CN113207946A - 一种具有抑菌功能的高吸水性气凝胶垫的制备方法及其在冷却肉保鲜中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有抑菌功能的高吸水性气凝胶垫的制备方法及其在冷却肉保鲜中的应用。本发明以壳聚糖作为原料，双醛淀粉作为交联剂，绿色还原法制备的纳米铜作为抗菌剂，并用脂质体包覆纳米铜，经过冷冻成胶和真空干燥等过程制备了具有高吸水性的气凝胶。所涉及的应用是将气凝胶作为吸水垫，吸收冷却肉贮藏时肉类释放的多余液体，其释放纳米铜增强了抑菌特性，以达到延长冷却肉贮藏时间的目的。本发明充分贯彻绿色循环经济的原则，以生物基材料为基质并加入纳米铜，制备了高度多孔，极轻，低密度，高吸水率，具有抑菌功能的气凝胶垫。解决了与合成塑料生产和使用相关的严重环境问题，为食品包装行业提供了一种具有吸水、抑菌效果的功能性吸水垫。

Description

一种具有抑菌功能的高吸水性气凝胶垫的制备方法及其在冷 却肉保鲜中的应用
技术领域
本发明属于食品科技领域，涉及高吸水性、抑菌气凝胶垫的制备方法和其在冷却肉包装保鲜中的应用。
背景技术
传统的肉类保鲜主要采用冷冻、冷藏等物理方法，但一些肠杆菌、假单胞菌等嗜冷菌的大量繁殖，常常导致肉类食品的保存效果不理想。一般来说，在4°C低温条件下肉类最长保鲜期不超过7天。市场上由美的集团开发的BCD-630WKGPZV“微晶一周鲜”冰箱对肉类的保存期也最多达到7天。抑制微生物生长繁殖是解决冷却肉保质期的关键点。目前对肉类保鲜的研究热点主要集中在涂膜保鲜和薄膜保鲜两方面，主要采用多糖、蛋白质和脂肪等作为基质，并添加一些抗氧化、抑菌的物质，制备成涂膜剂涂覆在肉表面或制备成类似塑料的包装薄膜包覆在肉表面，其良好的阻气阻氧性能延长肉类的保存期，但肉类在保存期间释放的多余液体并不能被吸收，而且还可能导致薄膜破裂。
在气凝胶用于食品包装保鲜方面，Jean, Paulo De Oliveira等研究了从Gelidium sesquipedale海藻中提取纳米纤维素来制备用于食品包装的生物活性气凝胶；Fontes-Candia, Cynthia 等人用从芦竹中提取的纤维素和具有抗氧化能力的提取物制备的混合气凝胶能减少红肉在储存时的氧化程度；申请（专利）号为CN202010540027.5的专利申请公开了一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料及其制备方法，其从芦苇废弃渣中分离提取出固相产物，通过接枝共聚等工艺具有优异降解性能和吸水性能的气凝胶。以上制备方法具有以下缺陷：（1）制备气凝胶的原料未实现商业化生产，其提取过程复杂费时，不易于推广。（2）制备的气凝胶不具有抑菌功能性，未能从根本上解决微生物生长繁殖导致肉类品质下降的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼具抑菌功能特性和高吸水性气凝胶垫的制备方法，同时将其应用在冷却肉保鲜中。该方法采用价格低廉，来源广泛的壳聚糖作为原料，绿色无毒的双醛淀粉作为交联剂，脂质体包覆的纳米铜降低了其毒性。制备的气凝胶垫轻质、弹性好、吸水吸油性强，可生物降解，并且以气凝胶结构作为缓释系统实现纳米铜持续释放的效果。与一般的市售吸水纸相比，气凝胶吸水垫具有抑菌功能特性，而且绿色可降解，符合绿色可持续发展原则。
本发明的技术方案如下所述：
1.一种具有抑菌功能的高吸水性气凝胶垫的制备方法，步骤如下：
（1）储备液准备：将浓度为0.5%-2%（w/w）的壳聚糖溶液充分水合溶解，另配制1%-2%（w/w）的双醛淀粉溶液，利用适宜温度加热至完全溶解；
（2）气凝胶储备液制备：壳聚糖溶液和双醛淀粉溶液的质量比为7：3，将脂质体包覆的纳米铜添加到储备液中；
（3）冷冻成胶：将步骤（2）的液体，放在-80°C冰箱中冷冻24h，形成凝胶结构；
（4）真空冷冻干燥：将步骤（3）得到的凝胶置于冷冻干燥机中，设备冷阱温度-60°C，真空冷冻干燥48h，充分去除水分后得到气凝胶。
2.气凝胶垫在冷却肉保鲜中的应用
将冷却猪肉切成3cm×3cm的小块，放在制备的气凝胶垫上，定时0，1，3，5，7，14天取样测量猪肉的pH值，观察颜色变化。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明选用壳聚糖作为气凝胶的基质，其安全无毒、来源广泛，在食品行业已实现商业化利用，且壳聚糖气凝胶比石油基高吸水树脂易降解，对环境压力小。
2.本发明选用双醛淀粉做交联剂，大大提升了气凝胶的机械性能，在最优比下可形成三维网络结构，与戊二醛、柠檬酸等交联剂相比效果显著且绿色安全。
3.本发明在气凝胶垫中添加脂质体包覆的纳米铜，实现了抑菌和降低纳米铜毒性的双重目的，与市售吸水树脂相比具有抑菌的功能特性。
4.本发明能在冷却肉贮藏过程中快速吸收多余液体，1g气凝胶可吸收24g水，保持肉表面干燥，释放纳米铜，抑制微生物生长繁殖，明显延长冷却肉的保存时间。
附图说明
图1气凝胶垫的直观照片。
图2为气凝胶垫的扫描电子显微镜照片。
图3气凝胶垫的吸水性。
图4为冷却猪肉保存过程的颜色变化趋势图。
图5为冷却猪肉保存过程的pH变化。
图6为冷却猪肉在4°C保存14天时的菌落总数直观照片。
图7为冷却猪肉在4°C保存14天时的菌落总数计数结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的阐述说明，给出的实施实例仅为了阐述本发明，而不是为了限制本发明的范围。
实施例一：
制备气凝胶垫：
（1）储备液准备：将浓度为0.5%-2%（w/w）的壳聚糖溶液充分水合溶解，另配制1%-2%（w/w）的双醛淀粉溶液，利用适宜温度加热至完全溶解；
（2）气凝胶储备液制备：壳聚糖溶液和双醛淀粉溶液的质量比为5：5，6：4，7：3，8：2，9：1，10：0（CS）；
（3）冷冻成胶：将步骤（2）的液体，放在-80°C冰箱中冷冻24h，形成凝胶结构；
（4）真空冷冻干燥：将步骤（3）得到的凝胶置于冷冻干燥机中，设备冷阱温度-60°C，真空冷冻干燥48h，充分去除水分后得到气凝胶。
实施例二：
步骤（1）同实施案例一；
（2）气凝胶储备液制备：壳聚糖溶液和双醛淀粉溶液的质量比为7：3，将脂质体包覆的纳米铜添加到储备液中，添加一定量的的蔗糖作为保护剂；
步骤（3），（4）同实施案例一；
（5）将冷却猪肉切成3cm×3cm的小块，放在制备的气凝胶垫上，定时0，1，3，5，7，14天取样测量猪肉的pH值，观察颜色变化。其中无气凝胶垫保存组，纯气凝胶垫保存组（壳聚糖：双醛淀粉=7:3），添加纳米铜的气凝胶垫保存组分别记为Control，CS-DAS，CD/Lip-CuNPs。
试验例一气凝胶垫理化性质测定和微观结构观察
1.微观结构：利用S-4800场发射扫描电子显微镜观察气凝胶的表面结构。
2.水吸附：将气凝胶切成1cm×1cm×1cm的方形样品，称重，然后浸入装有30mL蒸馏水的密封容器中。定期从液体中取出样品，并在除去多余的液体后称重,直到样品的质量不变。其计算公式如下所示：
水的吸附（g/g）=[样品湿重（g）-样品干重（g）]/样品干重（g）
单纯的壳聚糖气凝胶是无序的片状结构堆积而成，随着双醛淀粉的添加逐渐呈现有序的网状交联结构，但DAS过量会导致有序结构被打乱。附图1从左到右分别为壳聚糖：双醛淀粉为5：5，6：4，7：3，8：2，9：1，10：0（CS）时制备的气凝胶直观照片，双醛淀粉的添加会让气凝胶呈现浅黄色。附图2分别对应附图1的微观结构。
壳聚糖气凝胶溶于水，DAS交联后形成网状结构，耐水性增强，而且在短时间内能快速吸收水，当壳聚糖：双醛淀粉=7：3（W/W）时，吸附能力强而持久，结果如附图3。
试验例二气凝胶垫在冷却猪肉保鲜中的应用
1. 冷却猪肉颜色监测：通过Ci7600色度仪测量猪肉保存过程中的颜色，并用L*，a*，b*表示。
2. 冷却猪肉新鲜度：将10g猪肉样品+90mL去离子水混合，浸泡30min，每隔5min搅拌一次，过滤后得到猪肉浸提液，用pH计测量并记录其pH值。
3. 冷却猪肉保存14天的菌落总数：根据GB4789.2-2016 《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》测定猪肉4°C定保存14天时的菌落总数。
附图4为气凝胶垫在保存冷却猪肉过程重点的颜色变化，从左到右的图分别表示L *（亮度），a *（红/绿）。对照组L *值14天时明显下降，肉的亮度降低，呈现白灰色；14天时，CD/Lip-CuNPs气凝胶垫组的a *大于0（a *>0偏红色）。
附图5结果表明，对照组的pH值在14天时达到7.5（pH>6.7,变质肉），实验处理组在14天贮藏过程中pH变化缓慢，且最终维持在6左右（pH<6.26，冷却肉）。
附图6依次为空白对照，CS-DAS气凝胶垫保存，CD/Lip-CuNPs气凝胶垫保存。结果表明气凝胶垫的使用降低了猪肉保存期间的菌落总数，脂质体包埋的纳米铜粒子添加增强了抑菌效果，图7菌落总数计数结果显示CD/Lip-CuNPs气凝胶垫保存组的菌落总数为1.2×105CFU/g，小于《中华人民共和国农业行业标准：冷却猪肉（NY/T 632-2002）》对冷却猪肉的菌落总数≤1×106CFU/g的要求。

Claims (5)

1.一种具有抑菌功能的高吸水性气凝胶垫的制备方法，步骤如下：
（1）储备液准备：将浓度为0.5%-2%（w/w）的壳聚糖溶液充分水合溶解，另配制1%-2%（w/w）的双醛淀粉溶液，利用适宜温度加热至完全溶解；
（2）气凝胶储备液制备：
（3）冷冻成胶：将步骤（2）的液体，放在-80°C冰箱中冷冻24h，形成凝胶结构；
（4）真空冷冻干燥：将步骤（3）得到的凝胶置于冷冻干燥机中，设备冷阱温度-60°C，真空冷冻干燥48h，充分去除水分后得到气凝胶；
（5）纳米铜制备：在0.5%-2%壳聚糖溶液中加入10mM-50mM的二水合氯化铜，室温下搅拌混合均匀后移入80°C磁力搅拌水浴锅中，体系内部温度升至80°C，加入一定量的抗坏血酸溶液，保持温度和搅拌速度不变，待体系颜色变为深棕色，表明生成纳米铜；
（6）脂质体纳米铜制备：将大豆卵磷脂和胆固醇以5:1的比例溶于20mL乙醇中，减压蒸馏直至瓶壁形成薄膜，加入一定量的纳米铜溶液震荡水化30min，50°C搅拌孵育1h，300W超声破碎15min，开3s关3s;
（7）抑菌气凝胶制备：将脂质体纳米铜添加到步骤（2）的气凝胶储备液中，添加量为2%，添加15%的蔗糖作为冷冻保护剂，后续同步骤（3）、（4）得到抑菌气凝胶。
2.如权利要求1所述的一种具有抑菌功能的高吸水性气凝胶垫的制备方法，其特征在于：
步骤（2）具体为，壳聚糖溶液和双醛淀粉溶液的质量比为5：5～10：0。
3.如权利要求1所述的一种具有抑菌功能的高吸水性气凝胶垫的制备方法，其特征在于：
步骤（2）具体为，壳聚糖溶液和双醛淀粉溶液的质量比为6：4～8：2。
4.如权利要求1所述的一种具有抑菌功能的高吸水性气凝胶垫的制备方法，其特征在于：
步骤（2）具体为，壳聚糖溶液和双醛淀粉溶液的质量比为7：3。
5.如权利要求1所述的一种具有抑菌功能的高吸水性气凝胶垫的制备方法，其特征在于：制备出的气凝胶具有吸收肉类贮藏时释放的多余液体，抑制微生物生长繁殖，延长肉类保存时间的作用。
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