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细菌纤维素多糖基复合膜的制备及其性能研究

琚斯怡  
【摘要】:为了减少由不可生物降解塑料造成的环境问题,本文基于具有高机械强度的细菌纤维素(BC),以自然界中极为丰富的壳聚糖(CS)和半乳甘露聚糖(GG)作为功能组分,通过它们与其他可生物降解的聚合物复合得到具有良好性能的包装复合膜,期望可以作为合成塑料的替代品用于食品包装。论文主要研究结果如下:(1)通过浸渍法制备细菌纤维素/聚乙烯醇/壳聚糖复合膜并进行表征。以原BC湿膜片进行反应,通过将其浸入不同浓度比的CS和聚乙烯醇(PVA)混合溶液制备BC/PVA/CS复合膜。红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)表明BC、CS、PVA之间具有良好的相容性及氢键作用。与BC相比,PVA优良的增韧性能可增加膜的断裂伸长率。CS赋予了复合膜抗菌活性,当CS和PVA的浓度分别为0.5%和2.0%w/v时,膜对大肠杆菌具有最好的抑制效果,抑菌环宽度为1.450±0.150 mm。(2)对BC和壳聚糖参与成膜的形式进行改进。以原BC湿膜片制备复合膜的研究证明了其可行性,但产物的抗菌性能不突出,因此将BC改进为分散液态制备复合膜。考虑到BC分散液和CS直接混合会絮结,先将BC和PVA混合制备BC/PVA基膜。同时,将CS制成壳聚糖纳米粒子(CSNPs),对CSNPs进行表征发现其相对于CS具有更弱的结晶性质和更高的热稳定性,并且CSNPs本身易团聚。(3)通过共混法制备细菌纤维素/聚乙烯醇/壳聚糖复合膜并进行表征。将两种壳聚糖分别掺入BC/PVA基膜获得BC/PVA/CS、BC/PVA/CSNPs复合膜,比较不同CS、CSNPs的影响。扫描电镜(SEM)和XRD表明CS或CSNPs与BC/PVA之间都存在良好相容性,但CSNPs膜会出现部分纳米粒子的团聚。CS和CSNPs分别提高和降低了复合膜的拉伸强度,但所有膜的最低值也高达45.39±2.80 MPa。CS的亲水性基团会增加复合膜的水分含量,而CSNPs的紧凑的纳米结构可减少膜的水蒸气透过率。由于CSNPs具有更高的表面电荷密度,同样浓度下BC/PVA/CSNPs复合膜的抗菌性能明显大于BC/PVA/CS。当添加浓度为2.5%w/v时,BC/PVA/CSNPs和BC/PVA/CS复合膜的抑菌环宽度最高分别为10.33±1.55和7.73±0.20 mm,均远大于以原BC湿膜制备的复合膜。BC/PVA/CS复合膜具有较高的透明度,但200-280 nm处的平均透射率均在30%以上,紫外阻隔能力较差,而BC/PVA/CSNPs表现出较好的紫外线阻隔性能。(4)通过共混法制备细菌纤维素/半乳甘露聚糖/壳聚糖复合膜并进行表征。考虑到PVA作为合成聚合物的潜在危害,同时为了进一步改善复合膜的紫外阻隔性能,用天然的瓜尔半乳甘露聚糖(GG)制备复合膜,BC/GG作为对照,再掺入CS和CSNPs得到BC/GG/CS、BC/GG/CSNPs复合膜。发现CSNPs与BC/GG基质的相互作用不如CS强,CS提高了复合膜的拉伸强度和断裂伸长率,而CSNPs导致膜机械性能下降,并且CSNPs降低复合膜水分含量、水溶解性和水蒸气透过率的能力不如CS。相比BC/GG膜,加入低浓度(0.5%w/v)CS和高浓度(2.5%w/v)CSNPs可增强膜的紫外阻隔性能,所有复合膜在200-280 nm处的平均透射率都低于11%。在同等的CS或CSNPs浓度下,由于GG的存在,BC/GG/壳聚糖复合膜表现出比BC/PVA/壳聚糖更好的紫外(200-280 nm)阻隔性能。


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