淀粉纳米微胶囊对淀粉基可降解活性薄膜性能影响研究

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为提高生物活性疏水小分子的生物利用度和在淀粉基可降解活性薄膜的加工过程中姜黄素的稳定性,利用脱支糯玉米淀粉为原料,采用超声辅助乳液液滴控制法制备淀粉纳米粒子负载姜黄素,并添加到淀粉基可降解薄膜中,研究淀粉含量、组成和姜黄素-淀粉纳米微胶囊添加量对淀粉基薄膜各项性能的影响机理、土壤降解性能和活性面包包装应用。主要结论如下:(1)淀粉纳米粒子由聚合度12的短直链淀粉通过自发形成左旋螺旋结构形成。粒度分布为56-254 nm,外观呈圆形或椭圆形,内部为空心结构。随后通过溶剂交换法使姜黄素负载于淀粉纳米粒的内部形成微胶囊,并通过氢键和疏水相互作用形成V型结晶结构,姜黄素位于淀粉纳米粒的内部。同时,微胶囊结构具有良好的热稳定性,在水中95℃以下不发生糊化,使姜黄素的稳定温度由200℃提高到250℃。此外,淀粉纳米粒子对姜黄素的最大负载量为85.2 mg/g,自由基清除效率达到76.2%(P(27)0.05)。因此,淀粉纳米粒子具有良好生物相容性,提高了姜黄素的稳定性和溶解度,能改善人体吸收利用。(2)为了探究淀粉含量和直/支比及姜黄素-淀粉纳米微胶囊的添加量对共混薄膜结构和性能的影响,采用挤出–热压法制备了一系列不同淀粉含量(30%~60%)、直链/支链比例(65/35~20/80)的淀粉及不同姜黄素-淀粉纳米微胶囊添加量(1%~3%)的聚己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸乙二醇酯(PBAT)及聚乳酸(PLA)共混薄膜。对薄膜进行扫描电镜观察和力学性能(拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量和邵氏硬度)、屏障性能测试(透水性、透光性和透油性)、表面疏水性、X-射线衍射、傅里叶变换红外光谱、热稳定性分析和色度测量。结果表明:淀粉含量在50%且直链淀粉比例在65%的薄膜表现出最高拉伸强度,显著降低了水蒸气渗透系数,略微增加了可见光透光率,而对透油性无显著影响。薄膜表面均匀,断裂面显示出淀粉相和聚酯相呈现双连续相缠绕结构,受力最均匀。FTIR观测到氢键增加,TGA和DSC结果显示,姜黄素-淀粉纳米微胶囊加入后,薄膜的热稳定提高。(3)研究发现淀粉含量增加,薄膜拉伸强度和杨氏模量先升高再降低,在50%时达到最大(18.82 MPa和449.8 MPa),对断裂伸长率有不良影响,与邵氏硬度呈正相关。水蒸气渗透系数提高,可见光透光率和透油系数逐渐下降。薄膜表面水接触角从高疏水性变成弱亲水性,102°→67.2°;淀粉中支链淀粉比例提高,对拉伸强度和杨氏模量有降低的趋势,而断裂伸长率升高(最大达到131.7%),与邵氏硬度呈负相关。水蒸气渗透系数、可见光透光率和透油系数均下降,阻隔性能均提高;无论是淀粉含量或直支比对薄膜紫外线屏障性能均无较大影响,均在99%以上。亲水性增强,水接触角68.6°→54.7°;姜黄素-淀粉纳米微胶囊添加量提高,对拉伸强度影响不显著,显著提高断裂伸长率,杨氏模量显著降低。显著降低了水蒸气渗透系数,略微增加了可见光透过率,对透油性无显著影响。水接触角从76.2°~77.6°,无显著影响。(4)为验证上述共混薄膜的土壤降解能力,选择自然环境的土壤而非高温堆肥进行土壤掩埋降解。降解研究发现淀粉成分可以促进降解,淀粉基薄膜在不需要人为干预的条件下土壤降解率高达78%-98.2%(120天),具有绿色环保的特点。姜黄素-淀粉纳米微胶囊不仅能改善薄膜的性能,而且赋予淀粉基薄膜抗氧化功能,在10天的贮藏期内,含姜黄素-淀粉纳米微胶囊的活性薄膜有效抑制了面包片的发霉和褐变,延长了包装中面包片的保质期。
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