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陜科大王學(xué)川教授/黨旭崗副教授《Food Chem.》：生態(tài)友好型生物質(zhì)基多功能抗菌包裝膜
2023-12-06  來(lái)源：高分子科技

  隨著塑料的大量廣泛使用，石油資源枯竭和環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)引起了嚴(yán)峻的可持續(xù)挑戰(zhàn)。環(huán)境和消費(fèi)者的關(guān)注促進(jìn)了生物基材料的發(fā)展，使用可再生資源來(lái)開發(fā)生物基包裝材料，可以產(chǎn)生較小的碳足跡，減少對(duì)環(huán)境的影響，提高消費(fèi)者的接受度，保持包裝物品的阻隔性和保質(zhì)期，并允許可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)綠色安全、可生物降解的包裝薄膜作為不可生物降解塑料包裝的替代品具有重要意義，相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際食品領(lǐng)域著名期刊Food Chemistry。


  最近，陜西科技大學(xué)王學(xué)川教授與黨旭崗副教授報(bào)告了一種應(yīng)用于食品保鮮的生物質(zhì)基多功能薄膜。該工作巧妙地利用明膠(Gel)良好的成膜性、可食用性和可生物降解性，以及氧化玉米淀粉基非離子生物聚合物（OCSI）優(yōu)異的抗菌活性、不可浸出性和生物相容性，成功制得具有良好機(jī)械性能、生物相容性、水蒸氣阻隔性能、抗氧化活性、抗紫外線性能、耐水性和抗菌殺菌特性的新型生物質(zhì)基多功能抗菌包裝膜（G-OCSI）。同時(shí)，G-OCSI在自然環(huán)境中具有良好的生物降解性，并能明顯加速作物生長(zhǎng)。此外，香蕉保鮮實(shí)驗(yàn)證實(shí)G-OCSI可顯著延長(zhǎng)香蕉在室溫下的保質(zhì)期至少3天。可生物降解包裝膜不僅實(shí)現(xiàn)了天然生物質(zhì)資源的可持續(xù)利用，而且具有替代傳統(tǒng)石油基塑料的潛力。 


圖1 G-OCSI的合成、性能和應(yīng)用


  圖2展示了G-OCSI的合成示意圖以及不同OCSI含量對(duì)G-OCSI理化性質(zhì)的影響。不同OCSI含量對(duì)G-OCSI的影響主要體現(xiàn)在薄膜的結(jié)晶度、交聯(lián)程度和熱穩(wěn)定性等方面，其中G-OCSI0.25具有良好的交聯(lián)程度和熱穩(wěn)定性。 


圖2 G-OCSI的合成路線示意圖（a），傅立葉變換紅外光譜（b），XRD光譜（c），XPS全譜和高分辨率XPS C 1s和N 1s光譜（d-j），Gel膜和G-OCSI的TGA曲線（k），DTG曲線（l）和DSC曲線（m），以及G-OCSI0.25、G-OCSI0.5和G-OCSI2的DSC曲線（n）。


  圖3展示了不同含量的OCSI對(duì)G-OCSI功能特性的影響。G-OCSI0.25顯示出良好的耐水性（WCA: 122.30 °）、機(jī)械性能、水蒸氣阻隔性能、抗氧化活性（DPPH RSA: 85.84%）以及優(yōu)異的紫外線阻隔性能（UV blocking >99.9%）、抗菌性能（Inhibition zone diameter > 15.00 mm）、生物相容性？梢姡Gel與OCSI的交聯(lián)改性有效改善了Gel膜的耐水性差、質(zhì)地脆，以及OCSI成膜力學(xué)性能不足的缺陷，賦予了G-OCSI多功能特性。 


圖 3 Gel膜和 G-OCSI 的水接觸角（a）,溶脹率和水溶率（b），拉伸性能（c-d）、紫外-可見光透射光譜（e），UV-A（320-400 nm）和UV-B（280-320 nm）阻隔性能（f），水蒸氣滲透性（g）和抗氧化性能（h）；OCSI 的最低抑菌濃度（i），G-OCSI 的抑菌圈直徑（j），圓盤擴(kuò)散試驗(yàn)的培養(yǎng)皿圖像（k），其中，OCSI 的最低抑菌濃度（I和 I''），G-OCSI 的抗菌效果（II和 II''），DMF 用于對(duì)照實(shí)驗(yàn)。E.coli和S.aureus在Gel膜和G-OCSI上培育的SEM圖像（i）；CHL細(xì)胞在G-OCSI浸提液中的細(xì)胞活性（m）和熒光顯微鏡圖像（n）。


  圖4展示了G-OCSI在天然土壤中的生物降解性。與Gel膜、G-OCSI0.33、G-OCSI0.5和G-OCSI1相比，G-OCSI0.25的完全可生物降解需要更多時(shí)間( >5周)，這可能是因?yàn)?/span>G-OCSI0.25的結(jié)構(gòu)更致密、溶脹率更低，并且其良好的抗菌性能降低了微生物的活性，導(dǎo)致相同時(shí)間內(nèi)的生物降解速度較慢。此外，油菜種子在G-OCSI0.25降解后的土壤中生長(zhǎng)狀態(tài)優(yōu)于對(duì)照組（Gel膜），可能原因是G-OCSI0.25降解后對(duì)土壤有增肥作用，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。 


圖4 不同間隔時(shí)間的Gel膜和G-OCSI的生物降解圖像(a)；天然土壤中G-OCSI的生物降解機(jī)制(b)；油菜種子在Gel膜和G-OCSI0.25降解后土壤中的生長(zhǎng)圖像(c)。


  綜合研究了G-OCSI的微觀結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能、水蒸氣阻隔性、抗菌性、抗氧化性和生物降解性。篩選出性能優(yōu)越的G-OCSI0.25，進(jìn)一步分析了將其用作香蕉保鮮包裝的前景。圖5展示了覆蓋有Gel膜、PE塑料和G-OCSI0.25的PE杯包裝的香蕉在儲(chǔ)存期間的外觀變化和質(zhì)量變化，與對(duì)照組（空氣、Gel膜、PE塑料）相比，G-OCSI0.25顯著延長(zhǎng)了香蕉的保質(zhì)期至少3天，表明了G-OCSI是一類具有實(shí)用價(jià)值的水果保鮮材料。 


圖5 室溫下覆蓋有測(cè)試薄膜的香蕉的外觀變化(a)；不同間隔時(shí)間香蕉的重量損失(b)；Gel膜和G-OCSI0.25的外觀變化(c)。


  該研究成果以“Engineering eco-friendly and biodegradable biomass-based multifunctional antibacterial packaging films for sustainable food preservation”為題于近日發(fā)表于國(guó)際著名期刊Food Chemistry（DOI:  10.1016/j.foodchem.2023.138119）。陜西科技大學(xué)碩士研究生杜永梅為該論文的主要完成人，通訊作者是陜西科技大學(xué)生物質(zhì)與功能材料研究所黨旭崗副教授。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.138119

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