纳米抗菌涂膜材料的制备及在果蔬保鲜中的应用

毕业论文纳米抗菌涂膜材料的制备及在果蔬保鲜中的应用The preparation of nanometer anti-bacterial coating material and application in keeping fruits and vegetables fresh班级：生物化工工艺 082班学生姓名：蒋思远学号：830104058 指导教师：李宗磊/赵琪职称：讲师/讲师导师单位：徐州工业职业技术学院化工系徐州工业职业技术学院毕业论文任务书课题名称纳米抗菌涂膜材料的制备及在果蔬保鲜中的应用课题性质科学实验类班级生化082学生姓名蒋思远学号830104058指导教师李宗磊/赵琪导师职称讲师/讲师一．选题意义及背景人们把肉眼可以看到的物质体系叫做宏观体系，把空间线度小于10-9~10-8m 的原子、分子体系叫做微观体系，而纳米颗粒是小于10-9m的粒子。

纳米粉体是指颗粒径介于1~100nm之间的一种固体和分子间的亚稳中间态物质，随颗粒尺寸的微细化，比表面积与体积的比例随之增大，从而使其在保持原物质化学性质的同时，又具有明显不同于其它材料和单分子的独特性质——表面效应和宏观量子隧道效应等，这一系列效应使纳米粒子在许多方面都显示出特殊性能。

近几年我国一些常用纳米微粒的制备技术已日趋成熟,如浙江舟山明日纳米材料公司能年产100ｔ纳米硅基氧化物;江苏常泰化工集团公司能年产100ｔ纳米二氧化钛。

人类与有害微生物的战争已延续了千万年。

从古埃及木乃伊防腐技术到现代高科技抗菌技术，人类虽已开发出许多有效的抗菌技术来抵抗有害微生物，但这些技术在抗菌的同时，对人类本身及环境也会造成不良的影响。

造成这种情况，主要是因为要抑制微生物的代谢功能，在一定时间内阻碍微生物生长，才能够抗菌。

由于必须在短时间内将所有微生物杀死，所以杀菌技术的毒性必须很强，才能够在短时间杀死微生物，相对也就对人类及环境造成某种程度的伤害。

因此，新的抗菌技术，就是将抗菌控制在适当功效即可，对人类的生活环境无害。

一般而言，抗菌剂可分为两大类：有机系列及无机系列，有机系列又可分为合成系列及天然系列。

合成有机系抗菌剂是从1950年左右开始发展，主要应用在纤维、皮革、木材防腐、建筑、涂料、造纸等工业用途上。

近年来由于人们对环境安全的重视和较高的抗菌要求，开发出了天然有机系抗菌剂及无机系抗菌剂，天然有机系抗菌剂主要应用于食品保鲜上。

而无机系抗菌剂的开发伴随着纳米抗菌材料的发展变得更有潜力。

目前，国内外对果蔬保鲜的方法有：低温贮藏法、化学保鲜法和涂膜法等。

低温贮藏要求昂贵的设备，成本较高；化学保鲜法应用最广泛，但易给果蔬造成有害物质残留。

涂膜法是一种新兴的果蔬保鲜法，特别是有些天然成膜材料无毒、成本低、易操作，有显著的保鲜效果，因此受到人们的广泛关注。

壳聚糖是一种由2-氨基2-脱氧葡萄糖和少量2-乙酰氨基2-脱氧葡萄糖单体通过β-1.4糖苷键连接起来的直链多糖,其结构类似于纤维素，可由甲壳素经脱乙酰基而制得，广泛存在于低等动物的甲壳中。

将其涂膜于果蔬上进行保鲜，一方面阻止外界的空气进入膜层内，从而抑制果蔬原料的呼吸作用，另一方面能使呼吸产生的二氧化碳外逸，防止出现无氧发酵。

果蔬被膜保鲜的机理是通过果蔬表面的膜调节体内的氧气和二氧化碳浓度，使其呼吸作用减弱，达到保鲜的目的。

同时，壳聚糖的成膜性也阻碍了病原菌与寄主组织或细胞的直接接触，减少了病原菌的有效侵入。

壳聚糖膜层的厚度是影响保鲜效果的主要因素。

不同粘度的壳聚糖均存在一个最适宜的壳聚糖浓度。

小于其最适浓度,保鲜剂的粘度过小，在果蔬表面形成的壳聚糖膜层很薄，它对果蔬体内与空气的气体交换的阻力就小，导致果蔬体内氧气浓度升高，二氧化碳浓度降低,果蔬呼吸作用增强,保鲜效果下降。

高于最适宜浓度，保鲜效果也下降，这是由于保鲜剂粘度太高，在果蔬表面形成的壳聚糖膜层很厚，使果蔬体内氧气浓度太低，不能满足完全的正常呼吸，而为部分缺氧呼吸所代替，果蔬不但成熟快，而且品质下降。

壳聚糖的抗菌作用主要有以下两种机理：一种是壳聚糖通过吸附在细胞表面，形成一层高分子膜，阻止营养物质向细胞内的运输，从而起到抑菌杀菌作用；另外一种机理是壳聚糖通过渗透进入细胞体内，吸附细胞体内带有阴离子的细胞质，并发生絮凝作用，扰乱细胞正常的生理活动，从而杀灭细菌。

因为革兰氏阳性菌(St.aureus)和革兰氏阴性菌(E.coli)的细胞壁结构不同，两种作用对它们影响程度也不同，故不同分子量的壳聚糖，其抗菌机理不同。

对于St.aureus，前一种作用机理起主导作用，主要是分子量越大，,所形成外层膜越致密，越能阻止营养物质进入细菌细胞，因而抗菌作用效果更明显。

而对于E.coli来讲，后一种作用机理起主导作用，因为分子量越小，越容易进入细胞壁的空隙结构内，从而干扰细胞的新陈代谢，杀死细菌。

这样，当壳聚糖涂膜用到食品表面，壳聚糖及其降解产物能抑制微生物生长，从而防止食品腐烂变质。

但纳米抗菌涂膜保鲜研究国内外鲜见报道。

我们考虑将纳米SiO x、纳米TiO2和纳米ZnO与壳聚糖或其它成膜基质分别共混，使纳米颗粒与成膜基质形成牢固的纳米抗菌涂膜对果蔬进行保鲜。

纳米SiO x颗粒的适量加入可增加形成牢固的纳米抗菌涂膜，同时利用硅氧键对CO2和O2吸附、溶解、扩散、释放作用，调节膜内外CO2和O2的交换量，从而抑制果蔬呼吸强度，达到保鲜、保水的作用，但是普通纳米SiO2颗粒并不具备显著的抗菌作用，应加入一些抗菌助剂。

纳米TiO2具有较高的光催化性，是一种光催化半导体抗菌剂，作为一种ｎ型半导体，其禁带宽度相当于波长400nm光的能量，在波长小于400nm的光照射下，能吸收能量高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁,价带电子被激发到导带，形成空穴电子对，并将能量传递给周围的介质，诱发光化学反应，具有光催化能力。

其光催化反应如下：ＴiＯ2+ｈν→(ＴiＯ2)ｈ++(ＴiＯ2)ｅ-Ｏ2+e-→Ｏ2-Ｈ2Ｏ+ｈ+→·OH+Ｈ+Ｏ2-+Ｈ+→•OOH式中ｅ-与h+分别代表晶体表面产生的电子及空穴,它们与水及氧反应的产物是Ｏ2-(过氧离子)及反应活性很高的·ＯＯＨ或·ＯＨ(氢氧基)。

由于生成的自由基具有很强的氧化、分解能力，可破坏有机物中Ｃ─Ｃ键、C─Ｈ键、Ｃ─Ｎ键、Ｃ─Ｏ键、Ｈ─Ｏ键、Ｎ─Ｈ键,因而具有高效的分解有机物的能力，可用于杀菌、除臭、防老化及消毒,比常用的氯气、次氯酸等具有更大效力。

纳米级的ＴiＯ2粒径小、表面原子多，光吸收效率大大提高,增大了表面光生载流子的浓度。

纳米ＴiＯ2的比表面积大，吸附能力强,吸附的ＯＨ- 、水分子、Ｏ2-增多，由此会带来含氧小分子活性物种也随之增加，提高了反应效率。

同时,由于纳米ＴiＯ2的氧化还原电位也发生变化，由光激发而产生的价带空穴具有更正的电位，导带电子具有更负的电位,因而氧化还原能力增强。

纳米ＴiＯ2抗菌的主要特点：(1)只需微弱的紫外光照射,例如荧光灯、阴天的日光、灭菌灯等就可激发反应；(2)ＴiＯ2仅起到催化作用，自身不消耗，理论上可永久性使用，对环境无二次污染；(3)ＴiＯ2对人体安全无害。

本实验所研究的复合膜还有望作为新型绿色抗菌包装材料，有效延长乳制品、果汁、肉类食品的保存期，消除传统包装带来的白色污染。

二．毕业设计（论文）主要内容：1. 纳米SiO x、纳米TiO2的预处理，以期其能均匀分散于成膜液中。

2. 将上述处理后的纳米材料以适当比例与壳聚糖的醋酸溶液共混，适当添加各种助剂并测复合膜的结构表征和性能。

3 涂膜中添加适当助剂后用于果蔬的保鲜，在室温或冷藏条件下测定保鲜效果。

主要测定指标如下：（1）感官评价，包括颜色和霉变率等。

（2）失重率，称量法。

（3）硬度（4）Vc含量2，6-二氯靛酚滴定法三．计划进度：1．10.18—10.20：在图书馆利用相关数据库查阅课题相关资料。

2．10.21—10.22：根据所查资料，结合本课题要求，设计实施课题的方案，准备实验。

3．10.23—11.13：按照设计方案进行实验。

4．11.14—11.21答辩：完成毕业论文及答辩。

四．毕业设计（论文）结束应提交的材料：1、毕业论文（电子版和纸质版）；2、实验记录本（用专门的实习记录本）。

指导教师李宗磊赵琪教研室主任吴昊2010 年10 月17 日2010 年10 月17 日论文真实性承诺及指导教师声明学生论文真实性承诺本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。

毕业生签名：日期：指导教师关于学生论文真实性审核的声明本人郑重声明：已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。

指导教师签名：日期：目录摘要 (I)Abstract (II)第一章前言 (1)1.1纳米材料和纳米粉体表面改性.................................................................................... (1)1.1.1纳米材料的性质 (1)1.1.2纳米粉体表面改性 (1)1.2壳聚糖的结构修饰及其应用 (2)1.3果蔬保鲜的发展现状 (3)1.4壳聚糖在果蔬保鲜中的应用 (3)1.5果蔬保鲜发展趋势 (6)1.5.1涂膜保鲜法 (7)1.5.2涂膜保鲜法的优点 (8)1.6本研究的立题背景及主要内容 (8)1.6.1立题背景 (8)1.6.2立题内容 (10)1.6.3本论文的创新之处 (10)第二章实验部分 (11)2.1实验材料和仪器 (11)2.1.1实验试剂和仪器 (11)2.1.2实验菌种 (12)2.2纳米粉体与复合涂膜制备 (12)2.2.1纳米材料的改性实验 (12)2.2.2纳米复合涂膜液的制备 (13)2.3纳米S I O X、T I O2/壳聚糖涂膜抗菌实验 (13)2.3.1牛肉膏蛋白胨培养基的制备 (13)2.3.2微生物接种 (14)2.3.3抑菌方法 (14)2.3.4复合膜涂布法测定抑菌性能 (15)2.4纳米S i O X、TiO2/壳聚糖涂膜保鲜实验 (15)2.4.1猕猴桃的处理 (15)2.4.2其它水果的涂膜处理 (15)2.4.3V C 含量的测定 (16)2.4.4失重率的计算 (17)第三章实验结果 (18)3.1实验结果 (18)3.1.1复合涂膜液的抑菌性能 (18)3.1.2复合涂膜液的保鲜性能 (18)3.2实验小结 (21)展望 (22)主要参考文献 (23)致谢 (25)摘要壳聚糖是一种天然多糖类的生物大分子，具有无毒、无味、抗菌作用、良好的生物降解性和成膜性等优点，广泛应用于果蔬涂膜保鲜。