一种低银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种低银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜及其制备方法与应用，属于功能性纳米材料技术领域。

背景技术

在食品储存和运输过程中，包装对食品安全和品质的保障起着至关重要的作用。近年来，由于石油基塑料包装材料引发的环境问题亟待解决，生物基（蛋白质、多糖、脂类）可降解包装材料成为研究热点。然而，生物基包装膜通常具有较低的机械性能和阻隔性能，限制了其工业化应用，因此对生物基包装膜的改性研究成为当前研究的新热点。利用无机纳米粒子作为填充物制备纳米复合膜是提高生物基包装膜机械性质和阻隔性能的有效途径之一。纳米填充物不仅可以提高生物聚合物膜的机械性能和阻隔性能，还可以作为抗菌试剂、传感器和气体清除剂。

银纳米颗粒（Ag NPs）由于具有强且广谱的抗菌性能而被广泛用于制备纳米抗菌包装膜。Bahrami等将购买的Ag NPs（8-10nm）添加到黄蓍胶-羟丙基甲基纤维素-蜂蜡三元复合膜中构成银含量2%~8%（以聚合物干重计）的纳米复合膜，发现复合膜对8种食品致病菌具有强的抗菌性能，但由于聚合物基质与纳米颗粒间相互作用弱，高含量Ag NPs倾向于团聚并形成孔洞，影响了膜的机械性能。Kanmani等利用明胶与AgNO3溶液原位反应形成10~40mg银含量(以明胶干重计，0.2%~0.8%)的明胶/Ag NPs复合膜，结果发现0.2%银含量的复合膜对大肠杆菌（E. coli）等菌株无抗菌活性。Skankar等将5种不同来源Ag NPs与海藻酸钠混合制备了银含量0.375%（以海藻酸钠质量计）的海藻酸钠/AgNPs复合膜，结果发现不同来源的Ag NPs对复合膜的机械性能、水蒸气阻隔性能和抗菌性能的影响不同，含金属Ag NPs和激光烧蚀Ag NPs的复合膜对2种食源致病菌没有抗菌性能。

生物基纳米复合膜的抗菌效率与Ag NPs的尺寸、尺寸分布、颗粒聚集程度和银含量以及银与基质间的相互作用密切相关。Ag NPs均匀分散在聚合物基质中才能更好的发挥Ag NPs的抗菌性能。降低复合膜中银的含量并增强Ag NPs与聚合物基质间的相互作用，可以降低Ag NPs在包装使用中迁移的风险。但已报道的Ag NPs复合膜普遍存在银含量较高的问题，并且不同银含量的复合膜中Ag NPs粒径差异大，在高的银含量下颗粒有团聚现象。此外，Ag NPs与成膜基质间缺乏化学相互作用。因此有必要研究如何制得粒径均一的Ag NPs，并选择合适的聚合物基质与其组合制备低银含量的生物基纳米复合包装材料。

鱼明胶由于可降解、安全性高，且成膜性好，在生物基包装方面具有巨大的潜力。同时，鱼明胶具有高的侧链反应活性，是制备贵金属纳米材料的理想材料。但目前对利用鱼鳞明胶还原制备Ag NPs，并将其用于鱼鳞明胶膜改性的研究未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜，AgNPs与鱼鳞明胶-琼脂复合膜具有好的相容性，并存在强的化学相互作用。

本发明还提供一种低银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜的制备方法，以鱼鳞明胶作为还原剂和稳定剂与银氨离子反应制备Ag NPs，将Ag NPs与鱼鳞明胶溶液和琼脂溶液混合，通过溶液浇注法制备低银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜。

本发明的目的还在于提供一种低银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜的应用，用于包装或膜液涂膜保鲜蔬菜、水果和食品等。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

以鱼鳞明胶作为还原剂和稳定剂，在碱性条件下与银氨离子反应制备Ag NPs溶胶，将Ag NPs溶胶与鱼鳞明胶溶液和琼脂溶液混合，通过溶液浇注法制备银含量低的鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜。具体工艺步骤如下：

（1）在搅拌条件下，将鱼鳞明胶溶液与NaOH溶液和[Ag(NH

（2）将鱼鳞明胶溶液与琼脂溶液等体积混合，加入一定质量的甘油，均质处理后加入体积为膜液体积0、1%、2%、3%、4%、5%的Ag NPs溶胶，搅拌均匀后再行脱泡处理，调制成复合膜液；

（3）将调制好的复合膜液均匀地涂在有机硅树脂框内，置于恒温恒湿箱中干燥，制备成鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜。将膜从有机硅树脂上剥离，在恒温恒湿箱中平衡一定时间后用于测试；

在步骤（1）中，所述鱼鳞明胶溶液与NaOH溶液和[Ag(NH

在步骤（2）中，所述鱼鳞明胶溶液与琼脂溶液等体积混合，是将50 mL40g/L鱼鳞明胶溶液（溶液配制方法同上）与50mL12g/L琼脂溶液（由琼脂经95℃加热溶解配制而成）混合；所述甘油加入的质量为鱼鳞明胶质量的20%；所述Ag NPs溶胶加入的体积为1、2、3、4和5mL；

在步骤（3）中，所述将调制好的复合膜液均匀地涂在有机硅树脂框内，是将4g复合膜液倒在5 cm×5 cm的有机硅树脂框内；所述干燥和平衡条件均为(25±1)℃温度、（50±5）%相对湿度（RH），干燥时间为24 h，平衡时间为48 h。

所述鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜中Ag NPs的含量（以膜基质明胶和琼脂干重计）为0.04%、0.08%、0.12%、0.15%和0.19%。

本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

（1）本发明采用生物还原方法，以来源丰富的鱼鳞明胶与银氨离子反应制备Ag NPs，鱼鳞明胶同时发挥还原剂、稳定剂和分散剂等多重作用，无需外加化学保护试剂，一步合成粒径较为均一的Ag NPs，具有反应条件温和、操作简单、绿色环保等特点；

（2）以鱼鳞明胶生物还原方法制备的Ag NPs不仅可以在较低的银含量下有效改善鱼鳞明胶-琼脂复合膜的理化性能，还赋予复合膜良好的抗菌性能，将鱼鳞明胶还原制备的AgNPs与鱼鳞明胶-琼脂混合是制备低银含量鱼鳞明胶抗菌包装膜的有效方法；

（3）本发明制备的鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜应用于食品保鲜安全性较高，应用前景广阔。

附图说明：

图1为鱼鳞明胶还原银氨离子制得Ag NPs的UV-Vis光谱图。

图2为鱼鳞明胶还原银氨离子制得Ag NPs的TEM图。

图3为鱼鳞明胶还原银氨离子制得Ag NPs的XRD图。

图4为不同银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜的SEM图。

图5 为不同银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜的FTIR图。

图6为不同包装材料包装对枇杷的保鲜效果。

图7为不同涂膜包装对枇杷保鲜的效果。

具体实施方式

实施例1. 鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜的制备，具体步骤如下：

（1）鱼鳞明胶经常温溶胀30 min，60℃加热溶解1 h，配制成质量分数为10%的溶液。取5mL质量分数为 10%的明胶储备液于250 mL磨口锥形瓶中，加入2 mL 40 g/L NaOH溶液和83mL去离子水，振荡均匀后加入10 mL 10 g/L [Ag(NH

（2）按步骤1方法配制质量浓度为40g/L的鱼鳞明胶溶液。琼脂经95℃加热溶解，配制成质量浓度为12g/L的溶液。将鱼鳞明胶溶液与琼脂溶液等体积(50 mL+50 mL)混合，加入质量为鱼鳞明胶质量20%的甘油，均质处理后加入体积为膜液体积0、1%、2%、3%、4%和5%的AgNPs溶胶（Ag质量浓度为1 g/L），搅拌均匀后再行脱泡处理，调制成复合膜液；

（3）将4 g调制好的鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜液均匀地涂在5 cm×5 cm的有机硅树脂框内，置于(25±1)℃温度、（50±5）%相对湿度（RH）的恒温恒湿箱中干燥24 h，制备成鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜。0、1%、2%、3%、4%和5% 6种不同体积分数Ag NPs复合膜的银含量（以膜基质明胶和琼脂干重计）分别为0.04%、0.08%、0.12%、0.15%和0.19%。

实施例2. 鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜的制备，具体步骤如下：

（1）鱼鳞明胶经常温溶胀30 min，60℃加热溶解1 h，配制成质量分数为10%的溶液。取7.5 mL质量分数为 10%的明胶储备液于250 mL磨口锥形瓶中，加入3 mL 40 g/L NaOH溶液和79.5 mL去离子水，振荡均匀后加入10 mL 10 g/L [Ag(NH

（2）按步骤1方法配制质量浓度为40g/L的鱼鳞明胶溶液。琼脂经95℃加热溶解，配制成质量浓度为12g/L的溶液。将鱼鳞明胶溶液与琼脂溶液等体积(50 mL+50 mL)混合，加入质量为鱼鳞明胶质量20%的甘油，均质处理后加入体积为膜液体积0、1%、2%、3%、4%和5%的AgNPs溶胶（Ag质量浓度为1 g/L），搅拌均匀后再行脱泡处理，调制成复合膜液；

（3）将4 g调制好的鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜液均匀地涂在5 cm×5 cm的有机硅树脂框内，置于(25±1)℃温度、（50±5）%相对湿度（RH）的恒温恒湿箱中干燥24 h，制备成鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜。0、1%、2%、3%、4%和5% 6种不同体积分数Ag NPs复合膜的银含量（以膜基质明胶和琼脂干重计）分别为0.04%、0.08%、0.12%、0.15%和0.19%。

实施例3. 鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜的制备，具体步骤如下：

（1）鱼鳞明胶经常温溶胀30 min，60℃加热溶解1 h，配制成质量分数为10%的溶液。取15 mL质量分数为 10%的明胶储备液于250 mL磨口锥形瓶中，加入2 mL 40 g/L NaOH溶液和73 mL去离子水，振荡均匀后加入10 mL 10 g/L [Ag(NH

（2）按步骤1方法配制质量浓度为40g/L的鱼鳞明胶溶液。琼脂经95℃加热溶解，配制成质量浓度为12g/L的溶液。将鱼鳞明胶溶液与琼脂溶液等体积(50 mL+50 mL)混合，加入质量为鱼鳞明胶质量20%的甘油，均质处理后加入体积为膜液体积0、1%、2%、3%、4%和5%的AgNPs溶胶（Ag质量浓度为1 g/L），搅拌均匀后再行脱泡处理，调制成复合膜液；

（3）将4 g调制好的鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜液均匀地涂在5 cm×5 cm的有机硅树脂框内，置于(25±1)℃温度、（50±5）%相对湿度（RH）的恒温恒湿箱中干燥24 h，制备成鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜。0、1%、2%、3%、4%和5% 6种不同体积分数Ag NPs复合膜的银含量（以膜基质明胶和琼脂干重计）分别为0.04%、0.08%、0.12%、0.15%和0.19%。利用SEM对0、0.04%%和0.19%三种银含量复合膜膜的表面形貌进行观察，结果见图4所示。由图4可知，未加Ag NPs的鱼鳞明胶-琼脂复合膜表面结构完整、均匀平滑，说明鱼鳞明胶和琼脂两个聚合物具有很好的相容性。添加0.04% Ag NPs的复合膜表面更为完整，但没有看到Ag NPs在膜表面的分布。添加0.19% Ag NPs的复合膜表面的完整性和平滑性保持良好，并能明显看出Ag NPs在其表面均匀分布。加入Ag NPs后鱼鳞明胶-琼脂复合膜表面保持良好的均匀性，说明由鱼鳞明胶作为还原剂和稳定剂制备的Ag NPs与成膜基质鱼鳞明胶和琼脂具有好的相容性。

利用FTIR分析复合膜中Ag NPs与基质间的相互作用，结果如图5所示。由图5A可知，未加 Ag NPs的鱼鳞明胶-琼脂复合膜在3500-650cm

由图5B、5C可知，在生物基质中添加Ag NPs后，FTIR谱带位移明显，当Ag NPs含量为0.04%时，3306cm

将膜从有机硅树脂上剥离，在(25±1)℃温度、（50±5）% RH的恒温恒湿箱中平衡48 h后用于测试。制备的不同银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜的厚度、拉伸强度（TS）、断裂伸长率（EAB）、水蒸气透过率（WVP）和膜溶解率测试结果如表1所示。由表1可知，随着银含量的增加，复合膜的断裂伸长率、水蒸气阻隔性能和耐水性能显著增强，而膜厚度和拉伸强度无明显变化。说明鱼鳞明胶还原制备的Ag NPs可以在0.04%~0.19%较低的银含量下有效改善鱼鳞明胶-琼脂复合膜的机械性能、水汽阻隔性能和耐水性能。

表1 复合膜的厚度、拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过率和膜溶解率

注：同列肩标小写字母不同表示差异显著（P＜0.05）。

制备的不同银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜对大肠杆菌E. Coli、 枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis、粪肠球菌 Enterococcus faecalis 和 霍乱弧菌Vibriocholerae的抑菌环实验结果见表2。由表2可知，未加Ag NPs的复合膜无抑菌性能，添加AgNPs后复合膜对4株测试菌均产生了明显的抑菌效果，且随着银含量的增大，抑菌圈直径逐渐增大，抑菌性能逐渐增强。说明本发明制备的鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜可以在0.04%~0.19%较低的银含量下具有良好的抑菌能力。

表2 复合膜对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、粪肠球菌和霍乱弧菌的抑菌效果

实施例4. 鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜的保鲜应用

（1）鱼鳞明胶经常温溶胀30 min，60℃加热溶解1 h，配制成质量分数为10%的溶液。取7.5 mL质量分数为 10%的明胶储备液于250 mL磨口锥形瓶中，加入2 mL 40 g/L NaOH溶液和79.5 mL去离子水，振荡均匀后加入10 mL 10 g/L [Ag(NH

（2）按步骤1方法配制质量浓度为40g/L的鱼鳞明胶溶液。琼脂经95℃加热溶解，配制成质量浓度为12g/L的溶液。将鱼鳞明胶溶液与琼脂溶液等体积(50 mL+50 mL)混合，加入质量为鱼鳞明胶质量20%的甘油，均质处理后加入体积为膜液体积1%的 Ag NPs溶胶（Ag质量浓度为1 g/L），搅拌均匀后再行脱泡处理，调制成鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜液；

（3）将4 g调制好的鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜液均匀地涂在5 cm×5 cm的有机硅树脂框内，置于(25±1)℃温度、（50±5）%相对湿度（RH）的恒温恒湿箱中干燥24 h，制备成0.04%银含量（以膜基质明胶和琼脂干重计）鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜。制备的0.04%银含量鱼鳞明胶-琼脂-Ag NPs复合膜包装对枇杷的保鲜效果如图6所示。由图6可知，与鱼鳞明胶-琼脂复合膜、泡沫网套、PE保鲜袋相比，添加0.04%Ag NPs的鱼鳞明胶-琼脂复合膜能有效抑制枇杷果实的腐烂和水分散失，从而延长枇杷的贮藏时间；

（4）将枇杷在步骤（2）所得复合膜液中浸渍10 s后捞出，常温晾干，涂膜对枇杷的保鲜效果如图7所示。由图7可知，与未涂膜和未加Ag NPs鱼鳞明胶-琼脂复合膜液涂膜相比，鱼鳞明胶-琼脂-AgNPs复合膜液涂膜可以更有效地抑制枇杷果实的腐烂和水分散失。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。