柑橘皮/细菌纤维素复合膜的制备及其抗氧化抗菌活性的研究

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石油基塑料的不可生物降解性对环境造成了严重的负面影响,利用可生物降解的聚合物作为食品包装和医用伤口敷料的研究趋势愈发强烈。新型食品包装材料不仅要在机械和物理特性方面有所提高,还要求改良其抗氧化活性等性能。柑橘类水果加工行业产生大量果皮残渣,随意丢弃或处理不当的话将造成严重的生态问题。而柑橘皮富含多酚类等大量的生物活性物质,具有良好的抗菌和抗氧化作用。本试验以柑橘皮粉末为基质,将具有高聚合度、高结晶度以及高纯度的细菌纤维素(BC)作为增强剂添加到柑橘皮基质中,利用细菌纤维素独特的三维网状结构提高复合薄膜的机械性能,制备出一种具有生物活性的包装材料,使柑橘皮残渣得到了很好的回收利用。最后在复合材料中添加山梨酸,赋予该复合包装材料抗菌的性能。本试验的主要研究内容与结果如下:(1)分别制备3%和5%(w/w)的柑橘皮悬浮液,添加增塑剂甘油得到柑橘皮复合膜。再将0%、5%、10%、15%四种浓度的BC添加到柑橘皮复合膜中,制备出柑橘皮/细菌纤维素活性复合薄膜。(2)利用扫描电镜、X-衍射射线和红外光谱等方法对柑橘皮/细菌纤维素复合膜进行结构表征,结果表明:通过扫描电镜对复合膜表面结构进行观察,发现随着BC的添加,复合膜表面的孔洞减少,变得光滑,形成了更加致密的表层;通过对X-衍射射线分析,发现BC的添加使X-衍射峰变得更高、更尖,说明BC的添加提高了薄膜的聚合度,膜的内部网络结构更加均匀、致密。利用傅里叶红外光谱进行分析,发现柑橘皮基质与BC分子之间发生相互作用后并未出现新的峰,说明二者之间显示出良好的生物相容性。随着BC含量的增加(0%-15%),3%和5%(w/w)柑橘皮/细菌纤维素复合膜的含水量分别降为10.58%和20.20%,溶胀度降为10.15%和13.10%,溶解度降为23.09%和28.02%,孔隙率降为21.26%和30.63%。结果表明,BC的添加使复合膜形成更致密的网状结构,阻碍了复合膜与水分子之间的相互作用,有利于维持膜体结构的稳定性。对复合膜的机械性能进行测定,当3%柑橘皮复合膜的BC添加量为10%时,复合膜的最大负载从11.31 N提升至19.84 N,拉伸强度从4.92 MPa提升至为8.34 MPa。表明BC与柑橘皮基质之间产生了氢键,且随着BC浓度的增大,二者的交联密度增加,表现出复合膜拉伸强度的明显提高。但将BC含量提高至15%时,机械强度降为7.87 MPa。高浓度(15%)的BC会降低使聚合物之间的相互作用力,因此导致机械性能相对降低。(3)经过对柑橘皮/细菌纤维素复合膜各项性能的测定,确定基于柑橘皮基质的细菌纤维素复合膜的最佳工艺条件为:3%柑橘皮粉末、10%BC。(4)通过对活性复合膜的总酚释放量进行测定,在酒精食物模拟物中反应60 min时,3%柑橘皮/细菌纤维素复合薄膜的总酚释放量为0.0091 mg/g,明显多于脂肪模拟体系0.0061 mg/g的总酚释放量,说明该活性复合材料在脂肪含量较低的食品中能发挥更强的抗氧化作用。测定了改良后的复合膜材料对ABTS和DPPH自由基清除活性能力,结果显示:3%柑橘皮/细菌纤维素复合膜对ABTS自由基的清除活性为99.29%,对DPPH自由基的清除活性为95.60%,柑橘皮/细菌纤维素复合膜具有较好的抗氧化活性。(5)将不同浓度的山梨酸添加至柑橘皮/细菌纤维素复合膜,对细菌及酵母菌进行抗菌能力测定,结果显示:20%的山梨酸对大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和酵母菌的抑制率分别为85.53%、78.53%、77.66%、69.90%和94.21%。表明山梨酸改性后的复合膜对革兰氏阴性菌的抑制能力强于革兰氏阳性菌,对酵母菌的抑制能力更优,且复合膜的抗菌性能随山梨酸添加量的增加而增强。尽管目前山梨酸/柑橘皮/细菌纤维素活性复合材料的抗菌性能还低于许多抗生素,但其在食品包装和医用敷料方面仍具有一定的应用价值。
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