果胶/纤维素基抗菌膜制备及抗菌剂释放研究

【摘要】：生物基抗菌包装作为近年来被广泛关注的一类食品包装材料,可以通过持续地向包装食品表面释放抗菌剂阻止食品腐败,延长食品货架期,实现包装食品内最少或无防腐剂添加,以及缓解传统塑料包装的消耗,降低对生态环境的破坏。包装食品寿命主要在于包装材料内抗菌剂的释放效果。通过调节抗菌剂的释放可达到合理地控制抗菌剂释放的目的。本论文制备了低甲氧基果胶/羧甲基纤维素(LMP/CMC)共混膜；针对LMP/CMC膜内山梨酸钾(PS)的释放进行了系统研究,基于释放试验获得了PS向食品模拟物释放的规律,揭示了环境温度、膜组分比、CaCl2和蒙脱土(MMT)浓度影响PS向不同模拟物释放的机制；分析PS释放的关键参数(扩散系数(DP)或分配系数(KF,P))与环境温度、膜组分比、CaCl2和MMT浓度变化的关系,确立了PS释放参数与环境温度、膜组分比及CaCl2的关系；构建了抗菌膜内PS释放的预测模型,应用于抗菌膜内山梨酸钾向真实食品的释放预测。(1)低甲氧基果胶/羧甲基纤维素共混膜制备及性能评价。流延法制备LMP/CMC-MMT共混膜,研究膜组分比和MMT浓度对共混膜包装性能的影响。结果表明：CMC的添加改善了共混膜拉伸性能,提高了其透明度。MMT(1～4%)的添加进一步改善共混膜拉伸性能,降低其水蒸气透过率和含水量；但8%的MMT在膜内聚集,破坏膜结构,降低其拉伸性能和阻水能力。(2)抗菌膜内山梨酸钾的释放规律研究。试验研究不同温度对抗菌膜(LMP/CMC-PS, LCP)内PS向脂肪模拟液(95%乙醇和异辛烷)释放的影响；系统研究4℃下,LCP抗菌膜(不同膜组分比(LMP/CMC)、 CaCl2及MMT浓度)内PS的释放规律,同时探索膜组分、CaCl2和蒙脱土影响山梨酸钾向95%乙醇和50%乙醇模拟物释放的机制。结果表明,PS在95%乙醇中的释放率高于异辛烷中。抗菌膜在95%乙醇和50%乙醇中有着不同的溶胀现象,影响PS的释放规律,CMC含量降低、CaCl2和MMT浓度升高均可延缓PS的释放。95%乙醇中,抗菌膜无明显的溶胀现象,随着CMC含量的增加,抗菌膜内水分含量增加,加速了PS的释放；CaCl2浓度增加使膜分子链间变得更加致密,延缓了PS释放；MMT浓度的增加可将更多的PS保留在抗菌膜内。50%乙醇中,抗菌膜有着明显的溶胀现象,随着CMC含量的增加,抗菌膜的溶胀率升高,加速PS的释放；CaCl2浓度的增加加强了膜分子间相互作用,降低抗菌膜溶胀率,延长了PS达到释放平衡的时间；MMT添加量的增加降低了抗菌膜的溶胀率,延缓PS达到释放平衡的时间。(3)抗菌膜内山梨酸钾释放的关键参数研究。通过使用菲克扩散模型拟合PS释放,研究PS释放的关键参数(DP与KF,P)与环境温度、膜组分比、CaCl2和MMT浓度变化的关系；确立了PS释放参数与环境温度、膜组分比及CaCl2浓度的关系；使用幂律模型分析抗菌膜内PS在两种模拟液的释放机制。结果表明,PS的DP、KF,P与温度符合阿伦纽斯方程；膜组分比、CaCl2浓度及(1、2%)MMT对PS向95%乙醇的释放行为可以很好地使用菲克模型模拟；高浓度MMT对PS的释放更适合使用菲克扩散模型和一级动力学方程共同模拟；通过降低膜组分CMC含量、提高CaCl2和MMT浓度可达到有效地降低PS的DP或KE,P；确定了PS的DP和KF,P分别与膜组分CMC含量和CaCl2的线性关系。使用菲克扩散模型拟合PS向50%乙醇的释放,通过降低膜组分CMC含量、增加CaCl2和MMT浓度均能降低PS的扩散系数,PS的DP与膜组分比和CaCl2浓度呈线性相关。使用幂律模型证实了PS向95%乙醇释放是由扩散导致的,释放过程遵循菲克扩散模型,PS向50%乙醇释放是抗菌膜的溶胀松弛引起的,不再遵循菲克扩散模型,偏离了菲克模型。(4)抗菌膜内山梨酸钾释放预测模型的构建。通过分析PS释放参数(DP与KF.P)与膜组分比、环境温度的关系,确立了PS释放参数关于膜组分比和环境温度的方程；基于菲克扩散模型,建立了PS在模拟液中关于膜组分比和环境温度的释放预测模型。结果表明,所建模型通过模拟液的释放试验实现对PS释放规律的预测,同时有效实现了PS向真实食品(橄榄油)的释放预测。