负载g-C3N4的抗菌纤维膜制备及其在蔬菜保鲜中的应用

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类石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种新型无机纳米材料,因其廉价、安全性高、无毒等优点,而在光催化领域受到广泛的关注。因此,其光催化特性在抗菌保鲜方面,具有一定的应用潜力,但目前对g-C3N4的抗菌研究还鲜有报道。冷等离子体是一种新型的表面修饰技术,可用于提高催化材料的活性。所以,本论文将冷等离子体表面处理技术与静电纺丝技术相结合,制备得到负载经冷等离子体表面改性g-C3N4颗粒的抗菌纤维膜,并应用于蔬菜的贮藏保鲜中。通过本研究为这种新型食品活性包装的开发及其应用研究提供了理论和实验基础。本论文首先以尿素为原料,通过高温煅烧法制备g-C3N4无机纳米材料,再利用冷等离子体对g-C3N4进行表面处理,得到无机抗菌材料。首先通过细菌细胞内的ATP、DNA、蛋白质等含量变化,探索g-C3N4-Plasma无机抗菌剂对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌机制。随后,利用静电纺丝法将g-C3N4-Plasma负载到纳米纤维上,获得具有抗菌活性的纤维膜。最终,通过在蔬菜贮藏保鲜中的应用,验证其抗菌效果。主要的研究结果如下:(1)以尿素为原料,通过高温煅烧法制备g-C3N4无机纳米材料,再利用冷等离子体表面处理,得到g-C3N4-Plasma无机抗菌剂。XRD、FT-IR、SEM、TEM、PL光谱、UV-vis光谱、粒径、Zeta电势和BET分析等一系列表征结果显示,g-C3N4具有类似石墨的薄片层状结构、具有可见光吸收带、具有较高的负电荷为-23.6 m V。同时,g-C3N4无机抗菌剂在冷等离子体处理前后的物理、化学等性质并没有发生显著的变化。(2)在自然光照条件下,0.5%(w/v)的g-C3N4-Plasma无机抗菌剂对金黄色葡萄球菌等八种食品中常见的细菌具有良好的抗菌活性,作用24 h后,杀菌率均达到99%以上。同时,在无光照条件下,g-C3N4-Plasma无机抗菌剂也显示了良好的抗菌性能。0.5%(w/v)的g-C3N4-Plasma无机抗菌剂对大肠杆菌生物膜和金黄色葡萄球菌生物膜也具有较好的清除效果,清除率分别达到了40.45%和47.59%。经回收后的g-C3N4无机抗菌剂依然具有良好的抗菌性能,可实现循环利用。(3)g-C3N4-Plasma无机抗菌剂对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌机理可以总结为:g-C3N4-Plasma无机抗菌剂破坏了细菌细胞膜的完整性,使得细胞膜的通透性增大,胞内大分子物质流失,ATP、DNA和蛋白质含量大幅减少,致使细菌无法正常维持生命活动,最终导致细菌死亡。(4)利用静电纺丝法制备g-C3N4-Plasma纳米纤维抗菌膜,通过SEM电镜观察g-C3N4-Plasma纳米纤维膜的微观形态,g-C3N4均匀分散在纤维中,纤维直径均匀、结构稳定。作用24 h后,铝箔纸、牛皮纸、保鲜膜等不同载体上的g-C3N4-Plasma纳米纤维膜的杀菌率均达到99.40%以上。在作用4天时,铝箔纸、牛皮纸、保鲜膜等载体上的g-C3N4-Plasma纳米纤维膜对小番茄、青椒、黄瓜、胡萝卜等四种蔬菜上的大肠杆菌O157:H7的杀菌率依然保持在99%左右。此外,感官评价实验结果还显示,g-C3N4-Plasma纳米纤维抗菌膜能够较好的保持蔬菜的颜色、风味等主要特性。
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