ZnO--乙基纤维素/明胶复合纳米纤维膜的制备及性质探究

摘要

食源性微生物腐败会降低食品品质并缩短货架期，因此具有抑菌功能的食品包装材料具有广阔的应用前景。安全性、稳定性和抑菌性是抑菌食品包装的主要特点。明胶(Gelatin，G)作为天然的蛋白质多聚物，有着极好的生物相容性、生物可降解性和无免疫原性，安全性很高。机械性能良好和高度疏水的乙基纤维素(Ethylcellulose，EC)保证了稳定的结构。氧化锌(Zinc Oxide，ZnO)因其卓越的机械强度、高比表面积、无毒性和广谱抑菌能力，常被选为优势抑菌剂。本课题以EC和G为原料，对比溶剂涂膜和技术静电纺丝技术对膜材料性质的影响，确定静电纺丝技术为优势制膜方法，然后通过调节不同原料比例选取性质适宜的纤维膜用于ZnO装载和抑菌性探究。主要的研究内容如下: 首先，分别采用溶剂涂膜技术和静电纺丝技术制备EC/G复合膜以及纯EC、G膜。通过扫描电镜(SEM)、热分析、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、元素分析(XPS)、水接触角(WCA)和溶剂稳定性等试验对膜表面形貌、化学结构、亲水性和耐溶剂性等进行表征。研究发现，相比于纯EC、G膜，EC/G复合膜的电纺性能和热稳定性更好。与溶剂涂膜技术相比，电纺纤维膜的网络结构更为紧密。复合电纺纤维膜的WCA为113.8°，呈现疏水界面，而复合涂膜材料的WCA为67.5°,表面亲水。浸泡实验结果表明，复合纤维膜的水稳定性更高而复合涂膜对乙醇溶液更稳定。 其次，通过调节EC和G的质量比，成功制备了性质可调的EC/G复合纤维膜。在电纺之前，借助汉森溶解度参数预测溶液体系相容性，并采用流变学试验验证。对于电纺纤维膜的物理性质，通过SEM、孔隙率、热分析、FTIR、WCA和体外降解等试验进行表征。结果表明，高G含量(75％)的纤维膜表面亲水(WCA=53.5°)，同时吸水能力强（吸水后与吸水前质量比，1234.14％）;高EC含量(75％)的纤维膜表面疏水(WCA=129.7°)，水稳定程度高。当G和EC含量相等时，体系相容性最高，形成纤维形态最纤细均一，并且孔隙度最高(92.46％)，具有较好的表面疏水性和水稳定性。 最后，选用EC和G质量比为1∶1的复合纤维膜装载不同含量的ZnO纳米颗粒。结果表明，ZnO均匀分散在EC/G网络结构中。同时ZnO的加入降低了纤维膜表面的G含量，强化了纤维膜表面疏水性和水稳定性。抑菌试验表明，ZnO的复合纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效率存在剂效关系。添加1.5％ZnO含量的复合纤维膜经UV照射之后，对金黄色葡萄球菌的最大抑制率由43.7％增加到62.5％。荧光定量法结果表明，UV照射促进胞内活性氧自由基生成是强化ZnO抑菌活性的原因之一。因此，ZnO-复合纤维膜具有较强的表面疏水性、水稳定性和广泛抑菌能力，适用于抑菌食品包装领域。

目录

声明

致谢

摘要

中英文缩写对照表

1．1静电纺丝技术概述

1．1．1静电纺丝技术基本原理

1．1．2静电纺丝技术主要影响因素

1．1．3多聚物溶液相容性预测理论

1．2纤维素和明胶在电纺纤维的应用

1．2．1明胶电纺纤维

1．2．2纤维素电纺纤维

1．2．3复合电纺纤维

1．3．1抑菌剂的选择

1．3．2静电纺丝在食品包装领域的应用

1．4立项意义及内容

1．4．1立项意义

1．4．2立项内容

第二章明胶／乙基纤维素复合膜的制备：静电纺丝技术VS溶剂涂膜技术

2．1前言

2．2原料、试剂及设备

2．2．1实验原料与试剂

2．2．2实验设备

2．3实验方法

2．3．1电纺溶液的制备

2．3．2溶剂涂膜法制备复合膜

2．3．3静电纺丝复合纤维膜制备

2．3．4检测与表征

2．3．5数据分析

2．4结果与讨论

2．4．1形貌分析

2．4．2热稳定性

2．4．3 X射线衍射

2．4．4傅里叶红外光谱

2．4．5水接触角

2．4．6 X射线光电子能谱

2．4．7溶剂稳定性

2．4．8膜形成机理

2．5本章小结

3．1前言

3．2原料、试剂及设备

3．2．1实验原料与试剂

3．2．2实验设备

3．3实验方法

3．3．1电纺溶液的制备

3．3．2流变学表征

3．3．3复合纤维膜制备

3．3．4检测与表征

3．3．5数据分析

3．4结果与讨论

3．4．1溶液相容性

3．4．2形貌分析

3．4．3孔隙度

3．4．4热稳定性

3．4．5傅里叶红外光谱

3．4．6水接触角

3．4．7水蒸气透过率

3．4．8体外降解实验

3．5本章小结

第四章ZnO-复合纤维膜的抑菌功能

4．1前言

4．2原料、试剂及设备

4．2．1实验原料与试剂

4．2．2实验设备

4．3实验方法

4．3．1电纺溶液的制备

4．3．2流交学和电位表征

4．3．3复合纤维膜制备

4．3．4检测与表征

4．3．5数据分析

4．4结果与讨论

4．4．1流交学和电位表征

4．4．2形貌分析和元素扫描

4．4．3 X射线光电子能谱

4．4．4 X射线衍射

4．4．5傅里叶红外光谱

4．4．6机械性能

4．4．7水接触角

4．4．8水稳定性

4．4．9抑菌圈

4．4．10 UV辐射后的抑菌动力学

4．5本章小结

5．1主要结论

5．2展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果