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淀粉/聚乳酸/壳聚糖共混抗菌材料制备中若干基础科学问题的研究

刘鹏  
【摘要】: 抗菌活性包装是上世纪90年代提出的一种新型包装理念,它是将抗菌剂混入一种或几种高聚物包装材料中,通过抗菌剂的缓慢溶出释放产生抗菌活性,逐渐减少或代替向食品中加入盐、糖或防腐剂等,在包装内部维持长期稳定的抗菌剂浓度而达到抗菌防腐的目的,使食品能够较长时间保存。抗菌活性包装材料具有传统包装材料不可比拟的优势,应用和发展前景十分广阔,是目前食品及材料领域研究的一个前沿和热点。 本论文是在高水分活度食品抗菌的需求下,在抗菌活性包装材料发展趋势的基础上,选择环境友好型的淀粉/聚乳酸共混材料作为基材,选择水溶性壳聚糖作为抗菌剂,深入研究淀粉在甘油/水混合溶液中的相变、直链/支链淀粉对热塑性淀粉玻璃化转变的影响、以及抗菌材料的抗菌活性等基础理论问题,为制备出环境友好的、能够用于高水分活度食品的淀粉/聚乳酸/壳聚糖共混抗菌活性包装材料提供理论和工艺支持。 本论文在制备热塑性淀粉时,选用甘油/水混合溶液作为增塑剂,深入研究了淀粉在甘油/水混合溶液中的相变,发现甘油/水混合溶液是作为一个整体来影响淀粉的相变,甘油不是“反增塑剂”,只要混合溶液中有“足量的”自由羟基存在,淀粉相变的发生就只受温度的影响,与甘油含量无关,且相变吸热焓值不会随混合溶液中甘油比例的不同发生变化。另一方面,在富甘油相混合液(甘油摩尔分数高于0.8)增塑时,由直链淀粉分子和脂类所形成的络合物吸热熔融产生的M2峰消失,这是由于甘油会抽提淀粉中的脂类物质,破坏直链淀粉分子和脂类所形成的络合物。这些研究结果,尤其是不同甘油含量的甘油/水混合溶液对高直链含量的淀粉在高温下(~180°C)多重相变的影响尚未见报道,且这些研究结果可以用来指导甘油/水混合溶液增塑条件下的热塑性淀粉的制备。 对热塑性淀粉玻璃化转变温度(T_g)的准确测定,以及直链/支链淀粉对T_g的影响,这些是热塑性淀粉材料领域里尚未解决的问题。本论文针对这些问题,首先建立了合适的方法测量热塑性淀粉的玻璃化转变温度,发现高速升温DSC通过提高升温速率,能将玻璃化转变和结晶熔融两个热事件分离开,能够消除水分蒸发对T_g的影响,并且能够放大热信号,提高仪器灵敏度,避免基线噪音的干扰,而通过一定的校正方法,又可以消除升温速率过快带来的温度滞后效应,因此最适用于测量热塑性淀粉的T_g;然后在此基础上研究了直链/支链淀粉对热塑性淀粉玻璃化转变温度的影响,发现相同水分含量的热塑性玉米淀粉,其T_g随着直链淀粉含量的增大而升高,并从重结晶、热塑性淀粉的相变模型等角度进行了解释。上述研究成果有助于丰富和充实淀粉科学理论,并且由于T_g是高分子材料加工的重要参数,决定了材料的加工温度,因此这些结果也可以用来指导热塑性淀粉的制备。对不同直链/支链淀粉含量的热塑性淀粉T_g的研究,尚未见报道。 本论文选用淀粉/聚乳酸共混材料为基材制备抗菌材料。在制备过程中,利用配有密炼机的Haake转矩流变仪研究甘油/水混合溶液增塑时,不同甘油比例对热塑性淀粉流变性质的影响,发现富甘油相混合液增塑时,样品的喂料峰很微弱,相变峰很明显;富水相混合液增塑时情况相反,喂料峰很大,相变峰很微弱;而当混合溶液中甘油和水的比例达到一定时(70:30和80:20,甘油/水),由于甘油和水的相互作用降低了混合溶液的润滑效果和增塑活性,使得样品的喂料峰和相变峰都很明显。此外还利用接触角评价了共混材料的亲疏水性,发现聚乳酸的亲水性差,水对聚乳酸的浸润速度很缓慢;而加入淀粉后,材料的亲水性增强,且水对材料的润湿速度随着淀粉含量的增加而增大,这就为壳聚糖的溶出迁移提供了依据。 本论文将壳聚糖与淀粉/聚乳酸共混粒料一同挤出,制备抗菌材料。通过测定壳聚糖从抗菌材料中的溶出迁移,发现壳聚糖的溶出分为快速溶出阶段和缓慢溶出阶段,前者是分散于材料表面的壳聚糖遇水后的溶出迁移,后者是分散在共混材料内部的壳聚糖在水分子的渗透下,逐渐从材料内部迁移溶出。通过定性、定量考察不同壳聚糖含量的抗菌材料的抗菌活性发现,当壳聚糖在材料中的含量达到10%后,材料具有显著的抗菌实效性;并且由于壳聚糖的溶出是一个缓慢的过程,能够使抗菌活性在一定时间内维持。 综上,本论文深入探讨了淀粉/聚乳酸/壳聚糖共混抗菌材料制备中的若干基础科学问题。通过对这些问题的深入研究,为制备出环境友好的、能够用于高水分活度食品的抗菌活性包装材料提供理论和工艺支持,将淀粉和淀粉基材料在包装材料领域中的应用推进更深层次。


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