一种碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜液及其复合膜的制备方法和应用

技术领域

本发明属于食品加工领域，具体涉及到一种碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜液及其复合膜的制备方法和应用。

背景技术

世界上约有三分之一的粮食损失或浪费，造成的损失高达1万亿美元。易腐食品，特别是新鲜水果和蔬菜的过早变质是供应链中食物浪费的主要原因，这主要是由于它们在收获后的寿命较短，容易变质。由于食品供应链涉及广泛的运输，繁重的过境和多层次的中间商，这种情况进一步恶化。为了延长易腐食品的保质期，人们发展了各种物理和化学包装技术。这些方法包括低温保存、控制气氛和塑料包装，它们的工作原理是减缓水果的呼吸速率，减少微生物的生长。当前石油基的塑料保鲜膜是零售中保鲜的常用手段，但是这些石油基的塑料制品功能单一，且难降解。一些特定的化学保存技术，如臭氧、过氧化氢和辐照，也被用来通过清除消除物来抑制腐败。然而，其中一些技术存在一些缺点，包括耗时、昂贵、对环境不友好，并且可能对水果和蔬菜造成不可逆转的损害。此外，由于过量使用防腐剂也引发了更多的食品安全问题。而目前广泛使用的保鲜膜，主要是石油基的材料，功能单一且难降解，功能单一。开发新型的可降解保鲜膜有助于可持续的发展，一些可降解材料和多功能附加材料正在作为保鲜材料的替代品。

蚕丝蛋白又名丝素蛋白，是天然蚕丝脱胶后的产物，具有良好的加工性能，可以被加工各种形状的材料，并且又可被蛋白酶和土壤中的微生物降解。碳点，一种新型的零维纳米材料，具有出色的光学性质，近几年来被人们广泛的研究。近些年来碳点被证明具有出色的抗菌和抗氧化能力，在减缓果蔬微生物泛滥方面具有潜在的应用价值。本发明针对现有技术的不足，开发了碳点/蚕丝蛋白混合溶液，一方面该混合溶液可以作为水果采摘后的保鲜液，通过浸渍法可以直接在水果表面形成一层薄薄的保鲜膜；另一方面，在碳点/蚕丝蛋白混合溶液的基础上，引入适量甘油，可以制造出透明可拉伸的大尺寸薄膜，并且具有可降解性能，展现出潜在的应用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的提供了一种基于碳点和蚕丝蛋白保鲜液和保鲜膜的制备方法，及其在水果保鲜方面的应用。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种碳点/蚕丝蛋白的抗菌保鲜液，所述抗菌保鲜液原料含有蚕丝蛋白水溶液和碳点水溶液；碳点/蚕丝蛋白混合溶液中蚕丝蛋白含量为0.9-2.7wt％，碳点的浓度为0.5-5mg/ml。

一种碳点/蚕丝蛋白的抗菌保鲜复合膜，甘油和碳点/蚕丝蛋白混合溶液的体积比为1:20-1:500。

一种碳点/蚕丝蛋白的抗菌保鲜液的制备方法，包括以下步骤：

(1)蚕丝蛋白水溶液的制备：将蚕茧或蚕丝废料洗净晒干后破碎，将破碎后的蚕茧或者蚕丝废料在100℃碱溶液煮30分钟后换新的碱液，加热至100℃再煮30分钟，碱煮过的蚕茧或蚕丝用清水洗净，烘干备用，将干燥后的蚕丝在分散液中60℃溶解4h，将该蚕丝溶解液用分子量为3500KDa的透析袋透析24h，去除分散液即可得到纯净的蚕丝蛋白水溶液，调节蚕丝蛋白水溶液浓度为1-3wt％备用；

(2)抗菌抗氧化碳点溶液的制备：将辣木去皮留籽研磨碎；称取破碎后的籽2-10g于50ml的聚四氟乙烯反应釜中，加入30ml水，置于干燥箱140摄氏度反应2h后，自然冷却至室温，将冷却后反应液以转速为7000r/min离心10分钟；弃沉淀留上清液；使用分子量为1000KDa的透析袋透析24h，即可得到纯化后抗菌碳点水溶液，通过加热浓缩，将碳点原液浓度控制在5-50mg/ml的范围内；

(3)碳点/蚕丝蛋白混合溶液的制备：将碳点水溶液与蚕丝蛋白溶液按照1:9的比例混合，具体：将抗菌碳点溶液缓慢滴加到蚕丝蛋白溶液中，轻微搅拌混合均匀，并超声去除气泡得到碳点/蚕丝蛋白的抗菌混合溶液，即为碳点/蚕丝蛋白的抗菌保鲜液，碳点/蚕丝蛋白混合溶液中蚕丝蛋白含量为0.9-2.7wt％，碳点的浓度为0.5-5mg/ml。

进一步，将蚕茧破碎成0.5cm*0.5cm至1cm*1cm的大小，或者将蚕丝废料，剪刀剪碎为1cm*1cm*1cm的大小。

进一步，所述碱液为配比为2.2g:1L水的碳酸钠溶液，所述分散液为浓度配比为16g：20mL水的溴化锂溶液。

进一步，所述的一种碳点/蚕丝蛋白的抗菌保鲜液在果蔬保鲜中的应用。

一种碳点/蚕丝蛋白的抗菌保鲜复合膜的制备方法，采用上述得到的碳点/蚕丝蛋白的抗菌混合溶液，再加上如下步骤，

(4)制备碳点和蚕丝蛋白保鲜膜：往碳点/蚕丝混合溶液加入甘油得到复合溶液，甘油和碳点/蚕丝蛋白混合溶液的体积比为1:20-1:500；将复合溶液倾倒在塑料基板上，用刮涂机调节刮涂厚度为2mm，将溶液均匀铺设在塑料基板上，然后转移到30摄氏度烘箱里6-10h干燥成膜，即可将薄膜从塑料基板上剥离，得到碳点/蚕丝蛋白的抗菌保鲜复合膜。

进一步，所述塑料基板是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚乙烯塑料材质，所述的PMMA基板为直径9cm的圆形基板或为20cm×30cm的方形基板。

进一步，所述的一种碳点/蚕丝蛋白的抗菌保鲜复合膜在果蔬保鲜中的应用。

本发明有益效果：

本发明选用天然蚕丝和天然辣木作为原材料，均为环保生物质原材料；碳点/蚕丝蛋白混合溶液具有抗菌性能，可直接作为水果的浸泡液，在水果表面形成保护膜，从而延长保鲜期，使用方便；进一步的，该混合溶液还可被浇筑成薄膜，作为保鲜膜使用，可大尺寸制备，具有良好的水蒸气和氧气透过率，并且可降解，具有广阔的应用前景。

(1)本发明选用的天然蚕丝和辣木均为生物质材料，无毒副作用，避免了石油基等不可降解材料的使用。其次，蚕丝和辣木非常容易获取，来源丰富，价格低廉。并且蚕丝来源可以是蚕茧，也可以是蚕丝废料。整个加工过程中，最高温度为100摄氏度水浴，不需要更高的温度，操作简便。

(2)本发明在通过处理打断蚕丝纤维结构，其氢键会与碳点和甘油结合，可将空隙较大的蚕丝转变为较为致密的薄膜；辣木经过处理，得到了抗菌抗氧化碳点，可以高效效杀灭一些食源性病菌，如大肠杆菌，沙门氏菌。碳点水溶性好，易于加工。

(3)抗菌碳点/蚕丝蛋白的混合溶液，可以直接作为新鲜水果的浸泡液。该混合溶液可以直接作为保鲜涂层，在水果表面原位生成一层薄薄的保护膜。蚕丝蛋白具有较高的粘性，碳点与蚕丝蛋白的混合液更容易在水果表面附着和浸润，包裹水果更均匀。通过测试碳点水溶液和碳点/蚕丝蛋白混合溶液在不同水果表面的疏水角度可证明混合溶液具有更高的浸润性。水果浸泡晾干后，一层致密薄薄的碳点/蚕丝蛋白膜在水果表面形成，发挥抗菌和保鲜作用。该薄膜可以水洗，水果食用前可洗掉，不残留。

(4)在抗菌碳点/蚕丝蛋白的混合溶液中加入少量甘油，还可以在室温条件下加工成可拉伸，透气，抗菌的大尺寸抗菌保鲜复合膜。通过测试薄膜的氧气透过率，水蒸气透过率，与现有水果保鲜膜相当，并且薄膜在土壤中是可降解的，可作为商业石油基保鲜膜的潜在替代品，使用完后不会造成环境污染。

附图说明

图1为碳点对大肠杆菌的抑制效果图；

图2为碳点对沙门氏菌的抑制效果图

图3为碳点的抗氧化性能效果图；

图4为碳点/蚕丝蛋白混合溶液的傅里叶红外光谱图；

图5为证碳点/蚕丝蛋白混合溶液在水果表面的疏水角图；

图6为碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜拉伸性能测试图；

图7-11为实施例二到六中所制备的保鲜薄膜的拍摄光学图像；

图12-16为实施例二到六中所制备的保鲜薄膜的扫描电子显微图；

图17为碳点/蚕丝蛋白混合溶液对葡萄的保鲜效果图；

图18为碳点/蚕丝蛋白混合溶液对草莓的保鲜效果图；

图19为碳点/蚕丝蛋白混合溶液对香蕉的保鲜效果图；

图20为碳点/蚕丝蛋白混合溶液对水果贮藏后重量的影响效果图；

图21为碳点/蚕丝蛋白混合溶液的水洗效果图；

图22为未覆有碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜的草莓的霉变图；

图23为覆有碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜的草莓的保鲜效果图；

图24为碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜对草莓硬度的影响效果图；

图25为碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜对草莓重量损失率的影响效果图；

图26为碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜可降解性能测试图。

具体实施方式

实施例一：一种碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜液的制备方法，包括以下步骤：

(1)蚕丝蛋白水溶液的制备：将蚕茧洗净去除杂质、晾干后剪碎成0.5cm*0.5cm至1cm*1cm的大小，将破碎后的蚕茧置于碳酸钠水溶液中100℃煮30分钟后换新的碱液，洗净，100℃再煮30分钟后用清水清洗，然后置于60度干燥箱烘干，得到脱胶后的蚕丝，将脱胶后的蚕丝置于0.2g、10ml浓度为0.02M的溴化锂(LiBr)溶液中完全溶解，溶解条件为60℃溶解4h，目的是充分破坏蚕丝中的各种高分子链，将该蚕丝溶解液用分子量为3500KDa的透析膜透析24h，前4小时，每1小时换一次水，后20小时每5小时换一次水，去除LiBr，即可得到蚕丝蛋白水溶液，调节蚕丝蛋白水溶液浓度为1-3wt％备用；

(2)抗菌抗氧化碳点溶液的制备：选取生物质辣木籽作为前驱体，去皮后研磨碎，称量3g于50ml聚四氟乙烯反应釜中，加入30ml水，置于干燥箱中140℃反应2h后，自然冷却至室温，将冷却后反应液以转速为7000r/min离心10分钟，去除沉淀留上清液，使用分子量1000KDa的透析膜透析24h即可得到抗菌碳点溶液，通过加热浓缩，将碳点原液浓度控制在5-50mg/ml的范围内备用。抗菌碳点对大肠杆菌(Escherichia coli，ATCC 11775)和沙门氏菌(salmonella，ATCC 43971)有优异的抑菌效果，通过稀释平板法测试了其对食源性病原体的抗菌性能，在碳点浓度为0.6mg/ml，与细菌孵育3h后，对大肠杆菌(Escherichia coli)抑制达99.96％(图1)。对沙门氏菌(salmonella)的抑制率达99.99％(图2)；同时碳点具有抗氧化性能，采用总抗氧化能力检测试剂盒(ABTS)方法测试了碳点的抗氧化能力，在浓度为85μg/ml时，抗氧化率可达85％以上(图3)。新鲜水果在贮藏过程中会发生褐变，生物分子发生氧化，色泽变暗，碳点具有较强的抗氧化能力，表明碳点可有效抵御水果在储存过程中的褐变反应。

(3)碳点/蚕丝蛋白混合溶液的制备：将1ml 10mg/ml的碳点溶液溶解于9ml作为分散剂的蚕丝蛋白溶液(2wt％)中，轻微搅拌混合均匀后，超声10分钟并去除气泡，得到抗菌碳点浓度为1mg/ml和蚕丝蛋白含量为1.8wt％的碳点/蚕丝蛋白混合溶液，即为碳点/蚕丝蛋白的抗菌保鲜液。通过傅里叶红外光谱测试，碳点与蚕丝蛋白水溶液混合后，碳点会有蚕丝蛋白间形成氢键(图4)。通过疏水角测试，碳点/蚕丝蛋白混合溶液相比于纯碳点水溶液在水果表面具有更高的浸润性，扩散性更好，混合溶液在水果表面更容易粘附，且粘附更加均匀(图5)。

实施例二：一种碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜的制备方法，采用实施例一得到的碳点/蚕丝蛋白的抗菌保鲜液，再增加如下步骤，

(4)碳点和蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜的制备：在上述混合溶液中加入少量甘油(甘油与碳点/蚕丝蛋白混合溶液体积比为1:300)，将复合溶液倾倒在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板上，使用刮涂机调节刮涂高度为2mm，将溶液均匀平铺在PMMA基片板上，置于室温环境中20h后，轻轻剥离薄膜和PMMA基板，即可得到碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜，红外光谱证明了在混合溶液中，碳点会与蚕丝蛋白间形成氢键，有利于薄膜的形成，继续加入甘油，这种氢键作用被进一步增强，制备的保鲜膜具有良好的可拉伸性能，最大形变量可达140％(图6)。制备的保鲜膜薄膜如图7所示，直径为9cm，扫描电镜图像如图12所示。

该保鲜膜具有一定的透气性，水蒸气透过率为2300g/(㎡-day)，氧气透过率为11200cc/(㎡-day)(表1)；

上述实施例一和二的步骤(1)中，可以将蚕茧替换为废弃的蚕丝废料，剪碎成1cm*1cm*1cm的大小来使用。

实施例三：按照与实施例二同样步骤制备得到蚕丝蛋白水溶液3wt％，碳点溶液浓度50mg/ml，在步骤(3)混合溶液制备中，将混合后碳点溶液浓度控制为5mg/ml，按照与实施例1相同步骤，得到蚕丝蛋白含量为2.7wt％碳点/蚕丝蛋白混合溶液。然后在混合溶液中加入甘油得到复合溶液(甘油与碳点/蚕丝蛋白体积比为1:100)，然后将复合溶液倾倒在聚丙烯塑料板上，干燥后，剥离即可得到碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜。

实施例四：

将实施例二的步骤(3)中9ml蚕丝蛋白溶液浓度换为1.5wt％，1ml碳点溶液浓度为10mg/ml，其它方法步骤同实施例二，得到抗菌碳点浓度为1mg/ml和蚕丝蛋白含量为1.35wt％碳点/蚕丝蛋白混合溶液。然后在混合溶液中加入甘油得到复合溶液(甘油与点/蚕丝蛋白体积比为1:500)。然后将复合溶液倾倒在聚丙烯塑料板上，干燥后，剥离即可得到碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜。

实施例五：

将实施例二的步骤(3)中9ml蚕丝蛋白溶液浓度换为1wt％，1ml碳点溶液浓度换为5mg/ml，其它方法步骤同实施例二，混合后，碳点/蚕丝蛋白混合溶液中，碳点浓度为0.5mg/ml，蚕丝蛋白含量为0.9wt％，然后在混合溶液中加入甘油得到复合溶液(甘油与碳点/蚕丝蛋白体积比为1:20)。然后将复合溶液倾倒在聚丙烯塑料板上，干燥后，剥离即可得到碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜。

实施例六

将实施例二步骤(3)，蚕丝蛋白体积调整为18ml(2wt％)，加入2ml浓度为20mg/ml碳点溶液，使混合溶液中碳点浓度为2mg/ml，蚕丝蛋白含量为1.8wt％，然后在混合溶液中加入甘油得到复合溶液(甘油与碳点/蚕丝蛋白体积比为1:33)，然后将溶液倾倒在20cm×30cm的PMMA基板上，干燥后，剥离得到大尺寸薄膜。

实施例二到六中所制备保鲜膜的水蒸气和氧气透过率测试，如表1所示；

表1保鲜膜的水蒸气和氧气透过率测试

为证实实施例一制备的碳点/蚕丝蛋白混合溶液可以直接作为水果的保鲜液，以实施例一中碳点/蚕丝蛋白混合溶液为例，选取葡萄，草莓，和香蕉为测试模型，测试了该混合溶液对所选水果的保鲜效果，水果表面有碳点/蚕丝蛋白混合溶液涂层的，其腐败程度明显较小，未经涂层的水果，腐败程度高，霉变严重(图17-19)；贮藏前后，测试了水果的前后重量变化，水果表面有碳点/蚕丝蛋白混合溶液涂层的，其重量损失率明显较小(图20)；为证实该混合溶液在水果表面形成的薄膜是可水洗的，将该薄膜置于水中，15秒内，该薄膜可迅速溶解在水中，该混合液水洗效果好(如图21)；说明碳点/蚕丝蛋白混合溶液直接作为保鲜涂层。

在混合溶液的基础上引入适当甘油可以制作出大尺寸薄膜。为证实该薄膜的保鲜性能，选用实施例二中制作得到的碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜，以草莓为例，测试了该薄膜对草莓的保鲜性能，储存3天后，未经覆膜的草莓出现霉变，硬度变弱，重量损失最严重，超过15％；经过所制备薄膜覆盖后的草莓，未见菌斑生成，且硬度最高，失重小于10％(图22-25)；

为证实所制备薄膜的可降解性能，选用实施例二中制作得到的碳点/蚕丝蛋白抗菌保鲜复合膜，将薄膜置于土壤中，测试30天后其重量变化。埋入土壤前，通过天平称量薄膜的重量。埋入30天后，取出所有掩埋的薄膜，用清水洗去表面残留土壤，置于37℃干燥箱中烘干6h后，称取该薄膜的重量。该薄膜在土壤中放置30天后。重量损失超过了35％，表明其在土壤中是可降解的(图26)。