一种pH和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜的制备方法与流程

本发明涉及一种ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜的制备方法，属于食品保鲜领域。

背景技术：

近年来，随着人们生活水平的提高，对各类水果的需求量也逐渐增加，但水果在储存以及运输过程中容易腐烂变质。防腐剂是一种简单有效的保鲜手段，但防腐剂具有时效性，这使得其在储存后期难以起到保鲜的作用，容易导致水果腐烂变质。并且，水果在高温下易发生腐烂变质，同时果实在成熟期会释放出酸性物质从而导致水果周围ph发生变化。因此，迫切需要一种能够响应水果的需求来控制防腐剂的释放体系，而温度和ph双重刺激响应型水凝胶体系在这一领域具有很大的应用潜力。

中国专利201610359858.6公开了一种芒果保鲜剂，采用山梨酸钠、蔗糖酯、硬脂酸钠、羧甲基纤维素钠、苹果酸、亚硫酸钠、谷氨酸钠和水混合，升温至45～50℃，之后搅拌8～10min，加入柠檬酸钠、酒石酸钠、维生素e搅拌2～4min，冷却至室温即得芒果保鲜剂，之后将芒果放入芒果保鲜剂中浸泡30～40s取出即可。该保鲜剂虽延长了芒果的保鲜期，但是不能响应水果的需求来控制防腐剂的释放，导致保鲜剂时效性短、且残留严重。中国专利201810569081.5公开了一种秸秆纤维素抗菌保鲜膜及其制备方法，制得秸秆纤维素抗菌保鲜膜在水果保鲜过程中能够防止细菌滋生，从而延长水果的保鲜期，但不具有水果响应性。

技术实现要素：

本发明提供一种ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜的制备方法，原料廉价易得，制备过程简单，易于操作；可根据食品ph和温度的变化来控制防腐剂的释放量，不仅延长了防腐剂的使用周期，还减少了防腐剂的用量和残留，具有优异的抗菌性能和柔韧性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜的制备方法，由纳米纤维素、n-异丙基丙烯酰胺、共聚单体、交联剂和游离氨基反应制得水凝胶膜，再将防腐剂负载在水凝胶膜上，得到ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜。

上述所得的ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜，通过改变外界温度或/和ph的变化，可实现防腐剂的释放从而起到保鲜的效果。

申请人经研究发现，水凝胶膜的温度响应性主要n-异丙基丙烯酰胺提供；ph响应性则主要由纳米纤维素中丰富的羧酸盐提供；将n-异丙基丙烯酰胺和纳米纤维素制得的水凝胶膜，不仅具有ph和温度双重刺激响应性，且ph和温度的相应范围与水果等的腐败ph和温度范围相适应，因此，将防腐剂负载在本申请特制的水凝胶膜上，可根据水果等的腐败ph和温度，进行防腐剂的有效释放，从而延长了防腐剂的使用周期，减少了防腐剂的用量和残留；现有的纤维素水凝胶膜存在柔韧性差的问题，容易出现破损，本申请通过原料的选择和反应的控制还使得水凝胶膜的柔韧性得到显著的提高，有效减少了破损。

纳米纤维素是由小麦秸秆采用碱预处理和tempo氧化两步工艺制备而成。

小麦秸秆的含水量为8％；tempo为四甲基哌啶氮氧化物。

作为一种优选的实现方案，为了提高反应效率和产品得率，同时保证所得产品的双重刺激响应性，上述ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将n-异丙基丙烯酰胺、共聚单体、交联剂和游离氨基溶于水，然后加入纳米纤维素水溶液，再在氮气保护下加入引发剂和催化剂，得反应物，将反应物料倒入pva模板中，在20～30℃下共聚反应6～8小时，得水凝胶膜；

(2)将步骤(1)中所得的水凝胶膜在蒸馏水中浸泡2～3天，每隔3～5小时换一次水，得到纯化的水凝胶膜；

(3)将步骤(2)中所得的水凝胶膜干燥至恒重，得到干凝胶膜；

(4)将步骤(3)得到的干凝胶膜放入到防腐剂水溶液中浸泡1～2天，即得ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜。

上述方法，20～30℃的常温即可完成水凝胶膜的制备，显著降低了反应能耗；通过原料的选择和反应的控制，在提高ph和温度双重刺激响应效果的同时，还使得水凝胶膜的柔韧性得到显著的提高。

步骤(3)中干燥通常需要在30～50℃干燥20～50小时，或冷冻干燥20～50小时。步骤(3)的干燥步骤可以提高步骤(4)中防腐剂的负载效率和负载量。

为了提高反应效率，步骤(1)中，n-异丙基丙烯酰胺的质量用量为纳米纤维素水溶液质量的8～60倍，优选为8～15倍；共聚单体的质量用量为纳米纤维素水溶液质量的10～90倍，优选为12～18倍；交联剂的质量用量为纳米纤维素水溶液质量的0.1～0.6倍，优选为0.1～0.15倍；游离氨基的质量用量为纳米纤维素水溶液质量的0.2～0.6倍，优选为0.23～0.26倍；引发剂的质量用量为纳米纤维素水溶液质量的0.1～0.7倍，优选为0.10～0.15倍；催化剂的用量为每1g纳米纤维素水溶液0.4～1ml，优选为0.4～0.5ml。这样在确保双重刺激响应效果的同时，更好地确保产品的柔韧性，各助剂用量的优选，柔韧性的提升更加显著。

为了便于n-异丙基丙烯酰胺在水溶液中的聚合反应，步骤(1)中，共聚单体为丙烯酰胺、丙烯酸钠或n,n-二甲基丙烯酰胺中的至少一种。

为了提高反应效率，同时确保产品质量，步骤(1)中，交联剂为n,n-亚甲基双丙烯酰胺。引发剂为过硫酸钾和2-2'-偶氮双-(2-2-基丙烷盐酸盐)，引发剂进一步优选为硫酸钾和2-2'-偶氮双-(2-2-基丙烷盐酸盐)质量比为1：(2～3)的混合物。

为了提高反应效率，催化剂为1、2-二(二甲基氨基)乙烷。

为了进一步提高干水凝胶膜的柔韧性，步骤(1)中，游离氨基为甲基丙烯酸-2-氨基乙酯盐酸盐。

上述防腐剂可以是现有食品常用防腐剂，优选，步骤(4)中，防腐剂为那他霉素、、苯甲酸、苯甲酸钠、山梨酸、山梨酸钾或丙酸钙中的至少一种

为了确保防腐效果，步骤(4)中，防腐剂水溶液中的防腐剂浓度为0.05～1mg/ml。

使用时，可将ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜包裹在水果外围，同时起到包装和保鲜的双重功效。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明制得的ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜，可直接包裹在水果外围，根据ph和温度的变化，适应性地释放防腐剂，且释放速度和释放量与水果防腐所需基本吻合，能有效的抑制水果的腐烂，从而延长水果的储存周期，使防腐剂得到充分高效的利用，解决了防腐剂残留量大、时效性短的问题；除了隔绝空气和外界细菌外，还可以抑制水果中水分的流失；通过对原料组分和制备参数的控制，使得水凝胶膜的柔韧性得到显著的提升，减少了因包装膜破损而导致的腐烂，对水果形成更加有效的防护；室温下即可完成制备，使得能耗显著降低。

附图说明

图1是水凝胶膜在不同温度下的溶胀率和防腐剂(na)释放量的变化曲线图。

图2是水凝胶膜在不同ph下的防腐剂(na)释放量随时间变化的曲线图。

图3是本发明实施例1所得凝胶膜覆盖在芒果上的图片。

图4是在不同的环境条件下进行水果储存实验。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

将100g含水量为8％的小麦秸秆用粉碎机粉碎，用5wt％的氢氧化钠和1wt％的亚硫酸钠混合溶液在120℃处理3h，然后在15wt％双氧水溶液中煮沸5h，之后用蒸馏水将其洗涤干燥得麦草综纤维素。称取0.75gtempo(2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物)，5g溴化钠于含100ml去离子水的250ml三口烧瓶中搅拌溶解，加入50g麦草综纤维素粉末。25℃下，通过0.1mol/lhcl调节次氯酸钠(有效氯12％，5mmol/g)溶液的ph值10左右，并慢慢将次氯酸钠溶液滴加入烧瓶，同时用0.5mol/lnaoh调节反应体系的ph保持10左右，次氯酸钠溶液一小时内滴完后，继续反应直到ph没有下降为止。然后用高速剪切均质机(ad200l-h)以2500r/min的转速对氧化后的基体进行分散、均质得纳米纤维素。

实施例2

称取1gn-异丙基丙烯酰胺、1.5g的丙烯酰胺、0.01g的交联剂n,n-亚甲基双丙烯酰胺和0.025g甲基丙烯酸-2-氨基乙酯盐酸盐溶解于50ml去离子水中，加入0.1g纳米纤维素溶液混合均匀。在氮气的保护下，加入引发剂过硫酸钾(0.0032g)和2-2'-偶氮双-(2-2-基丙烷盐酸盐)(0.00814g)，以及0.045ml的催化剂1、2-二(二甲基氨基)乙烷。之后将混合溶液倒入pva(聚乙烯醇)模板中，在25℃下反应8h，得到ph和温度双重刺激响应性纳米纤维素水凝胶膜，厚度为0.08mm，拉伸强度为5.4kpa。将所得到水凝胶膜置于蒸馏水中浸泡除去未反应的单体，每隔4小时更换一次蒸馏水，该过程进行3天。随后将水凝胶在30℃的烘箱中干燥24小时，然后将1.25g的干凝胶膜放在100ml的1mg/ml的那他霉素水溶液中浸泡1天。取出负载药物的水凝胶膜，即可得到ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜。

实施例3

称取1.25g的n-异丙基丙烯酰胺、1.86g的丙烯酰胺、0.012g的交联剂n,n-亚甲基双丙烯酰胺和0.038g甲基丙烯酸-2-氨基乙酯盐酸盐溶解于40ml去离子水中，加入0.078g纳米纤维素溶液混合均匀。在氮气的保护下，加入引发剂硫酸钾(0.004g)和2-2'-偶氮双-(2-2-基丙烷盐酸盐)(0.01g)，以及0.056ml的催化剂1、2-二(二甲基氨基)乙烷。之后将混合溶液倒入pva模板中，在30℃下反应6h，得到ph和温度双重刺激响应性纳米纤维素水凝胶膜，厚度为0.075mm，拉伸强度为3.36kpa。将所得到的水凝胶膜置于蒸馏水中浸泡除去未反应的单体，每隔4小时更换一次蒸馏水，该过程进行3天。随后将水凝胶膜冷冻干燥24小时，然后将0.625g的干凝胶膜放在50ml的1mg/ml的苯甲酸钠水溶液中浸泡1天。取出负载药物的水凝胶膜，即可得到ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜。

实施例4

称取1.5g的n-异丙基丙烯酰胺、2.25g的丙烯酰胺、0.015g的交联剂n,n-亚甲基双丙烯酰胺和0.046g甲基丙烯酸-2-氨基乙酯盐酸盐溶解于40ml去离子水中，加入0.026g纳米纤维素溶液混合均匀。在氮气的保护下，加入引发剂硫酸钾(0.0048g)和2-2'-偶氮双-(2-2-基丙烷盐酸盐)(0.012g)，以及0.067ml的催化剂1、2-二(二甲基氨基)乙烷。之后将混合溶液倒入pva模板中，在30℃下反应6h，得到ph和温度双重刺激响应性纳米纤维素水凝胶膜，厚度为0.07mm，拉伸强度为2.03kpa。将所得到的水凝胶膜置于蒸馏水中浸泡除去未反应的单体，每隔4小时更换一次蒸馏水，该过程进行3天。随后将水凝胶膜冷冻干燥24小时，然后将0.417g的干凝胶膜放在60ml的0.83mg/ml的苯甲酸钠水溶液中浸泡1天。取出负载药物的水凝胶膜，即可得到ph和温度双重刺激响应性食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜。

对比例1

称取1gn-异丙基丙烯酰胺、1.5g的丙烯酰胺、0.01g的交联剂n,n-亚甲基双丙烯酰胺和0.025g甲基丙烯酸-2-氨基乙酯盐酸盐溶解于50ml去离子水中，加入0.1g纳米纤维素溶液混合均匀。在氮气的保护下，加入引发剂硫酸钾(0.0032g)和2-2'-偶氮双-(2-2-基丙烷盐酸盐)(0.00814g)，以及0.045ml的催化剂1、2-二(二甲基氨基)乙烷。之后将混合溶液倒入pva模板中，在25℃下反应8h，得到ph和温度双重刺激响应性纳米纤维素水凝胶膜，厚度为0.08mm，拉伸强度为5.34kpa。将所得到的水凝胶膜置于蒸馏水中浸泡除去未反应的单体，每隔4小时更换一次蒸馏水，该过程进行3天，随后将水凝胶膜冷冻干燥24小时即可得到ph和温度双重刺激响应性纳米纤维素水凝胶膜。

效果实施例1

对实施例2制备得到的水凝胶膜置于ph＝7.4的pbs缓冲液中，在不同的环境条件下进行药物释放实验。由于水果在高温下更倾向于腐烂变质，因而水凝胶膜在高温下的药物释放能力要优异于在低温下，在20～50℃下进行了实验，如图1所示，在50℃下防腐剂的释放能力远远高于在20℃下的释放能力，释放量最大达到28％左右。同时，考虑水果在成熟后释放出酸导致ph的变化，也在不同ph条件进行药物释放的研究，如图2所示，在ph为5.5时水凝膜的药物释放能力要高于ph为10时的释放能力，释放量最大达到55％左右。上述结果证实本申请例制备的水凝胶膜可以在外界环境变化时释放出防腐剂，从而起到水果保鲜的作用。

效果实施例2

保鲜作用试验一

以新鲜芒果为试验水果，使用水凝胶膜(对比例1)以及负载有防腐剂的水凝胶膜(实施例2)，如图3所示。实验方法为：取新鲜、表面完好无坏的无垢芒果，分别包裹上一层各例所得纯水凝胶或负载有防腐剂的水凝胶后装入保鲜盒中，另外还有一组水果在表面直接涂有防腐剂后装入保鲜盒中。实验组先在低温(温度为10℃，湿度为85％)的环境下储存7天，再在室温(温度为25℃，湿度为85％)的环境下储存7天，最后在高温(温度为37℃，湿度为85％)的环境下储存3天，实验分为3组，每组25个重复，实验结果求取平均值，统计各组芒果表面细菌黑点的覆盖率。

表1芒果保鲜测试结果

表中数据和图4显示，水凝胶膜包裹的芒果和表面涂抹防腐剂的芒果在第17天时细菌黑点覆盖率均达到了100％；本发明例制备的含有防腐剂的水凝胶膜在第7天才开始出现细菌黑点，第17天时细菌黑点覆盖率只有43％，这说明本发明提供的ph和温度双重刺激响应食品保鲜纳米纤维素水凝胶膜可以有效的抑制细菌生长，有利于延长水果的储存时间，防止水果腐烂变质，且细菌黑点覆盖率增加速率缓慢，证明负载在水凝胶膜上的防腐剂随着芒果的环境变化在逐渐释放，且释放速度和释放量与芒果的环境所需基本吻合。

保鲜作用试验二

以新鲜草莓为试验水果，使用水凝胶膜(对比例1)以及负载有防腐剂的水凝胶膜(实施例2)，实验方法为：取新鲜、表面完好无坏的草莓，分别包裹上一层各例所得纯水凝胶或负载有防腐剂的水凝胶后装入保鲜盒中，另外还有一组水果在表面直接涂有防腐剂后装入保鲜盒中。在恒温恒湿(温度为25℃，湿度为50％)的环境下保持17天，实验分为3组，每组25个重复，实验结果求取平均值。统计各组中的坏果率，有腐烂或长霉现象的草莓都算坏果。坏果率(％)＝坏果/总果数×100％。

表2草莓保鲜测试结果

由上表可看出，只采用防腐剂的草莓在前期保鲜效果较好，但在7天开始防腐效果明显变差；采用对比例1中的水凝胶膜包裹，虽然也起到了一定的保鲜和防腐效果，但效果有限；采用实施例2中的水凝胶膜+防腐剂包裹，保鲜效果非常明显，虽然在第7天开始出现了坏果，但没有发生坏果突增的现象，从第7天到17天，坏果增加速率缓慢，证明负载在水凝胶膜上的防腐剂随着草莓释放出酸导致ph变化在逐渐释放，且释放速度和释放量，与草莓的ph所需基本吻合。