【摘 要】
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在石油基塑料薄膜引起白色污染问题严重的背景下,可降解薄膜受到广泛关注。生物高分子材料多糖和蛋白质被用于制备高安全性薄膜,此类薄膜具有可降解性、一定程度的阻隔性和机械性能,随着食品工业的发展,它们将成为主要的食品包装膜。然而,关于不同环境下制备的可降解包装膜的性能尚还没有系统性研究报道。因此,本研究结合食品实际保存环境的温湿度制备薄膜,以羧甲基纤维素和明胶为膜基质,从微观尺度探究羧甲基纤维素与钙离子
【基金项目】
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陕西省重点研发计划项目(编号:2018-NY110);
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在石油基塑料薄膜引起白色污染问题严重的背景下,可降解薄膜受到广泛关注。生物高分子材料多糖和蛋白质被用于制备高安全性薄膜,此类薄膜具有可降解性、一定程度的阻隔性和机械性能,随着食品工业的发展,它们将成为主要的食品包装膜。然而,关于不同环境下制备的可降解包装膜的性能尚还没有系统性研究报道。因此,本研究结合食品实际保存环境的温湿度制备薄膜,以羧甲基纤维素和明胶为膜基质,从微观尺度探究羧甲基纤维素与钙离子和明胶的自组装行为以及不同环境条件下的成膜特征。同时,生物材料基膜是一类良好的载体,可用于承载功能活性物质。制备并表征抑菌/抗氧化生物活性复合膜,揭示竹叶抗氧化物/ε-聚赖氨酸掺入膜基质的方式,为羧甲基纤维素-明胶膜在食品包装工业中的开发应用提供参考依据。主要研究内容和结果如下:(1)研究干燥环境下温度和相对湿度对羧甲基纤维素薄膜表面微观结构的影响,并对薄膜的机械性能和水蒸气阻隔性能进行了评价。结果表明,羧甲基纤维素分子在5%氯化钙溶液中自组装成均匀的网络。羧甲基纤维素-明胶比例为1:1的复合材料形成连续结构。羧甲基纤维素-明胶成膜液分别在2-8℃、23℃、50℃和23℃通风条件下干燥成薄膜,薄膜表面孔洞的大小和数量均受到温度和相对湿度的影响。相应地,薄膜的机械性能和水蒸气透过性能与其结构密切相关。此外,当薄膜在2-8℃和-20℃下储存3、6、9、12天时,水蒸气的渗透和输送改变了复合薄膜的表面结构。(2)采用流延法以羧甲基纤维素-明胶为原料制备富集竹叶抗氧化物(Antioxidant of bamboo leaves AOB)的功能膜。采用原子力显微镜、傅里叶变换红外光谱仪和X-射线衍射仪(XRD)对薄膜的微观结构进行了研究,并测定了羧甲基纤维素-明胶膜的物理性质,包括成膜溶液的粘度、水蒸气透过性、机械性能、热力学性能和透明度。试验结果显示:AOB的加入没有引起功能膜表面结构特征的显著变化。XRD分析表明,AOB、羧甲基纤维素和明胶之间具有良好的相容性,羧甲基纤维素-明胶复合膜中明胶结晶消失,功能化膜中无衍射峰。AOB含量为0.2%的薄膜的粘度为779.2±26.2 m Pa·s,玻璃化转变温度为83.24℃,高于所有其他组样品。当AOB浓度超过0.2%时,薄膜的水蒸气渗透性和断裂伸长率显著降低。随着AOB含量的增加,薄膜对DPPH自由基的清除率和光阻隔性能增强。因此,本试验制备的抗氧化膜用于食品包装可以保护食品质量免受热、机械力、光和氧化自由基的破坏。(3)以不同浓度的ε-聚赖氨酸(ε-polylysineε-PL)与羧甲基纤维素-明胶共混制备了抗菌复合膜,并对其理化性能进行了表征。与对照羧甲基纤维素-明胶膜相比,功能化膜的结晶类型、厚度、抗拉强度和断裂伸长率几乎没有发生变化,但水蒸气阻隔性能较差。结果表明,红外光谱吸收峰的变化和玻璃化转变温度的升高证明ε-PL通过静电作用很好地融入羧甲基纤维素-明胶基质中。含有ε-PL的薄膜对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌有良好的抗菌活性。在堆肥试验中,薄膜在第七天已出现降解,并随着霉菌的生长而进一步降解。本试验的研究结果表明,这种活性薄膜可作为一种潜在的食品包装材料。(4)以羧甲基纤维素-明胶为基础,结合竹叶抗氧化物(AOB)和ε-聚赖氨酸(ε-PL)制备具有食品保鲜效果的生物活性包装膜。研究了薄膜的结构和物理性能,包括透湿性、机械性能、热稳定性、色度和光透过率。结果表明,生物活性膜的水蒸气阻隔性能和抗拉强度得到了改善。相应地,含有0.3%AOB和0.05或0.10%ε-PL的羧甲基纤维素-明胶膜的断裂伸长率分别显著降低至32.72±1.75%和10.48±1.90%。此外,生物活性膜的紫外和可见光阻隔性能增强,这主要是受AOB的影响。包裹生物活性膜的牛肉样品保存中的菌落总数和硫代巴比妥酸值的增加减缓,包覆活性膜的鲜切苹果的色度得到很好的保存,该生物活性膜用到食品保鲜中,具有良好的保鲜效果。根据羧甲基纤维素-明胶的自组装行为和成膜特征,以及承载竹叶抗氧化物或ε-聚赖氨酸功能活性物质的薄膜结构变化和性能参数,为食品活性包装膜的制备提供参考,此类生物活性薄膜有望成为食品包装行业的潜在应用材料。
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