静电纺聚合物/肉桂精油纳米纤维膜的制备及性能研究

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食品抗菌包装可以有效地抑制食品表面微生物的生长,延长食品的货架期,保证食品品质。在食品抗菌包装采用的各种材料中,纳米抗菌包装材料因其独特的纳米效应而倍受人们的青睐。静电纺丝法是目前能够直接连续制备纳米纤维且操作方式温和的方法。利用静电纺丝法制备的纳米纤维膜具有纤维直径可控、孔隙率高及比表面积大等优良特性,使其在食品抗菌包装领域具有广阔的发展前景。迄今,尚未见利用静电纺丝技术将高分子聚合物和天然抗菌剂肉桂精油混纺为抗菌纳米纤维膜并应用于食品抗菌包装的报道,因此,本课题将肉桂精油加入生物可降解的聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)或聚乳酸(Polylactic acid, PLA)溶液中,利用静电纺丝技术制备可生物降解的抗菌纳米材料,然后考察其在包装保藏草莓和猪肉过程中的抑菌效果。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)植物精油的筛选。采用抑菌圈法从4种植物精油中筛选出抗菌能力最强的精油——肉桂精油(cinnamon essential oil, CEO),它对大肠杆菌(Escherichia coli, E.coli)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus, S.aureus)、沙门氏菌(Salmonella enteritidis, S. enteritidis)及单增李斯特菌(Listeria monocytogenes, L.monocytogenes)四种常见的食源性微生物均具有良好抑菌作用;(2)静电纺亲水性聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜的制备及性能研究。首先,通过优化纺丝参数,确定适宜的条件为:PVA、CEO及β-环糊精(β-cyclodextrin,β-CD)的浓度分别为6%、2%和2%(w/w),纺丝电压15kV,接收距离14cm,进样速率0.4mL/h。在上述条件下,得到纤维形貌良好、平均直径为240nm的亲水性纤维膜。其次,采用傅里叶红外变换光谱(Attenuated total reflectance-fouriertransform infrared,ATR-FTIR)、热重分析(Thermogravimetric analysis, TGA)对纳米纤维膜进行结构表征,结果表明CEO进入β-CD的空腔,且PVA、β-CD、CEO三者之间发生了相互作用;抑菌结果显示当膜浓度为4mg/mL(对应的CEO浓度为80μg/mL)时,其对E.coli和S.aureus的抑菌率达到90%以上。相比较流延法,静电纺丝法制备的PVA/CEO/β-CD纳米纤维膜的抗菌性更高。(3)静电纺疏水性聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜的制备及性能研究。首先以CEO为芯材,β-CD为壁材制备CEO/β-CD包合物。通过优化包合物制备条件,确定适宜的参数为CEO: β-CD=1:9,搅拌温度55°C,搅拌时间3h。在此条件下制备的包合物含油率为117.2mg/g。然后,通过优化纺丝参数,得到适宜的纺丝条件为:溶剂二氯甲烷:N,N-二甲基甲酰胺=3:1(v/v),PLA及CEO/β-CD包合物的浓度分别为10%和10%,纺丝电压14kV,接收距离12cm,进样速率2.2mL/h。在上述条件下,得到了CEO/β-CD包合物均匀分布、平均直径为320nm的疏水性纤维膜;采用FTIR、DSC等对纳米纤维膜进行结构表征,结果表明PLA、CEO及β-CD之间存在相互作用;抑菌效果显示当膜浓度为4mg/mL(对应的CEO浓度为46.88μg/mL)时,其对E.coli和S.aureus的抑菌率分别为89.5%和90.4%。同样地,相比较于溶液流延法,静电纺丝法制备的PLA/CEO/β-CD纳米纤维膜具有更强的抗菌性。(4) PVA/CEO/β-CD和PLA/CEO/β-CD抗菌纳米纤维膜的应用研究通过观察两种抗菌膜包装的草莓和猪肉外观变化和测定猪肉表面菌落总数,结果表明不做任何处理的草莓在第4天已基本腐烂,而两种抗菌纳米纤维膜包装的草莓在第6天时仍未出现腐烂现象;空白组猪肉表面的微生物菌落数在第3天时已超过腐败水平(106CFU/g),而两种抗菌纳米纤维膜包装的猪肉表面的微生物菌落数在第7天时才达到106CFU/g,可见这两种抗菌纳米纤维膜均能有效延缓草莓和猪肉的腐烂变质,二者有望用于不同种类食品的包装。本课题的研究将为开发新型的可生物降解的纳米抗菌包装材料提供依据,推动其在食品抗菌包装领域的应用。
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