CN113174091B - 一种茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于高分子复合膜材料领域，公开了一种茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜及其制备方法和应用。该方法包括如下步骤：利用硫酸水解法制备得到茶叶纤维素纳米晶悬浮液，调节纤维素纳米晶悬浮液的pH值，将茶叶非水溶性蛋白与茶叶纤维素纳米晶悬液、丙三醇混合后干燥成膜，得到茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜。纤维素纳米晶的加入，提高了茶叶非水溶性蛋白的成膜性，纤维素纳米晶添加量为0.6％、丙三醇添加量为0.5％时，复合膜的抗拉强度为3.3MPa，弹性模量为22983kgf/cm2。该法制备的茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜，制备方法简单，吸水性良好，为可食性包装材料的进一步发展提供了参考依据。

Description

一种茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高分子复合膜材料领域，特别涉及一种茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜及其制备方法和应用。
背景技术
以石油基聚合物为原料的包装材料是环境污染物的来源之一，为符合我国可持续发展的理念，以天然大分子聚合物为原料的包装材料研究逐渐兴起，其中蛋白质基膜材料得到了迅速发展。在溶液的特定条件下，蛋白质结构被破坏，暴露蛋白质内部的疏水基团，生成新的二硫键，形成高分子网络结构，可得到具有一定特性的蛋白质膜。蛋白质复合膜是以蛋白质为基底材料，经过一定的技术处理，与其他材料形成大分子交联而形成的薄膜。由于蛋白质复合膜绿色环保可降解，且兼具阻隔性能和透气性，所以蛋白质复合膜得到了大量而深入的研究。
有研究发现，绿茶中非水溶性蛋白的氨基酸组成与大豆蛋白类似，但由于茶叶非水溶性蛋白成膜性较差，难以应用到复合膜制备中，因此目前并无以茶叶非水溶性蛋白为基底材料的复合膜的研究。茶叶干物质中蛋白含量为20％～30％，且90％以上不溶于水，残留在茶渣中未得到充分利用，若将茶叶非水溶性蛋白应用到复合膜领域，不仅可以拓宽蛋白质基复合膜基底材料范围，还能高值化利用茶叶副产物。
纤维素纳米晶是一种绿色可再生的纳米材料，具有高杨氏模量、高比表面积、高纵横比、低毒性、成膜性等特点，被广泛应用于复合膜材料中。纤维素纳米晶作为增强材料添加到复合膜中，与其他增强材料相比，有低含量就能达到高性能、具有量子尺寸效应等特点。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种由上述制备方法制备而成的茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜。
本发明的再一目的在于提供一种上述茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用硫酸水解法制备纤维素纳米晶，将茶叶纤维素与硫酸在搅拌和加热条件下反应，加入冷水终止反应，离心、透析得到茶叶纤维素纳米晶悬液；
(2)将透析所得茶叶纤维素纳米晶悬液经超声处理后调节pH值；
(3)将丙三醇、茶叶非水溶性蛋白和步骤(2)调节pH值后的茶叶纤维素纳米晶悬液搅拌混合均匀得到混合溶液；
(4)将步骤(3)所得混合溶液干燥成膜，得到茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜。
步骤(1)所述硫酸的浓度为62～65wt％；所述茶叶纤维素与硫酸的质量比为(1～4):(20～80)；所述搅拌的速率为250～350r/min；所述反应的温度为35～65℃，反应的时间为30～120min；所述冷水的加入体积为100～800mL；所述离心速度为9000～11000r/min，离心次数为3～10次，离心温度为4～25℃；所述透析采用的透析袋截留量为12～14kDa，透析时长3～6d。
步骤(1)所述茶叶纤维素纳米晶悬液中茶叶纤维素纳米晶长度为100～600nm，直径为5～50nm。
步骤(2)所述超声处理的功率为200～500W，超声处理的时间为5～30min；所述调节pH值是将茶叶纤维素纳米晶悬液pH值调节至10～13。
步骤(3)所述茶叶纤维素纳米晶在混合溶液中的质量百分含量为0.1％～1.0％，茶叶非水溶性蛋白在混合溶液中的质量百分含量为0.1％～1.0％，丙三醇在混合溶液中的质量百分含量为0.2～1.5％
步骤(3)所述搅拌的速度为250～450r/min，搅拌的时间为45～120min。
步骤(4)所述干燥的温度为55～65℃，干燥的时间为12～48h。
一种根据上述的制备方法制备得到的茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜，该复合膜的膜厚度为0.05～0.2mm。
上述的茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜在可食性包装材料中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)利用硫酸水解法从茶叶中制备茶叶纤维素纳米晶，纤维素纳米晶长度为100～600nm，直径为5～50nm，具有较大的长径比与较高的结晶度，有利于增强复合膜的机械性能；
(2)茶叶非水溶性蛋白并不能单独成膜；茶叶非水溶性蛋白与丙三醇共混干燥后成膜性有所提高，但不能完整揭膜；茶叶非水溶性蛋白与纤维素纳米晶、丙三醇共混，直接干燥成膜，成膜性好，且能完整揭膜(如图1所示)，方法简便，原料来源广泛且绿色环保，扩大了蛋白质基膜材料的范围，为可食性包装材料的进一步发展提供了参考依据；
(3)制得的茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜有较好的机械性能(如图2、图3所示)；茶叶非水溶性蛋白能降低纤维素纳米晶膜的吸水率(如图4所示)，提高纤维素纳米晶膜的应用范围；
(4)茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜的主要原料均来源于茶叶副产物，本发明为农业副产物的综合利用提供了新的思路。
附图说明
图1为茶叶非水溶性蛋白(a)、茶叶非水溶性蛋白与丙三醇共混(b)、茶叶非水溶性蛋白与丙三醇和茶叶纤维素纳米晶共混(c)成膜性对比图。
图2为不同浓度茶叶纤维素纳米晶对茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜抗拉强度的影响。
图3为不同浓度茶叶非水溶性蛋白对茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜抗拉强度的影响。
图4为茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜吸水率对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了使本发明的目的、技术方案更加清晰明确，下面结合以茶叶经碱处理、漂白处理后得到的纤维素制备纤维素纳米晶作为模板举例，对本发明进行进一步详细说明。本发明所用设备仪器和试剂均为本领域所常用。应当理解，此处所描述的举例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
通过拉伸仪评价本发明所得的复合膜的抗拉强度；通过吸水率测试评价本发明所得的复合膜的吸水率。
以下实施例中的茶叶纤维素按照以下步骤制备得到：
以1g:10mL的料液比往茶叶中加入蒸馏水，100℃沸水浴30min，重复3次，除去茶中水溶性物质，于65℃烘箱烘48h至干燥，制得茶渣。取过80目筛的茶渣，以1g:20mL料液比加入2.5M NaOH于75℃水浴处理4h，除去上清液。沉淀以料液比1g:20mL加入与样品等质量的亚氯酸钠，调节pH值于3.8～4范围内，75℃处理2h，除去上清液，去除木质素。沉淀以料液比1g:20mL加入体积分数为0.45％的H2O2脱色，除去上清液。沉淀用蒸馏水洗涤至中性，用体积分数为95％的乙醇洗脱酯类及去除部分色素，真空冷冻干燥至恒重后，得到茶渣纤维素，4℃贮藏备用。
以下实施例中的茶叶非水溶性蛋白按照以下步骤制备得到：
茶叶非水溶性蛋白的制备参考Ren等(2019)的方法。茶叶以1g:50mL的茶水比于100℃沸水浴浸提15min，重复浸提6次。65℃烘箱干燥，过60目筛，得到茶渣。茶渣与0.3MNaOH以1g:30mL料液比在90℃条件下搅拌反应1.5h，25℃、8000r/min离心15min，上清液加入4％的H2O2于4℃条件下静置24h。用1M HCl调pH至3.5，用一级水洗涤沉淀至中性，冷冻干燥得茶叶非水溶性蛋白。
实施例1：制备茶叶非水溶性蛋白复合膜方法对比
(1)准确称取1g冻干后的茶叶纤维素，加入20g 64wt％硫酸溶液，45℃下水浴搅拌90min；反应结束后，加入100mL 4℃一级水终止反应；25℃条件下9500r/min离心10min，重复离心4次，收集上清液，装入12～14kDa透析袋中透析3d；收集到的茶叶纤维素纳米晶(CNC)悬液在300W条件下超声分散20min，于4℃环境下保存。
(2)量取20mL一级水，调节pH至12，加入质量百分比0.6％的茶叶非水溶性蛋白；量取20mL一级水，调节pH至12，加入质量百分比0.5％甘油和质量百分比0.6％茶叶非水溶性蛋白；步骤(1)所得茶叶纤维素纳米晶悬液测定其质量百分比为0.6％，量取20mL该茶叶纤维素纳米晶悬液，调节纤维素纳米晶悬液pH至12，加入质量百分比0.5％的甘油和质量百分比0.6％的茶叶非水溶性蛋白。
(3)搅拌1h，倒入一次性培养皿中60℃烘干12h，得到茶叶非水溶性蛋白复合膜。结果表明，茶叶非水溶性蛋白并不能单独成膜；茶叶非水溶性蛋白与丙三醇共混干燥后成膜性有所提高，但不能完整揭膜；茶叶非水溶性蛋白与纤维素纳米晶、丙三醇共混制备的茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜，成膜性好，且能完整揭膜(如图1所示)，复合膜的抗拉强度为3.3MPa，弹性模量为22983kgf/cm2。
实施例2：一种制备茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜的方法。
(1)准确称取1g冻干后的茶叶纤维素，加入20g 64wt％硫酸溶液，45℃下水浴搅拌90min；反应结束后，加入100mL 4℃一级水终止反应；25℃条件下9500r/min离心10min，重复离心4次，收集上清液，装入12～14kDa透析袋中透析3d；收集到的茶叶纤维素纳米晶(CNC)在300W条件下超声分散20min，于4℃环境下保存。
(2)将步骤(1)所得茶叶纤维素纳米晶悬液浓缩或者用一级水配制，分别得到5份20mL不同浓度的茶叶纤维素纳米晶悬液，质量百分比分别为0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％，调节每份茶叶纤维素纳米晶悬液pH至12；向不同浓度的茶叶纤维素纳米晶悬液中加入质量百分比0.5％的甘油和质量百分比0.5％的茶叶非水溶性蛋白，搅拌1h，得到系列浓度的混合液。
(4)将步骤(3)所得系列浓度的混合液分别倒入一次性培养皿中60℃烘干12h，得到茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜，对其抗拉强度进行测定，结果如图2所示，随着茶叶纤维素纳米晶含量的上升，复合膜的抗拉强度随之上升。
实施例3：一种制备茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜的方法。
与实施例2比，区别点仅在于：
用一级水分别配制5份20mL质量百分比浓度均为0.5％的茶叶纤维素纳米晶悬液，调节茶叶纤维素纳米晶悬液pH至12，均加入质量百分比0.5％的甘油，以及分别加入质量百分比0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％的茶叶非水溶性蛋白，搅拌1h，倒入一次性培养皿中60℃烘干12h，得到茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜，对其抗拉强度进行测定，结果如图3所示，当茶叶非水溶性蛋白添加量为质量百分比0.7％时复合膜的抗拉强度最大。不过当茶叶非水溶性蛋白添加量为质量百分比0.7％时复合膜脆性增大，不利于实际应用，因此我们在应用中一般选择质量百分比0.6％为最佳浓度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采用硫酸水解法制备纤维素纳米晶，将茶叶纤维素与硫酸在搅拌和加热条件下反应，加入冷水终止反应，离心、透析得到茶叶纤维素纳米晶悬液；
(2)将透析所得茶叶纤维素纳米晶悬液经超声处理后调节pH值；
(3)将丙三醇、茶叶非水溶性蛋白和步骤(2)调节pH值后的茶叶纤维素纳米晶悬液搅拌混合均匀得到混合溶液；
(4)将步骤(3)所得混合溶液干燥成膜，得到茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述硫酸的浓度为62～65wt％；所述茶叶纤维素与硫酸的质量比为(1～4):(20～80)；所述搅拌的速率为250～350r/min；所述反应的温度为35～65℃，反应的时间为30～120min；所述冷水的加入体积为100～800mL；所述离心速度为9000～11000r/min，离心次数为3～10次，离心温度为4～25℃；所述透析采用的透析袋截留量为12～14kDa，透析时长3～6d。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述茶叶纤维素纳米晶悬液中茶叶纤维素纳米晶长度为100～600nm，直径为5～50nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述超声处理的功率为200～500W，超声处理的时间为5～30min；所述调节pH值是将茶叶纤维素纳米晶悬液pH值调节至10～13。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述茶叶纤维素纳米晶在混合溶液中的质量百分含量为0.1％～1.0％，茶叶非水溶性蛋白在混合溶液中的质量百分含量为0.1％～1.0％，丙三醇在混合溶液中的质量百分含量为0.2～1.5％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述搅拌的速度为250～450r/min，搅拌的时间为45～120min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述干燥的温度为55～65℃，干燥的时间为12～48h。
8.一种根据权利要求1所述的制备方法制备得到的茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜，其特征在于：该复合膜的膜厚度为0.05～0.2mm。
9.根据权利要求8所述的茶叶纤维素纳米晶/非水溶性蛋白复合膜在可食性包装材料中的应用。
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