相容性等优势,在果蔬保鲜中具有潜在的应用价值。(2)构建了一种湿度响应的纳米纤维膜用于抗菌剂的控制释放和果蔬保鲜。我们结合“Breath Figure”原理和静电纺丝技术制备了具有超高孔隙率的聚乳酸(PLA)多孔纳米纤维膜。采用浸渍法将百里香酚负载到纳米纤维的多孔结构中。最后用亲水的PVA/PEG涂层对孔洞进行封堵,得到湿度响应的抗菌包装膜。结果表明,湿度可以触发并控制多孔纳米纤维中百里香酚的释放。另外,该纳米纤维膜可以有效抑制草莓果实的腐烂。这种湿度响应型抗菌活性包装材料可以随着果蔬贮藏环境湿度的改变,实现对抗菌剂的智能释放,进而延长果蔬的保鲜期。(3)制备了一种光响应的协同抗菌纳米纤维膜用于果蔬保鲜。以中-四(4-羧基苯基)卟啉(H2TCPP)为有机配体,金属锆(Zr)为配位金属,采用溶剂热法合成了金属有机框架(MOF)材料(PCN-224)。之后将百里香酚负载到PCN-224的多孔结构中,再通过静电纺丝技术将负载百里香酚的PCN-224掺杂到普鲁兰多糖/聚乙烯醇(PUL/PVA)纳米纤维膜中制备得到抗菌纳米纤维膜。由于卟啉分子的光敏特性,该复合纳米纤维膜在可见光照射下可以产生单线态氧(1O2),并有效抑制了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。另外,该复合纳米纤维膜可以通过缓释百里香酚增强其抑菌效果。果蔬保鲜实验表明,这种负载百里香酚的光响应抗菌纳米纤维膜通过光动力杀菌和百里香酚的协同抗菌作用,有效抑制了草莓和葡萄果实的腐烂。(4)设计了一种果胶酶响应的纳米纤维膜用于抗菌剂的控制释放和果蔬保鲜。我们通过静电纺丝技术制备了 PLA多孔纳米纤维膜,并用聚乙烯亚胺(PEI)修饰,使纳米纤维表面带上正电荷。之后将百里香酚负载到PLA-PEI纳米纤维的多孔结构中。最后用带负电的果胶(pectin)通过静电吸附作用对多孔纳米纤维的孔洞进行封堵,制备得到果胶酶响应的抗菌纳米纤维膜。百里香酚的释放由病原菌产生的果胶酶触发,体外抗菌实验表明该纳米纤维可以有效抑制细菌和真菌的生长。另外,通过人工接菌的柑橘验证发现,该酶响应型抗菌包装材料可以抑制黑曲霉的生长。这种由果胶酶触发的释放系统可以智能感应果蔬表面的微生物,实现抗菌剂的可控和精准释放。
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