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陜科大王學川教授/黨旭崗副教授《Food Chem.》:生態友好型生物質基多功能抗菌包裝膜
2023-12-06  來源:高分子科技

  隨著塑料的大量廣泛使用,石油資源枯竭和環境問題的出現引起了嚴峻的可持續挑戰。環境和消費者的關注促進了生物基材料的發展,使用可再生資源來開發生物基包裝材料,可以產生較小的碳足跡,減少對環境的影響,提高消費者的接受度,保持包裝物品的阻隔性和保質期,并允許可持續發展。因此,開發綠色安全、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,相關研究成果發表于國際食品領域著名期刊Food Chemistry


  最近,陜西科技大學王學川教授與黨旭崗副教授報告一種應用于食品保鮮的生物質基多功能薄膜。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基多功能抗菌包裝膜(G-OCSI)。同時,G-OCSI在自然環境中具有良好的生物降解性,并能明顯加速作物生長。此外,香蕉保鮮實驗證實G-OCSI可顯著延長香蕉在室溫下的保質期至少3。可生物降解包裝膜不僅實現了天然生物質資源的可持續利用,而且具有替代傳統石油基塑料的潛力。 


1 G-OCSI的合成、性能和應用


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


2 G-OCSI合成路線示意圖(a傅立葉變換紅外光譜(bXRD光譜(cXPS全譜和高分辨率XPS C 1sN 1s光譜(d-jGel膜和G-OCSITGA曲線(kDTG曲線(l)和DSC曲線(m),以及G-OCSI0.25G-OCSI0.5G-OCSI2DSC曲線(n)。


  圖3展示了不同含量的OCSIG-OCSI功能特性的影響。G-OCSI0.25顯示出良好的耐水性(WCA: 122.30 °)、機械性能、水蒸氣阻隔性能、抗氧化活性(DPPH RSA: 85.84%)以及優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。可見,GelOCSI的交聯改性有效改善了Gel膜的耐水性差、質地脆,以及OCSI成膜力學性能不足的缺陷,賦予了G-OCSI多功能特性。 


 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(eUV-A320-400 nm)和UV-B280-320 nm)阻隔性能(f水蒸氣滲透性(g)和抗氧化性能(hOCSI 的最低抑菌濃度(iG-OCSI 的抑菌圈直徑j,圓盤擴散試驗的培養皿圖像(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 用于對照實驗。E.coliS.aureusGel膜和G-OCSI上培育的SEM圖像i);CHL細胞在G-OCSI浸提液中的細胞活性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-OCSI0.33G-OCSI0.5G-OCSI1相比,G-OCSI0.25的完全可生物降解需要更多時間( >5),這可能是因為G-OCSI0.25的結構更致密、溶脹率更低,并且其良好的抗菌性能降低了微生物的活性,導致相同時間內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狀態優于對照組(Gel膜),可能原因是G-OCSI0.25降解后對土壤有增肥作用,從而促進植物生長。 


4 不同間隔時間的GelG-OCSI的生物降解圖像(a);天然土壤中G-OCSI的生物降解機制(b);油菜種子在Gel膜和G-OCSI0.25降解后土壤中的生長圖像(c)


  綜合研究了G-OCSI的微觀結構、熱穩定性、機械性能、水蒸氣阻隔性、抗菌性、抗氧化性和生物降解性。篩選出性能優越的G-OCSI0.25,進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-OCSI0.25PE杯包裝的香蕉在儲存期間的外觀變化和質量變化,與對照組(空氣、Gel膜、PE塑料)相比,G-OCSI0.25顯著延長了香蕉的保質期至少3天,表明了G-OCSI是一類具有實用價值的水果保鮮材料。 


室溫下覆蓋有測試薄膜的香蕉的外觀變化(a);不同間隔時間香蕉的重量損失(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為題于近日發表于國際著名期刊Food ChemistryDOI:  10.1016/j.foodchem.2023.138119)。陜西科技大學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生物質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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(責任編輯:xu)
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