一种单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法

技术领域

本发明属于食品绿色包装技术领域，具体涉及到一种单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法。

背景技术

石油基合成聚合物被广泛用作包装材料。然而，使用合成石油基产品引起了健康和环境问题，人们正在寻找合适的替代品。可生物降解的天然聚合物正在被广泛研究中。在不同的可生物降解聚合物中，壳聚糖以其出色的成膜特性和独特的物理化学特性(例如强大的阻隔能力和机械性能)脱颖而出。然而，纯壳聚糖膜很难抵抗外界环境的水分渗透，在应用过程中容易染上污渍，为微生物的生长提供有利条件，并且壳聚糖膜的功能特性较低。

因此，设计和制备既具有能吸收食物本身多余水分又能防止外部环境水分渗入和带走包装表面污渍的壳聚糖薄膜一直是人们所向往的。

目前，如何提供出一种提高壳聚糖膜的适用性、气阻隔性能和热密封性能技术，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法，包括，

将果胶、乳酸链球菌素和姜黄素分别溶于纯水、pH为4.0的乙酸溶液和无水乙醇中，分别制得果胶溶液、乳酸链球菌素溶液和姜黄素溶液；

然后将乳酸链球菌素溶液逐滴添加到果胶溶液中，搅拌后获得复合溶液；

随后将姜黄素溶液逐滴加入到复合溶液中，制得混合液体系，搅拌后，经离心冻干得到纳米颗粒；

将壳聚糖溶于乙酸中制成壳聚糖溶液，向壳聚糖溶液中添加纳米颗粒和增塑剂，搅拌后，经超声脱气得活性层涂膜液；

将制备的活性层涂膜液倒入调平的模具中，形成凝胶；

将玉米醇溶蛋白溶于乙醇中，向玉米醇溶蛋白溶液中添加增塑剂，搅拌后超声脱气，得防潮和自清洁层涂膜液；

将制备的涂膜液均匀平铺于凝胶表面，在室温下冷却，形成双层水凝胶，干燥后形成双层膜。

作为本发明所述单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法的一种优选方案，其中：所述混合液体系中，果胶、乳酸链球菌素和姜黄素溶液浓度分别为1～3mg/mL、3～6mg/mL和3～6mg/mL。

作为本发明所述单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法的一种优选方案，其中：所述活性层涂膜液，其中，壳聚糖的质量分数为2～4％，纳米颗粒的质量分数为1～3％，增塑剂为壳聚糖质量分数为25～40％。

作为本发明所述单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法的一种优选方案，其中：所述增塑剂包括甘油。

作为本发明所述单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法的一种优选方案，其中：所述纳米颗粒的质量分数为2％。

作为本发明所述单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法的一种优选方案，其中：所述制备的活性层涂膜液倒入调平的模具中，形成凝胶，其中，形成凝胶温度为25～50℃。

作为本发明所述单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法的一种优选方案，其中：所述超声脱气时间均为10～20分钟。

作为本发明所述单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法的一种优选方案，其中：所述干燥后形成双层膜，其中，干燥的温度为40～50℃，干燥时间为10～15小时。

本发明的再一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种单向阻水的自清洁型壳聚糖玉米醇溶蛋白双层膜的制备方法制得的双层膜。

本发明的另一个目的是，克服现有技术中的不足，提供所述双层膜作为食品包装膜的应用。

本发明有益效果：

(1)本发明通过双层膜的设计，创造性的将疏水型玉米醇溶蛋白添加到外层作为防潮和自清洁层，将具有优异的抗氧化和抗菌活性的纳米颗粒添加到双层膜的下层基质中作为活性和水合层，膜的适用性能显著提升；纳米颗粒的添加使薄膜力学性能显著提高，同时优选纳米颗粒的添加量为2％，力学性能最佳；纳入纳米颗粒的膜能显著提升水分阻隔能力、更高的不透明度，这是由于纳米颗粒通过占据聚合物基体中的间隙可以散射透射光，更好地保护食品。

(2)本发明将具备优异防潮和自清洁能力的玉米醇溶蛋白添加到双层膜的上层显著提高了双层膜的水分阻隔能力，并且能够延长壳聚糖膜的使用寿命，双层膜天然无污染，能够广泛应用于果蔬、肉类等食品的保鲜。

(3)本发明操作简单，易于控制，可操作性强，适于工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明中对比例与各实施例双层膜机械性能图；

图2为本发明中对比例与各实施例双层膜水分阻隔图；

图3为本发明中对比例与各实施例双层膜抗氧化活性图；

图4为本发明中对比例与各实施例双层膜抑菌活性图；

图5为本发明中对比例2中乳酸链球菌素与果胶含量对纳米颗粒包封率的对比图；

图6为本发明中对比例2中乳酸链球菌素与果胶含量对纳米颗粒PDI的对比图；

图7为本发明中对比例2中纳米颗粒的扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。本发明壳聚糖分子量为500kDa，脱乙酰度为92％，其他原料，均为普通市售产品。

对以上各个实施例和比较例中涉及的双层膜的关键性能进行测定：

1、机械性能

遵循ASTM标准(D882-02)，使用TA质构仪测量断裂伸长率和拉伸强度。将膜样品切割成10mm宽和70mm长的矩形样品后对抗拉强度(TS)和延伸率(EB)测定。

2、水蒸气渗透率

称取3g无水CaCl

WVP＝(Δm×d)/(A×t×P)

式中:Δm(kg)-称量瓶的质量之差，d(mm)-膜的厚度；t(s)-时间；A(m

3、水分含量、水溶性、溶胀度和水接触角

称量2×2cm的膜片(W

使用接触角分析仪(OCA15EC,datphysicalinstruments GmbH,Filderstadt,Germany)对薄膜的水接触角进行了测试。用微注射器在薄膜表面滴一滴2μL的蒸馏水，0和60秒后测定WCA。

4、颜色和不透明度

膜的颜色由色差计(SC-80C，北京，中国)测定。L*(亮度)、a*(红-灰度)和b*(黄-蓝度)参数由反射率测量确定。用紫外分光光度计测定不透明度。薄膜的尺寸为10mm×40mm。使用一个空的石英皿作为参考。不透明度计算如下：

其中A

5、膜的抗氧化活性测定

将双层膜剪成2cm×2cm大小的正方形，放入盛有10mL蒸馏水的样品瓶中，在常温下放置于磁力搅拌器上搅拌30分钟，取试样1mL加入至4mL DPPH溶液(150μmol/L)中振荡混匀。避光静置30分钟使清除自由基反应充分发生，采用可见分光光度仪(VIS-7220N，瑞利分析仪器公司)在517nm下测其吸光度。

将含有2.4mM K

6、膜的抗菌活性测定

采用琼脂平板试验测定双层膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性。所有薄膜在紫外线照射下灭菌20分钟后，切成2cm×2cm，置于6孔板中。然后在每孔中加入500μL灭菌的LB培养基，然后加入100μL的细菌悬液(～10

本发明中纳米颗粒的制备方法：

将果胶、乳酸链球菌素和姜黄素分别溶于纯水、pH为4.0的乙酸溶液和无水乙醇中，分别制得果胶溶液(1mg/mL)、乳酸链球菌素溶液(3mg/mL)和姜黄素溶液(3mg/mL)；

然后将乳酸链球菌素溶液逐滴添加到果胶溶液中，搅拌后获得复合溶液；

随后将姜黄素溶液逐滴加入到复合溶液中，制得混合液体系，混合液体系中，果胶、乳酸链球菌素和姜黄素溶液浓度分别为1mg/mL、6mg/mL和4mg/mL搅拌后，经离心冻干得到纳米颗粒。

实施例1

(1)将壳聚糖溶于1％(v/v)乙酸溶液制成质量浓度为2g/100mL的溶液，在55℃下往壳聚糖溶液中添加基于壳聚糖质量1％的纳米颗粒和25％的甘油，然后搅拌1小时后超声脱气15分钟得壳聚糖-纳米颗粒活性层涂膜溶液；

(2)将第一步制备的活性层涂膜液倒入调平的模具中，40℃下形成凝胶；

(3)将玉米醇溶蛋白溶于90％(v/v)乙醇溶液制成质量浓度为10g/100mL的溶液，在玉米醇溶蛋白溶液中添加基于玉米醇溶蛋白质量25％的甘油，搅拌2小时后超声脱气20分钟得玉米醇溶蛋白防潮和自清洁层涂膜液。

(4)将第三步制备的玉米醇溶蛋白防潮和自清洁层涂膜液倒入第二步形成的壳聚糖-纳米颗粒凝胶上，然后放入烘箱中在40℃下干燥12小时形成双层膜。

实施例2

(1)将壳聚糖溶于1％(v/v)乙酸溶液制成质量浓度为2g/100mL的溶液，在55℃下往壳聚糖溶液中添加基于壳聚糖质量2％的纳米颗粒和25％的甘油，然后搅拌1小时后超声脱气15分钟得壳聚糖-纳米颗粒活性层涂膜溶液；

(2)将第一步制备的活性层涂膜液倒入调平的模具中，40℃下形成凝胶；

(3)将玉米醇溶蛋白溶于90％(v/v)乙醇溶液制成质量浓度为10g/100mL的溶液，在玉米醇溶蛋白溶液中添加基于玉米醇溶蛋白质量25％的甘油，搅拌2小时后超声脱气20分钟得玉米醇溶蛋白防潮和自清洁层涂膜液。

(4)将第三步制备的玉米醇溶蛋白防潮和自清洁层涂膜液倒入第二步形成的壳聚糖-纳米颗粒凝胶上，然后放入烘箱中在40℃下干燥12小时形成双层膜。

实施例3

(1)将壳聚糖溶于1％(v/v)乙酸溶液制成质量浓度为2g/100mL的溶液，在55℃下往壳聚糖溶液中添加基于壳聚糖质量3％的纳米颗粒和25％的甘油，然后搅拌1小时后超声脱气15分钟得壳聚糖-纳米颗粒活性层涂膜溶液；

(2)将第一步制备的活性层涂膜液倒入调平的模具中，40℃下形成凝胶；

(3)将玉米醇溶蛋白溶于90％(v/v)乙醇溶液制成质量浓度为10g/100mL的溶液，在玉米醇溶蛋白溶液中添加基于玉米醇溶蛋白质量25％的甘油，搅拌2小时后超声脱气20分钟得玉米醇溶蛋白防潮和自清洁层涂膜液。

(4)将第三步制备的玉米醇溶蛋白防潮和自清洁层涂膜液倒入第二步形成的壳聚糖-纳米颗粒凝胶上，然后放入烘箱中在40℃下干燥12小时形成双层膜。

对比例1

与实施例1、2、3相比，区别是不加纳米颗粒，步骤如下：

(1)将壳聚糖溶于1％(v/v)乙酸溶液制成质量浓度为2g/100mL的溶液，在55℃下往壳聚糖溶液中添加基于壳聚糖质量25％的甘油，然后搅拌1小时后超声脱气15分钟得壳聚糖层涂膜溶液；

(2)将第一步制备的活性层涂膜液倒入调平的模具中，40℃下形成凝胶；

(3)将玉米醇溶蛋白溶于90％(v/v)乙醇溶液制成质量浓度为10g/100mL的溶液，在玉米醇溶蛋白溶液中添加基于玉米醇溶蛋白质量25％的甘油，搅拌2小时后超声脱气20分钟得玉米醇溶蛋白防潮和自清洁层涂膜液。

(4)将第三步制备的玉米醇溶蛋白防潮和自清洁层涂膜液倒入第二步形成的壳聚糖凝胶上，然后放入烘箱中在40℃下干燥12小时形成双层膜。

下面对本发明对比例1和实施例1～3中提供的双层膜性能进行测试如图1所示，A为对照例与实施例的抗拉强度和延伸率对比，B为与现有聚合物薄膜的力学性能比较结果。

从图1可以看出，实施例双层膜膜的拉伸强度和延伸率均高于对照例双层膜，说明纳米颗粒的添加使薄膜力学性能显著提高，其中实施例2的拉伸强度和延伸率最高。并且添加纳米颗粒的双层膜的抗拉强度值与典型的包装塑料如低密度聚乙烯(LDPE,45.2-58.6MPa)相当，但略低于聚苯乙烯(PS)(45-63MPa)，显示出其作为包装材料的高潜力。

对照例与实施例：(A)水分含量、(B)水溶性、(C)溶胀度、(D)水蒸气透过率、(E)C侧(壳聚糖侧)的水接触角、(F)Z侧(玉米醇溶蛋白侧)的水接触角，见图2。

由图2可知，纳入纳米颗粒的膜能显著提升对照例的水分阻隔能力，造成这种现象的原因是由于纳米颗粒与壳聚糖基质通过氢键相互作用，从而占据了壳聚糖分子的羟基，阻断了水分子的结合。在对双层膜的两侧测量水蒸气透过率也发现，双层膜两侧具有不同的水蒸气透过率，这符合本发明提到的具有单向阻水特性的双层膜。

随着纳米颗粒的加入，壳聚糖侧水接触角值略有增加，这可能是由于壳聚糖与纳米颗粒之间的相互作用。并且在水滴沉积60s后，壳聚糖层水接触角值显著下降，而玉米醇溶蛋白层的水接触角值变化不大，这说明玉米醇溶蛋白的疏水基团阻碍了水的渗透，而壳聚糖的亲水性则加速了水的渗透。

表1对照例与各实施例双层膜色度值和不透明度

从表1可以看出，所有双层膜表面都光滑均匀。加入纳米颗粒后，双层膜的ΔE有所增加，这主要是由于L*的减少，a*和b*的增加。值得注意的是，b*的值表现出更大的变化，且依赖于纳米颗粒的浓度效应，表现出较淡的黄色，这是由于纳米颗粒呈现淡黄色。

在不透明度方面，所有薄膜的不透明度在1.03～1.29之间，与用于包装的商用薄膜的不透明度值(1.67)相近。纳米颗粒质量比的增加导致了更高的不透明度，这是由于纳米颗粒通过占据聚合物基体中的间隙可以散射透射光，说明纳米颗粒的存在能更好地保护食品。

对照例与各实施例双层膜的抗氧化活性，见图3。可以看出，加入纳米颗粒后，对照例的DPPH自由基活性显著提高，这是由于姜黄素具有较强的抗氧化活性。这表明纳米胶囊化姜黄素是保持其结构完整性和抗氧化活性的有效途径。与DPPH试验相似，加入纳米颗粒后，ABTS自由基的清除活性显著提高，这是由于纳米颗粒对·OH自由基具有良好的清除作用。这种纳米复合膜具有较高的抗氧化活性，可用于活性包装应用，以防止食品氧化、保持食品质量和延长食品的保质期。

对照例与各实施例双层膜的抑菌活性，见图4。

姜黄素在白光下可以有效产生活性氧(ROS)，从而显示出增强的抗菌作用。薄膜作为一种包装材料，在使用过程中容易受到光线的影响。受此启发，分析了薄膜在光照和黑暗条件下的抗菌性能(图4)。在光照条件下，所有纳米复合膜均表现出对细菌的有效杀灭作用，且随着照射时间的延长，抑制作用增强。这可能是由于姜黄素在光照过程中产生活性氧，可能引起氧化应激，破坏细菌膜的完整性，从而增强了抗菌作用。此外，含有纳米颗粒的膜对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抑制作用强于革兰氏阴性大肠杆菌，这主要是由于乳酸链球菌素对革兰氏阳性菌的抑制作用较强，说明乳酸链球菌素不仅介导了姜黄素与果胶的相互作用，而且纳米颗粒具有良好的抗菌能力。因此，本研究开发的纳米颗粒薄膜具有延长包装食品保质期的应用潜力。

对比例2

测试方法：取适量样品利用动态光散射技术测定纳米粒子的粒径和分散性(PDI)。样品测定前需在25℃下平衡1分钟，检测角度为173°，设定蛋白质的折光率为1.45，水的折光率为1.33，测定时间为180秒。所有样品测定均重复三次。

包封率(EE)的测定方法：将纳米颗粒悬浮液离心得到游离的姜黄素在426nm处用紫外风光光度计测定；游离的乳酸链球菌素通过微量蛋白试剂盒进行测定。

扫描电镜(SEM)的测定方法：将纳米颗粒悬浮液滴在硅片上，并用真空溅射涂布器(108Auto,TedPella Inc.，Redding,CA,USA)喷涂金后，使用扫描电子显微镜(S-4800,Hitachi,Tokyo,Japan)以10千伏加速电压拍摄。

在本发明纳米颗粒制备的基础上，探究果胶含量对纳米颗粒的影响。

分析：见图5，随着果胶含量的增加，纳米颗粒的粒径逐渐减小，其中乳酸链球菌素：果胶＝1：6(质量比)时粒径最小，这是由于当果胶的添加量较少时，没有足够的果胶与乳酸链球菌素结合，导致乳酸链球菌素的疏水性区域完全暴露，因此乳酸链球菌素与姜黄素的疏水性相互作用脆弱，纳米颗粒尺寸较大，而果胶的比例增加时,大量的果胶可以彻底结合乳酸链球菌素的亲水区域,因此乳酸链球菌素的疏水区域完全暴露,乳酸链球菌素和姜黄素的疏水作用变得更强,所以合成纳米颗粒的大小是非常小的。

见图6，当比例增加到1：6时，过多的果胶会粘附在乳酸链球菌素的表面，使纳米复合物的粒径增大。PDI也展现了相同的趋势，一般来说，PDI<0.3被认为体系是稳定的，乳酸链球菌素：果胶＝1：6时展现了最低的PDI和最高的包封率，因此通过优化实验能够得到纳米颗粒的最优设计为果胶：乳酸链球菌素＝1：6。见图7，在扫描电镜图中可以看出纳米颗粒呈现均匀的球形，并且表面光滑没有裂纹，因此认为纳米颗粒被成功制备。

综上可知：相比较不纳入纳米颗粒制备的壳聚糖/玉米醇溶蛋白双层膜膜，纳入纳米颗粒制备的双层膜膜具有更好的力学性能、防潮性能性、抗氧化能力和抑菌性，适用性能更强。

本发明层层自组装溶液浇铸技术利用具有相反电荷的材料在基体上的顺序吸附原理，能够控制膜的厚度，是一种理想的制备双层膜的方法。此外，这种双层膜基底可以通过结合抗菌剂和抗氧化剂进一步制成活性包装材料。

本发明利用层层自组装浇铸法，以纳入共包埋姜黄素与乳酸链球菌素的纳米颗粒的壳聚糖膜为水合活性内层，玉米醇溶蛋白膜为防潮和自清洁外层，试图制备出具有优良理化性质的保鲜膜。主要用于高水分含量食品的包装保鲜，有效延长食品货架期。此方法并未外源试剂的引入，且制备工艺具有绿色、安全、方便特点，本发明技术可为提高壳聚糖膜的适用性提供可靠策略。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。