一种光催化合成菠萝蜜丝多糖抗菌膜的方法与流程

本发明属于抗菌膜材料制备技术领域，更具体地，涉及一种光催化合成菠萝蜜丝多糖抗菌膜的方法。

背景技术：

人类感染细菌的途径之一就是通过入口的食物，而食品包装材料一般是与食品直接接触的，食物丰富的营养成分在高湿的内部包装环境下就成为微生物滋生繁殖的营养源，所以为了保持食物的贮藏稳定性，通常需要在食品保鲜中添加大量的防腐剂，这给食品安全带来了较大的隐患，因此开发使用具有抗菌保鲜功能的可食性食品包装膜尤为重要。其中，天然可食性多糖薄膜材料因其来源广泛，无毒无污染，具有广泛的生物学活性和良好的成膜性，又可以作为抗菌剂良好的释放载体，减缓抗菌剂与食品内部的反应，延长食品的保质期等优势，迅速成为食品包装软材料究领域的热点。

菠萝蜜是集水果、木本粮食及珍贵药材于一体的热带树种，富含维生素C、维生素E、天然糖类、叶酸等，具有很高的营养价值和药用价值。菠萝蜜除果肉和种子外的其它部分平均约占全果的50%，其加工利用方式主要是以鲜果消费为主,果汁消费为辅。近几年随着菠萝蜜的种植与加工业的迅速发展，导致大量的菠萝蜜丝等副产品的产生，然而这些下脚料却鲜见被利用，成为农业生产废料，造成极大的资源浪费和环境污染。菠萝蜜丝作为菠萝蜜果实中没发育成熟的苞肉，其中富含多糖物质（～23.5%）、蛋白质（～4.24%）、纤维素（～1.8%）等物质，由此可见菠萝蜜丝中的活性成分（如活性多糖等）含量较高，具有加工利用的可能性。

目前虽然有关菠萝蜜丝中多糖的提取与应用研究仍未有报道，但关于果皮中多糖提取工艺优化技术（水提法）已相当成熟，可为本实验提供了重要的理论基础。

目前国内有关可食性多糖膜的研究均面临着力学性能、加工性能和阻隔性能较差等难题，而现阶段研究较多的改良技术大多基于交联剂或共混改性技术，然前者使用的甲醛、戊二醛、乙二醛等交联剂往往存在潜在的细胞毒性，限制了其在食品中的应用；采用的共混改性技术因混合体系的相分离及各自组分形成凝胶的过程和形式不同一性、形成凝胶性能的差异，直接造成复合物凝胶体系模型研究困难，不能通过调控膜的结构从而来改善膜的抗菌性，所以迫切需要一种新的制膜工艺以解决目前所面临的困境。

光聚合是一种环境友好的绿色制备技术，它具有能耗低、速率快、反应温度低、设备简单、环境污染小以及能与营养素、细胞、组织直接接触等优点，已经引起广大科研工作者极大的兴趣，因而有效地利用太阳光以研究抗菌材料是具有良好的理论和现实意义。

纳米TiO₂颗粒是目前研究最为活跃的无机纳米材料之一，具有无毒、抗菌并分解细菌、防紫外线、超亲水和超亲油等特性。TiO₂ 光催化剂能与细菌细胞或细胞内的组成成分进行生化反应，使细胞菌头单元失活而致细胞死亡。TiO₂不仅能杀死细菌，而且能同时降解由细菌释放的有毒复合物。然而将纳米TiO₂引入多糖（特别是菠萝蜜丝多糖）膜，国内外尚未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于根据现有技术中的不足，提供了一种光催化合成菠萝蜜丝多糖抗菌膜的方法。

本发明提供的方法制备得到的是一种抗菌膜，其中，该膜材料为食品上可接受的天然高分子材料。该天然高分子材料的基体为菠萝蜜丝多糖，作为一种高分子多糖，具有良好的生物相容性，易被生物降解，无任何环境污染。同时高分子多糖在光催化作用下可形成紧密的网络微孔结构，可减少拉伸、挤压对食品质构的破坏，并阻隔空气、水蒸气、脂质、微生物等组分的迁移引起的食品品质的改变。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种光催化合成菠萝蜜丝多糖抗菌膜的方法，所述方法包括如下步骤：

S1.将菠萝蜜丝脱脂粉与水按照体积比为1：20~40的比例混合抽提2~4h后，旋转蒸发浓缩至原体积的1/3～1/4，再加入2~4倍乙醇静置10~14h，离心分离得到沉淀A；

S2.将沉淀A配置成40~60%的多糖溶液，将上述多糖溶液与甘油以1：0.016的质量比混合均匀后水浴加热得到溶液B；

S3.将二氧化钛颗粒加入水中，超声溶解得到溶液C；

S4.将溶液C缓慢注入溶液B中，光催化处理后均匀地倒入培养皿中，最后真空干燥得到抗菌膜；

所述S4中的光催化处理为采用紫外光催化处理，紫外光的强度为300～500 W，光催化处理的时间为0.5～1 h。

优选地，S1中所述菠萝蜜丝脱脂粉与水在80℃下混合，混合的体积比为1:30，抽提3h。

优选地，S1中加入2.5倍乙醇静置12h。

优选地，S1中所述乙醇为无水乙醇。

优选地，S2中所述的水浴的温度为70~90℃，水浴保温20~45min。

优选地，S3中所述溶液C中TiO₂的质量百分比浓度为0.5~4%。

优选地，S4中所述真空干燥的温度为50~55℃，干燥时间为6~8h。

优选地，S1中所述离心的转速为8000r/min，离心的时间为10min。

本发明同时提供由上述方法制备得到的的菠萝蜜丝多糖抗菌膜。

本发明另外提供菠萝蜜丝多糖抗菌膜在制备食品包装软材料中的应用。

在本发明的抗菌膜中，菠萝蜜丝多糖和TiO₂颗粒能发挥协同抗菌作用（图4），即该抗菌膜对大肠杆菌（E.coli）有明显的抑菌活性，例如本发明实施例4所示，相对于菠萝蜜丝多糖而言，抗菌活性增加了90.9%；而相对TiO₂而言，抗菌活性增加了27.6%，且抑菌活性随着TiO₂含量的增加而增强。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

（1）本发明首创采用光催化合成法，将表面包覆的TiO₂颗粒键合在菠萝蜜丝多糖膜上，并增强多糖与TiO₂颗粒间的相互作用，其中包括氢键、静电作用力等（图3），很好地解决了TiO₂纳米颗粒在成膜溶液中发生自聚的技术难题。同时整个光催化合成反应无需外加其它化学试剂，反应过程简便、高效、环保。（2）超声预处理TiO₂颗粒可有效地提高TiO₂颗粒在多糖膜溶液中的分散性（图2），而光催化极大提高了膜内基团排列的有序性（图3a），从而有效地改善膜的机械强度和热稳定性，还提高膜的抑菌性能。将此多糖抗菌膜可用于乳制品、果蔬、肉类食品的绿色包装材料，延长其货架期，消除传统包装带来的白色污染。本发明提供的方法制备工艺简单，重复性好，具有较大的推广应用价值。

附图说明

图1：抗菌膜的表观图片；

图2：抗菌膜的表面原子力显微镜图（a）和扫描电镜（b）；

图3：抗菌膜的X-射线衍射图（a）和红外光谱图（b）；

图4：抗菌膜的抗菌效果图。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明来做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。

实施例1

将菠萝蜜丝脱脂粉与蒸馏水（80℃）以1:30（v/v）比例混合抽提3h后，旋转蒸发浓缩至原体积的1/3～1/4，再加入2.5倍无水乙醇静置12h，离心（8000r/min，10min）分离，将所得沉淀冷冻干燥即得菠萝蜜丝多糖；再将菠萝蜜丝多糖粉溶于去离子水中，配置成大约50%多糖溶液，并与甘油以1:0.016的质量比相混合搅拌1h后水浴加热到80℃保温30min，紧接着真空脱气；将二氧化钛（TiO₂）颗粒加入去离子水中，超声促溶；然后再将0.5%（w/w）TiO₂溶液缓慢加入热处理多糖溶液中，并适度搅拌30min，再放入光催化反应器（300W）中处理1h后，用纱布过滤去除不溶物，放进真空干燥箱（50℃）中干燥8h左右，成膜，最后放入相对湿度为42%的干燥器中保存。所得的抗菌膜表面光滑，呈不透明的淡粉色，二氧化钛（TiO₂）颗粒均匀地分布在抗菌膜中。

将1mL大肠杆菌（E.coli）菌悬液（菌浓度为10⁵ CFU/mL）分别涂布在每个抗菌膜的表面，在室温下采用紫外灯（365nm）照射2h，采用0.85%NaCl洗脱样品以去除灭菌板上吸附的细菌。然后将100μL菌悬液导入营养琼脂培养基，涂布均匀，在37℃下培养20 h后计数细菌总数。

其中，抗菌活性R(%) =(1-E/B)×100，E：复合膜上平均细菌总数；B：空白样（不含TiO₂的大豆蛋白溶液）上平均细菌总数。

该方法所获得的抗菌膜其拉伸强度为1.09MPa，断裂伸长率为81.4%，抗菌活性为64.9%。

实施例2

将菠萝蜜丝脱脂粉与蒸馏水（80℃）以1:30（v/v）比例混合抽提3h后，旋转蒸发浓缩至原体积的1/3～1/4，再加入2.5倍无水乙醇静置12h，离心（8000r/min，10min）分离，将所得沉淀冷冻干燥即得菠萝蜜丝多糖；再将菠萝蜜丝多糖粉溶于去离子水中，配置成大约50%多糖溶液，并与甘油以1:0.016的质量比相混合搅拌1h后水浴加热到70℃保温45min，紧接着真空脱气；将二氧化钛（TiO₂）颗粒加入去离子水中，超声促溶；然后再将1%（w/w）TiO₂溶液缓慢加入热处理多糖溶液中，并适度搅拌30min，再放入光催化反应器（500W）中处理0.5h后，用纱布过滤去除不溶物，放进真空干燥箱（55℃）中干燥6h左右，成膜，最后放入相对湿度为42%的干燥器中保存。所得的抗菌膜表面光滑，呈不透明的淡粉色，二氧化钛（TiO₂）颗粒均匀地分布在抗菌膜中。

将1mL大肠杆菌（E.coli）菌悬液（菌浓度为10⁵ CFU/mL）分别涂布在每个抗菌膜的表面，在室温下采用紫外灯（365nm）照射2h，采用0.85%NaCl洗脱样品以去除灭菌板上吸附的细菌。然后将100μL菌悬液导入营养琼脂培养基，涂布均匀，在37℃下培养20 h后计数细菌总数。

其中，抗菌活性R(%) =(1-E/B)×100，E：复合膜上平均细菌总数；B：空白样（不含TiO₂的大豆蛋白溶液）上平均细菌总数

该方法所获得的抗菌膜其拉伸强度为1.88MPa，断裂伸长率为86.2%，抗菌活性为75.6%。

实施例3

将菠萝蜜丝脱脂粉与蒸馏水（80℃）以1:30（v/v）比例混合抽提3h后，旋转蒸发浓缩至原体积的1/3～1/4，再加入2.5倍无水乙醇静置12h，离心（8000r/min，10min）分离，将所得沉淀冷冻干燥即得菠萝蜜丝多糖；再将菠萝蜜丝多糖粉溶于去离子水中，配置成大约50%多糖溶液，并与甘油以1:0.016的质量比相混合搅拌1h后水浴加热到90℃保温20min，紧接着真空脱气；将二氧化钛（TiO₂）颗粒加入去离子水中，超声促溶；然后再将2%（w/w）TiO₂溶液缓慢加入热处理多糖溶液中，并适度搅拌30min，再放入光催化反应器（300W）中处理1h后，用纱布过滤去除不溶物，放进真空干燥箱（50℃）中干燥8h左右，成膜，最后放入相对湿度为42%的干燥器中保存。所得的抗菌膜表面光滑，呈不透明的淡粉色，二氧化钛（TiO₂）颗粒均匀地分布在抗菌膜中。

将1mL大肠杆菌（E.coli）菌悬液（菌浓度为10⁵ CFU/mL）分别涂布在每个抗菌膜的表面，在室温下采用紫外灯（365nm）照射2h，采用0.85%NaCl洗脱样品以去除灭菌板上吸附的细菌。然后将100μL菌悬液导入营养琼脂培养基，涂布均匀，在37℃下培养20 h后计数细菌总数。

其中，抗菌活性R(%) =(1-E/B)×100，E：复合膜上平均细菌总数；B：空白样（不含TiO₂的大豆蛋白溶液）上平均细菌总数

该方法所获得的抗菌膜其拉伸强度为3.27MPa，断裂伸长率为93.7%，抗菌活性为78.9%。

实施例4

将菠萝蜜丝脱脂粉与蒸馏水（80℃）以1:30（v/v）比例混合抽提3h后，旋转蒸发浓缩至原体积的1/3～1/4，再加入2.5倍无水乙醇静置12h，离心（8000r/min，10min）分离，将所得沉淀冷冻干燥即得菠萝蜜丝多糖；再将菠萝蜜丝多糖粉溶于去离子水中，配置成大约50%多糖溶液，并与甘油以1:0.016的质量比相混合搅拌1h后水浴加热到80℃保温30min，紧接着真空脱气；将二氧化钛（TiO₂）颗粒加入去离子水中，超声促溶；然后再将3%（w/w）TiO₂溶液缓慢加入热处理多糖溶液中，并适度搅拌30min，再放入光催化反应器（500W）中处理0.5h后，用纱布过滤去除不溶物，放进真空干燥箱（55℃）中干燥6h左右，成膜，最后放入相对湿度为42%的干燥器中保存。所得的抗菌膜表面光滑，呈不透明的淡粉色，二氧化钛（TiO₂）颗粒均匀地分布在抗菌膜中。

将1mL大肠杆菌（E.coli）菌悬液（菌浓度为10⁵ CFU/mL）分别涂布在每个抗菌膜的表面，在室温下采用紫外灯（365nm）照射2h，采用0.85%NaCl洗脱样品以去除灭菌板上吸附的细菌。然后将100μL菌悬液导入营养琼脂培养基，涂布均匀，在37℃下培养20 h后计数细菌总数。

其中，抗菌活性R(%) =(1-E/B)×100，E：复合膜上平均细菌总数；B：空白样（不含TiO₂的大豆蛋白溶液）上平均细菌总数

如图1所示，为实施例4制备得到的抗菌膜的表观图片，图2为抗菌膜的表面原子力显微镜图（a）和扫描电镜（b）；可以看出，TiO₂颗粒在多糖膜溶液中的分散性好。图3为抗菌膜的X-射线衍射图（a）和红外光谱图（b）；可以看出成膜效果好，膜内基团排列有序。

该方法所获得的抗菌膜其拉伸强度为2.92MPa，断裂伸长率为88.4%，抗菌活性为83.5%。而且如图4所示，添加TiO₂颗粒的抗菌膜抗菌性能明显增加，相对于菠萝蜜丝多糖而言，抗菌活性增加了90.9%；而相对TiO₂而言，抗菌活性增加了27.6%，可有效延长食品的货架期。

对比例1：

方法同实施例1，不同的是将菠萝蜜丝多糖粉溶于去离子水中，配置成大约30%多糖溶液，其余步骤和原料配比均同实施例1。在该浓度的多糖溶液条件下，不易成膜，且成膜效果非常差。

对比例2：

方法同实施例1，不同的是将菠萝蜜丝多糖粉溶于去离子水中，配置成大约70%多糖溶液，其余步骤和原料配比均同实施例1。在该浓度的多糖溶液条件下，成膜溶液过于黏稠，形成的膜很硬且厚度不均一，且TiO₂在膜中分布也不均一。

对比例3：

方法同实施例1，不同的是将菠萝蜜丝多糖粉溶于去离子水中，配置成大约50%多糖溶液，并与甘油以1:0.02的质量比相混合搅拌1h后水浴加热到80℃保温30min，紧接着真空脱气，其余步骤和原料配比均同实施例1。

在该质量比条件下，很难成膜，且成膜溶液会变成类似砂砾状的黏稠物质，成膜效果差。