CN109898358A - 一种植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，以桉木漂白硫酸盐浆为原料，制备微纤化纤维素MFC，用超声乳化技术制备百里香精油纳米乳液；取一定比例的MFC水悬浊液与百里香精油纳米乳液进行复配混合均匀，冷冻干燥处理得精油/MFC气凝胶。该方法利用MFC气凝胶高孔隙率、超低密度和优异的吸附性能，使具有高效、广谱抗菌能力的精油吸附在气凝胶内部，实现精油得长时间、持续地释放，并可以长时间保持在一定浓度范围，可以用于冷鲜食品的抗菌包装。此方法简单易行、经济、环保，可以有效延长冷鲜食品的货架期。

Description

一种植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法

技术领域

本发明属于包装材料领域，涉及抗菌、缓释技术，尤其是一种植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，食品包装安全备受关注，以包装为出发点，食品为中心点的抗菌包装越来越注重其所用材料的绿色环保和安全性。现如今，化学合成保鲜剂的安全、健康及环保性能受到质疑，天然植物源保鲜剂的应用成为科研人员研究的重点。天然植物精油在抗菌包装中有时会出现精油释放速率过快而造成包装内浓度过高的现象，而浓度过高会破坏被包装产品的质量。另外，精油成分释放过快导致短时间内抑菌剂消耗完毕从而影响被包装产品的货架寿命。因此，结合精油的挥发、抑菌特性研制具有精油缓释功能的材料，使包装内精油能够缓慢释放并且长期稳定在一定浓度水平，从而抑制或延缓包装产品中微生物的生长速率，进而达到控制包装中微生物污染等现象的产生，是包装材料领域新的研究方向之一。

由植物纤维制备的微纤化纤维素(MFC)是一种具有高长径比的纳米级纤维材料，具有良好的分散性和较好的稳定性。以MFC为原料制备出三维网络结构的气凝胶具有孔隙率高、比表面积大、隔热和吸附性能好等显著特点。纤维素基气凝胶是继无机、合成聚合物气凝胶之后生成的第三代气凝胶，纤维素气凝胶在保持第一、二代气凝胶多孔网络结构功能特性的同时，又融入了纤维素材料特有的原料绿色可再生、可生物降解和可生物兼容以及柔韧、易加工等优点。将天然植物抗菌剂与纤维素复合可进一步提高纤维素资源的应用范围，成为复合型材料发展的新趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，该方法简单、经济、环保，延长了冷鲜食品的货架期。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，具体制备步骤如下：

1、以桉木漂白硫酸盐浆为原料，用酶预处理和2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)氧化预处理两种方法制备微纤化纤维素(MFC)并确定制备气凝胶所用MFC的最佳浓度；

2、用超声乳化技术制备百里香精油纳米乳液；

3、确定MFC与百里香精油纳米乳液的混合比例；

4、制备精油/MFC气凝胶。

步骤1的具体操作为：

(1)酶预处理制备MFC的步骤：

1)瓦利前打浆处理：称取绝干桉木漂白硫酸盐浆，浸泡一定时间后，放入瓦利打浆机中加入蒸馏水疏解一段时间后，当打浆度20-60°SR时停止打浆并将纸浆甩干，2-8℃保存备用；

2)纤维素酶预处理：加入一定量蒸馏水将20-60°SR的纸浆配成4％-15％浓度的浆料，然后加入3-12U/g的酶原液，将其放入40-60℃水浴锅中保温8-24h，反应结束后再将浆料放入80-90℃水浴锅中保温20-40min，对酶灭活后抽滤，抽滤后的浆料保存备用；

3)PFI后打浆处理：将酶处理后浆料使用PFI磨浆机进行PFI后打浆处理，磨至打浆度至80-90°SR；

4)高压均质处理：将PFI磨浆处理后的纸浆，配成质量分数为0.5％-2％的浆料，在不加压力的情况下均质1-2次，然后在20-50MPa均质2-6次，最后在70-100MPa均质4-8次得MFC。

(2)TEMPO氧化预处理制备MFC的步骤：

1)瓦利前打浆处理：称取绝干桉木漂白硫酸盐浆，将其浸泡一定时间后，放入瓦利打浆机中加入蒸馏水疏解一段时间后，当打浆度20-60°SR时停止打浆并将纸浆甩干，2-8℃保存备用；

2)TEMPO/NaClO/NaBr氧化系统处理：

将配置1％的浆料放入容器中搅拌3-5h，然后将MFC绝干量1％的TEMPO和10倍TEMPO重量的NaBr混合液倒入容器中，用NaOH调至pH为10-11；然后将10％的NaClO溶液逐滴滴入容器中，通过加入NaOH使混合液的pH值一直保持在10-11之间；待混合体系的pH值不再发生变化时加入无水乙醇终止反应；

3)氧化处理完成后，用离心机洗涤，直至浆料呈现中性为止；

4)均质：将浆料配置成质量分数为0.5％-2％的浆料，先超声处理再均质，均质条件为：在不加压力的情况下均质1-2次，然后在10-40MPa均质2-6次，最后在50-100MPa均质4-8次得MFC。

以TEMPO氧化预处理所得MFC制备的精油/MFC气凝胶比以酶预处理所得MFC制备的精油/MFC气凝胶具有更好的缓释效果。

(3)确定制备气凝胶所用MFC最佳质量百分数的具体操作步骤为：

1)取适量0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％、0.8wt％、1.0wt％的MFC水悬浊液分别进行超声处理，超声条件：超声功率800W，超声时间30min，超声温度30℃；

2)将超声后的MFC水悬浊液取适量放入PET瓶中，于-12—-24℃冰箱中低温冷冻18-32h，然后将冷冻的样品置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥处理，待观察样品完全干燥后即得样品；

3)通过观察样品表观形貌，确定用于制备精油/MFC气凝胶的MFC最适浓度。

MFC的质量百分比越大，MFC越稳定，越有利于气凝胶成形，制备气凝胶所用MFC的最佳浓度为1.0wt％；

步骤2的具体操作为：

(1)混合乳化剂的准备：称取一定量的百里香精油和吐温80按照1:1的重量比共混，搅拌数秒后加入百里香精油重量50倍的蒸馏水和百里香精油重量0.01％的大豆卵磷脂，继续搅拌10min；

(2)超声处理：将上述混合溶液进行超声处理得百里香精油纳米乳液。

步骤3的具体操作为：

将MFC与精油纳米乳液按照不同比例分装于容器(玻璃小瓶、PET瓶或玻璃培养皿)中进行超声处理，以使其中物质混合均匀。然后将其放入真空冷冻干燥机中进行冷冻干燥处理。所得干燥样品对应的精油浓度即为制备精油/MFC气凝胶的适宜浓度。

步骤4的具体操作为：

(1)精油纳米乳液的制备：利用超声乳化技术在超声功率800W，超声时间60min，超声温度30℃的条件下制备百里香精油纳米乳液；

(2)两种物质混合：取适量比例的1.0wt％MFC水悬浊液与百里香精油纳米乳液进行复配，并进行超声处理，以使两者混合均匀；制备精油/MFC气凝胶的最大精油浓度为0.6％，此时MFC绝干与百里香精油的质量比为1:1；

(3)冷冻干燥：将上述混合均匀的溶液进行冷冻干燥处理，得精油/MFC气凝胶。

先将MFC水悬浊液和精油纳米乳液混合均匀再进行冷冻干燥处理，能够制得具有三维网络结构的精油/MFC气凝胶。MFC气凝胶中精油的质量百分含量分别为0.1-1％。

本发明的优点和积极效果是：

本发明利用MFC气凝胶高孔隙率、超低密度和优异的吸附性能，将具有高效、广谱抗菌能力的精油吸附在气凝胶内部，实现精油长时间、持续地释放，并可以长时间保持在一定浓度范围，可以用于冷鲜食品的抗菌包装。本方法简单易行、经济、环保，可以有效延长冷鲜食品的货架期。

附图说明

图1是本实验制备精油/MFC气凝胶的流程图；

图2是实施例1和实施例2精油/MFC气凝胶对冷鲜牛肉的保鲜效果图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1

酶预处理制备MFC/百里香精油缓释抗菌气凝胶

(1)酶预处理制备MFC

1)瓦利前打浆处理：称取360g绝干桉木漂白硫酸盐浆，将其浸泡一定时间后，放入瓦利打浆机中加入蒸馏水疏解一段时间后，当打浆度30°SR时停止打浆并将纸浆甩干，4℃保存备用。

2)纤维素酶预处理：加入一定量蒸馏水将30°SR的纸浆配成10％浓度的浆料，然后加入6U/g的酶原液，将其放入60℃水浴锅中保温16h，反应结束后再将浆料放入80℃水浴锅中保温30min，对酶灭活后使用布氏漏斗用蒸馏水洗涤抽滤，抽滤后的浆料保存备用。

3)PFI后打浆处理：将酶处理后浆料使用PFI磨浆机进行PFI后打浆处理，磨至打浆度至85°SR左右。

4)高压均质处理：将PFI磨浆处理后的纸浆，配成质量分数为1％的浆料，在不加压力的情况下均质2次，然后在40MPa的压力条件下均质6次，最后在90MPa的压力条件下均质4次得MFC。

(2)制备百里香精油纳米乳液

1)混合乳化剂的准备：称取10mL百里香精油和10mL吐温80共混，搅拌数秒后加入500mL蒸馏水，继续搅拌10min；

2)超声处理：将上述混合溶液进行超声处理得百里香精油纳米乳液。超声条件为超声功率800W，超声时间60min，超声温度30℃。

(3)制备精油/MFC气凝胶

1)两种物质混合：取1.0wt％MFC水悬浊液与步骤(2)所制备的百里香精油纳米乳液进行复配，进行超声处理，以使两者混合均匀；

2)冷冻干燥：将上述混合均匀的溶液于-12℃冰箱中低温冷冻24h，然后在冷冻干燥机中进行冷冻处理4h，干燥处理42h，得精油/MFC气凝胶，MFC气凝胶中精油的质量百分含量分别为0.3％、0.6％。

表1酶(6U/g)预处理所得精油/MFC气凝胶性能表征

表2酶(6U/g)预处理所得精油/MFC气凝胶空气中精油释放浓度(mg/mL)

实施例2

TEMPO氧化预处理制备MFC/百里香精油缓释抗菌气凝胶

(1)TEMPO氧化预处理制备MFC

1)瓦利前打浆处理：称取360g绝干桉木漂白硫酸盐浆，将其浸泡一定时间后，放入瓦利打浆机中加入蒸馏水疏解一段时间后，当打浆度30°SR时停止打浆并将纸浆甩干，4℃保存备用。

2)将配置1％的浆料放入三口烧瓶中搅拌4h后，将TEMPO(MFC绝干量的1％)和NaBr(TEMPO用量的10倍)混合液倒入容器中，用0.5mol/L的NaOH溶液调至pH为10.5；用一次性滴管将10％的NaClO溶液逐滴滴入三口烧瓶中，通过加入0.5mol/L的NaOH使混合液的pH值一直保持在10～11之间；待混合体系的pH值不再发生变化时加入20ml无水乙醇终止反应；

3)氧化处理完成后，用离心机洗涤，直至浆料呈现中性为止；

4)高压均质处理：将PFI磨浆处理后的纸浆，配成质量分数为1％的浆料，在不加压力的情况下均质2次，然后在40MPa的压力条件下均质6次，最后在90MPa的压力条件下均质4次得MFC。

(2)制备百里香精油纳米乳液

1)混合乳化剂的准备：称取10mL百里香精油和10mL吐温80共混，搅拌数秒后加入500mL蒸馏水，继续搅拌10min；

2)超声处理：将上述混合溶液进行超声处理得百里香精油纳米乳液。超声条件为超声功率800W，超声时间60min，超声温度30℃。

(3)制备精油/MFC气凝胶

1)两种物质混合：取1.0wt％MFC水悬浊液与步骤(2)所制备的百里香精油纳米乳液进行复配，并进行超声处理，以使两者混合均匀；

2)冷冻干燥：将上述混合均匀的溶液于-12℃冰箱中低温冷冻24h，然后在冷冻干燥机中进行冷冻处理4h，干燥处理42h，得精油/MFC气凝胶，MFC气凝胶中精油的质量百分含量分别为0.3％、0.6％。

表3TEMPO预处理所得精油/MFC气凝胶性能表征

表4TEMPO预处理所得精油/MFC气凝胶空气中精油释放浓度(mg/mL)

表1和表3的性能表征参数证明，该气凝胶为中孔材料，拥有较大比表面积，尤其是TEMPO预处理方法得到的气凝胶，达到23.15m²/g；当精油含量为0.6％时，精油保留率最高达到27.79mg/mL，说明该气凝胶对精油具有优异的吸附能力。

表2和表4是气凝胶中的精油释放到空气中的浓度随时间延长的变化，可以看出精油的释放速率均呈现出先增大后减小，随后逐渐稳定的趋势，这是因为低分子化合物的释放遵循先扩散后平衡的机理，这也证明了气凝胶内部吸附的高挥发性的精油不会被立即释放，该复合气凝胶拥有明显的缓释性能。

从图2可以看出，牛肉颜色从浅红色变为深红色，这是因为细菌繁殖，牛肉逐渐腐坏，但与空白组样品相比，放置复合气凝胶的牛肉颜色变深时间晚于空白对照组。并且，在第13天时，空白组的牛肉已经完全腐烂，TEMPO预处理气凝胶组的牛肉是局部腐烂，足以证明复合气凝胶对食品的缓释抗菌效果。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤如下：

(1)制备MFC；

(2)制备百里香精油纳米乳液；

(3)取一定比例的MFC水悬浊液与百里香精油纳米乳液进行复配混合均匀，冷冻干燥处理得精油/MFC气凝胶。

2.根据权利要求1所述的植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，其特征在于：MFC采用酶预处理方法制备或者TEMPO氧化预处理方法制备。

3.根据权利要求2所述的植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，其特征在于：酶预处理方法制备MFC的步骤为：

1)瓦利前打浆处理：称取绝干桉木漂白硫酸盐浆，浸泡一定时间后，放入瓦利打浆机中加入蒸馏水疏解一段时间后，当打浆度20-60°SR时停止打浆并将纸浆甩干，2-8℃保存备用；

2)纤维素酶预处理：加入一定量蒸馏水将20-60°SR的纸浆配成4％-15％浓度的浆料，然后加入3-12U/g的酶原液，将其放入40-60℃水浴锅中保温8-24h，反应结束后再将浆料放入80-90℃水浴锅中保温20-40min，对酶灭活后抽滤，抽滤后的浆料保存备用；

3)PFI后打浆处理：将酶处理后浆料使用PFI磨浆机进行PFI后打浆处理，磨至打浆度至80-90°SR；

4)高压均质处理：将PFI磨浆处理后的纸浆，配成质量分数为0.5％-2％的浆料，在不加压力的情况下均质1-2次，然后在20-50MPa均质2-6次，最后在70-100MPa均质4-8次得MFC。

4.根据权利要求2所述的植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，其特征在于：TEMPO氧化预处理制备MFC的步骤为：

1)瓦利前打浆处理：称取绝干桉木漂白硫酸盐浆，将其浸泡一定时间后，放入瓦利打浆机中加入蒸馏水疏解一段时间后，当打浆度20-60°SR时停止打浆并将纸浆甩干，2-8℃保存备用；

2)TEMPO/NaClO/NaBr氧化系统处理：

将配置1％的浆料放入容器中搅拌3-5h，然后将MFC绝干量1％的TEMPO和10倍TEMPO重量的NaBr混合液倒入容器中，用NaOH调至pH为10-11；然后将10％的NaClO溶液逐滴滴入容器中，通过加入NaOH使混合液的pH值一直保持在10-11之间；待混合体系的pH值不再发生变化时加入无水乙醇终止反应；

3)氧化处理完成后，用离心机洗涤，直至浆料呈现中性为止；

4)均质：将浆料配置成质量分数为0.5％-2％的浆料，先超声处理再均质，均质条件为：在不加压力的情况下均质1-2次，然后在10-40MPa均质2-6次，最后在50-100MPa均质4-8次得MFC。

5.根据权利要求1所述的植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，其特征在于：制备百里香精油纳米乳液的具体操作步骤为：

(1)混合乳化剂的准备：称取一定量的百里香精油和吐温80按照1:1的重量比共混，搅拌数秒后加入百里香精油重量50倍的蒸馏水和百里香精油重量0.01％的大豆卵磷脂，继续搅拌10min；

(2)超声处理：将上述混合溶液进行超声处理得百里香精油纳米乳液。

6.根据权利要求1所述的植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，其特征在于：MFC气凝胶中精油的质量百分含量分别为0.1-1％。

7.根据权利要求1或6所述的植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，其特征在于：MFC水悬浊液中MFC的质量百分含量为0.5-2％。

8.根据权利要求1所述的植物源缓释抗菌气凝胶的制备方法，其特征在于：所述的冷冻干燥处理是在-12～-24℃冰箱中低温冷18-32h，然后在冷冻干燥机中进行冷冻处理4-12h，干燥处理36-58h，得精油/MFC气凝胶。