CN116253931B - 可生物降解的纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装材料及制备 - Google Patents

可生物降解的纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装材料及制备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了可生物降解的普鲁兰多糖‑纳米纤维素食品内包装及制备、应用。所述纳米纤维素‑普鲁兰多糖食品内包装，采用成膜组合物制备得到，所述的成膜组合物包括由纳米纤维素、普鲁兰多糖和甘油组成的干物质和水。其中，所述纳米纤维素的浓度为0.1‑1.2 mg/mL、所述普鲁兰多糖的浓度为20‑60 mg/mL；所述甘油的浓度为2‑6 mg/mL。本发明所述的普鲁兰多糖‑纳米纤维素食品内包装不但可以安全食用，而且具备高强度、高耐折性，高阻隔性、高抗油性，而且实现了低水敏感性，从而具备高湿度稳定性（机械性不易受湿度的影响），具有重要的实际应用价值和广阔的产业前景。

Description

可生物降解的纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装材料及 制备
技术领域
本发明属于生物材料领域，涉及一种食品包装材料及制备方法，具体涉及可食性的普鲁兰多糖-纳米纤维素食品内包装材料及制备、应用。
背景技术
普鲁兰多糖是Aureobasidium pullulans产生的胞外多糖，它是由α-(1, 6)糖苷键相互连接麦芽三糖单元组成的线性聚合物，其中α-(1, 4)和α-(1, 6)键的有序交替。这种α-(1→4)糖苷键和α-(1→6)糖苷键共存的化学结构赋予其许多优异的物理化学性质，具体为：非离子型、可生物降解聚合物，无毒性、致突变性、致癌性，粘度较其他聚合物低。此外，普鲁兰多糖具有优异的成纤维、成膜能力，其形成的薄膜具有优异的阻氧性、耐油性、热密封性、机械性能、抑制微生物菌群生长和保持食物水分的能力，因此普鲁兰多糖薄膜常被用作通用和新颖的包装材料。基于上述性质，普鲁兰多糖在医药、化妆品、食品工业等领域具有应用潜力。其中，由于普鲁兰多糖薄膜具有良好的水溶性，因此许多普鲁兰多糖包装材料作为可食用食品包装材料或者用于低含水量食品和油类食品的包装。
为了使普鲁兰多糖薄膜性能满足食品包装的性能要求，研发人员开发了普鲁兰多糖基复合薄膜和共混薄膜，以获得可高效提高食品质量的包装材料。如Kowalczyk等人以普鲁兰多糖、明胶、山梨酸钾及其混合物制备了具有抗菌性的普鲁兰多糖基可食用薄膜，并探究了复合膜的抗菌性能。然而，这些普鲁兰多糖薄膜材料往往存在高脆性、高亲水性等缺点，一定程度上限制了其作为食品包装材料的应用。采用化学修饰的方式可以改善普鲁兰多糖薄膜的高亲水性问题，并赋予普鲁兰多糖薄膜抗菌性能；然而，却往往导致普鲁兰多糖薄膜机械性能的降低。
纳米纤维素（NC）是通过分解纤维素纤维制备的一种生物可降解、可再生的纳米填充物，可以产生低碳足迹。由于纳米纤维素独特的物理化学性能，如可调的表面化学、高阻隔性能、高机械性能、高结晶度、生物可降解性、无毒性和高长径比等，其常被作为增强剂加入聚合物薄膜中制备具有改进或者功能性的绿色纳米复合膜。发明专利ZL202110740912.2公开了“一种可生物降解高阻隔性抗菌复合膜及其制备方法”，所述复合以纳米纤维素复合聚乳酸为基底材料，加入阻隔性物质、抗菌物质及增塑剂，通过流延或刮膜方式制备得到。该申请所述的复合膜，阻隔性能、机械力学性能佳，抗菌性能显著，可生物降解。然而，聚乳酸堆肥降解条件较为苛刻，需达到50 - 60%的相对湿度、50 - 70℃的温度和特定的微生物菌群；因此，随意丢弃聚乳酸材料到环境中可能会产生与传统石化塑料相当的环境影响。另一方面，虽然纳米纤维素可以增强聚合物薄膜的机械性能和阻隔性能，但是对聚合物薄膜的水稳定性增强效果不佳。
目前，尚未有用于食品内包装具备高湿度稳定性的纳米纤维素-普鲁兰多糖薄膜的报道。
发明内容
针对现有技术中普鲁兰多糖薄膜用于食品包装存在的问题，本发明提供了可生物降解的普鲁兰多糖-纳米纤维素食品内包装及制备、应用。本发明所述的普鲁兰多糖-纳米纤维素食品内包装不但可以安全食用，而且具备高强度、高耐折性，高阻隔性、高抗油性，而且实现了低水敏感性，从而具备高湿度稳定性（机械性不易受湿度的影响），具有重要的实际应用价值。
本发明的技术方案：
用于制备可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装的成膜组合物，包括由纳米纤维素、普鲁兰多糖和甘油组成的干物质和水。所述的纳米纤维素是纤维素经高压均质处理得到，所述的纤维素为长径比大于100、表面电荷数大于20 mV且分散度小于0.8的阴离子化纳米纤维素。所述普鲁兰多糖的相对分子质量为1.0~2.0×105，为最易获得的常规分子量的普鲁兰多糖原材料，从而解决了普鲁兰多糖包材的通用性问题。其中，所述纳米纤维素的浓度为0.1-1.2 mg/mL、所述普鲁兰多糖的浓度为20-60 mg/mL；所述甘油的浓度为2-6 mg/mL。与以海藻酸钠、壳聚糖、羧甲基纤维素等水溶性多糖改性普鲁兰多糖薄膜相比，本发明采用的纳米纤维素改性的普鲁兰多糖薄膜，在极低纳米纤维素添加量的条件下显著增强普鲁兰多糖薄膜的机械性能、阻隔性能、耐折性、热封性和湿度稳定性。
一种可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装，采用如前所述的成膜组合物制备得到。具体制备方法如下：
（1）配制纳米纤维素分散液：将纤维素分散在水中，经高压均质处理，得到浓度为0.1-1.2 mg/mL的纳米纤维素分散液。所述的纤维素为长径比大于100、表面电荷数大于20mV且分散度小于0.8的阴离子化纳米纤维素。所述高压均质处理的条件为：在200-600 Bar的压力下高压均质循环30-100次。
（2）配制成膜组合物溶液：将适量普鲁兰多糖和甘油加入步骤（1）中得到的纳米纤维素分散液中，机械搅拌至普鲁兰多糖完全溶解，经高压均质处理，得到成膜组合物溶液；所述普鲁兰多糖的浓度为20-60 mg/mL；所述甘油的浓度为2-6 mg/mL。所述高压均质处理的条件为：在200-600 Bar的压力下高压均质循环10-30次。
（3）制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装：将适量步骤（2）的成膜组合物溶液倾倒于平皿中，在40-50℃ 干燥5-6h，获得普鲁兰多糖-纳米纤维素纳米复合膜。
如前所述的可生物降解食品内包装的应用；具体为，用于速溶可食用包装材料或普通食品内包装材料。
本发明的有益效果：
（1）本发明提供了一种可生物降解的纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装，所述的内包装不但具备高强度、高耐折性，高阻隔性以及高抗油性，实现了低湿度敏感性，而且是完全意义上的可生物降解，解决了现有技术中内包装材料不能兼顾优异性能与生物降解性的难题。
（2）本发明所述的可生物降解的食品内包装，不但可以安全食用，而且能够稳定的储存易氧化的粉类、油类等物质，可用作速溶可食用包装材料或普通食品内包装材料，应用前景广阔。
（3）本发明所述的内包装，不但性能优异、生物可降解，具备替代塑料食品包装的潜力，而且原材料易得、制备方法简单，不采用任何有机溶剂，环境友好，易于实现工业扩大化生产。
附图说明
附图1为（a）PDCF强度展示图；（b）PDCF的耐折叠性展示图；（c）PF和PDCF耐折叠次数；（d）在83%湿度条件下，PF和PDCF湿度稳定性展示图；（e）在23%，53%和83%湿度下，PF和PDCF抗拉强度贮存稳定性；（f）在23%，53%和83%湿度下，包裹纸质外包装的PF和PDCF抗拉强度贮存稳定性；（g）PF和PDCF的热密封性能；（h）热封后PF和PDCF截面的SEM图。注：a，b，c，d，e，#，&不同符号的数据有显著性差异。
附图2为普鲁兰多糖、PDCF和NCDCS的（a）细胞毒性和（b）急毒性实验中小鼠体重变化。注：a, b不同符号的数据有显著性差异。
附图3为（a）PF、（b）PDCF和（c）聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料包装袋图片。
附图4为PDCF速溶可食用咖啡包装的热水溶解。
附图5 为PF、PDCF和PET包装对饼干的保鲜效果。在33%、53%和83%相对湿度下，储存了3天和7天的PF、PDCF和PET包装的饼干（a, c）的含水量和载荷；储存了15天和30天的以纸为外包装和PF、PDCF为内包装的双层包装的饼干和PET包装的饼干（b, d）的含水量和载荷；在83%湿度条件下，储存了（e）3天和（f）7天的PF、PDCF和PET包装的饼干图片。注：a，b，c，d和e不同符号的数据有显著性差异。
附图6 为PF、PDCF和PET包装对咖啡的保鲜效果。在33%、53%和83%相对湿度下，储存了（a）3天和7天的PF、PDCF和PET包装的咖啡的含水量；储存了15天和30天的以纸为外包装和PF、PDCF为内包装的双层包装和PET包装的咖啡（b）的含水量；在83%湿度条件下，储存了（c）3天和（d）7天的PF、PDCF和PET包装的咖啡图片；注：a，b，c和d不同符号数据有显著性差异。
附图7 为PF、PDCF和PET包装对橄榄油的保鲜效果。在33%、53%和83%相对湿度下，储存了（a）3天和7天的PF、PDCF和PET包装的橄榄油的过氧化值；储存了15天和30天的以纸为外包装和PF、PDCF为内包装的双层包装和PET包装的橄榄油（b）的过氧化值；在83%湿度条件下，储存了（c）3天和（d）7天的PF、PDCF和PET包装的橄榄油图片；注：a，b和c不同符号的数据有显著性差异。
附图8 为PF、PDCF和PET包装对奶粉的保鲜效果。在33%，53%和83%湿度下，储存了7天的PF、PDCF和PET包装的奶粉的含水量和可溶性物质含量；储存了（b, d）15天和30天的以纸为外包装，PF或PDCF为内包装的双层包装包装的奶粉和PET包装的奶粉的含水量和可溶性物质含量；在83%湿度下，储存（e）3天和（f）7天的PF、PDCF和PET包装的奶粉图片。注：a，b，c和d不同符号的数据有显著性差异。
附图9 为PF、PDCF和PLA&PBAT可生物降解包装袋在土壤中的生物降解宏观图像。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
以下实施例采用的PET塑料、PLA&PBAT包装均系商业途径购买得到。
实施例1：制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装（PDCF）
一种可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装，具体制备方法如下：
（1）配制纳米纤维素分散液：将纤维素分散在水中，经高压均质处理，得到浓度为0.8 mg/mL的纳米纤维素分散液。所述的纤维素为长径比124、表面电荷数28 mV且分散度小于0.8的阴离子化纳米纤维素。所述高压均质处理的条件为：在600 Bar的压力下高压均质循环30次。
（2）配制成膜组合物溶液：将适量普鲁兰多糖和甘油加入步骤（1）中得到的纳米纤维素分散液中，机械搅拌至普鲁兰多糖完全溶解，经高压均质处理，得到成膜组合物溶液。其中，所述普鲁兰多糖的相对分子质量为2.0×105，所述普鲁兰多糖的浓度为40 mg/mL；所述甘油的浓度为4 mg/mL。所述高压均质处理的条件为：在300 Bar的压力下高压均质循环15次。
（3）制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装：将适量步骤（2）的成膜组合物溶液倾倒于聚丙烯平皿中，在40-50℃ 干燥5-6h，获得普鲁兰多糖-纳米纤维素纳米复合膜，即纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装。
实施例2：制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装（PDCF）
与实施例1不同的是，
一种可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装，具体制备方法如下：
（1）配制纳米纤维素分散液：将纤维素分散在水中，经高压均质处理，得到浓度为0.1 mg/mL的纳米纤维素分散液。所述的纤维素为长径比118、表面电荷数24 mV且分散度小于0.8的阴离子化纳米纤维素。所述高压均质处理的条件为：在200Bar的压力下高压均质循环100次。
（2）配制成膜组合物溶液：所述普鲁兰多糖的相对分子质量为1.0×105，所述普鲁兰多糖的浓度为20 mg/mL；所述甘油的浓度为2 mg/mL。所述高压均质处理的条件为：在200Bar的压力下高压均质循环30次。
（3）制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装：将适量步骤（2）的成膜组合物溶液倾倒于聚丙烯平皿中，在40-50℃ 干燥5-6h，获得普鲁兰多糖-纳米纤维素纳米复合膜，即纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装。
实施例3：制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装（PDCF）
与实施例1不同的是，
一种可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装，具体制备方法如下：
（1）配制纳米纤维素分散液：将纤维素分散在水中，经高压均质处理，得到浓度为1.2 mg/mL的纳米纤维素分散液。所述的纤维素为长径比120、表面电荷数25 mV且分散度小于0.8的阴离子化纳米纤维素。所述高压均质处理的条件为：在300 Bar的压力下高压均质循环60次。
（2）配制成膜组合物溶液：所述普鲁兰多糖的相对分子质量为2.0×105，所述普鲁兰多糖的浓度为60 mg/mL；所述甘油的浓度为6 mg/mL。所述高压均质处理的条件为：在300Bar的压力下高压均质循环15次。
（3）制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装：将适量步骤（2）的成膜组合物溶液倾倒于聚丙烯平皿中，在40-50℃ 干燥5-6h，获得普鲁兰多糖-纳米纤维素纳米复合膜，即纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装。
实施例4：制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装（PDCF）
与实施例1不同的是，
一种可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装，具体制备方法如下：
（1）配制纳米纤维素分散液：将纤维素分散在水中，经高压均质处理，得到浓度为0.6 mg/mL的纳米纤维素分散液。所述的纤维素为长径比124、表面电荷数30 mV且分散度小于0.8的阴离子化纳米纤维素。所述高压均质处理的条件为：在600 Bar的压力下高压均质循环30次。
（2）配制成膜组合物溶液：所述普鲁兰多糖的相对分子质量为2.0×105，所述普鲁兰多糖的浓度为30 mg/mL；所述甘油的浓度为3 mg/mL。所述高压均质处理的条件为：在600Bar的压力下高压均质循环10次。
（3）制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装：将适量步骤（2）的成膜组合物溶液倾倒于聚丙烯平皿中，在40-50℃ 干燥5-6h，获得普鲁兰多糖-纳米纤维素纳米复合膜，即纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装。
实施例5：制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装（PDCF）
与实施例1不同的是，
一种可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装，具体制备方法如下：
（1）配制纳米纤维素分散液：将纤维素分散在水中，经高压均质处理，得到浓度为0.4 mg/mL的纳米纤维素分散液。所述的纤维素为长径比110、表面电荷数28 mV且分散度小于0.8的阴离子化纳米纤维素。所述高压均质处理的条件为：在400 Bar的压力下高压均质循环60次。
（2）配制成膜组合物溶液：所述普鲁兰多糖的相对分子质量为1.0×105，所述普鲁兰多糖的浓度为50 mg/mL；所述甘油的浓度为5 mg/mL。所述高压均质处理的条件为：在400Bar的压力下高压均质循环20次。
（3）制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装：将适量步骤（3）的成膜组合物溶液倾倒于聚丙烯平皿中，在40-50℃ 干燥5-6h，获得普鲁兰多糖-纳米纤维素纳米复合膜，即纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装。
对比实施例1：制备不添加纳米纤维素的普鲁兰多糖食品内包装（PF）
一种可生物降解普鲁兰多糖食品内包装，具体制备方法如下：
（1）配制成膜组合物溶液：将适量普鲁兰多糖和甘油加入水中，机械搅拌至普鲁兰多糖完全溶解，经高压均质处理，得到成膜组合物溶液。所述普鲁兰多糖的相对分子质量为2.0×105，所述普鲁兰多糖的浓度为40 mg/mL；所述甘油的浓度为4 mg/mL。
（2）制备普鲁兰多糖食品内包装：将适量步骤（1）的成膜组合物溶液倾倒于聚丙烯平皿中，在40-50℃ 干燥5-6h，获得普鲁兰多糖-复合膜，即普鲁兰多糖食品内包装。所述内包装的厚度为0.05 mm。
实施例6：可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装（PDCF）的性能检测
对实施例1-5制备的可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装（PDCF）进行性能检测，结果一致。现以实施例1为例进行如下说明。同时对对比实施例1制备的PF薄膜进行性能检测，作为对照。
1.强度、耐折叠性、湿度稳定性和热封性
（1）强度的检测方法如下：
将PDCF薄膜和PF薄膜剪切为9×9cm2的正方形和0.5×6cm2的长方形，分别以上述薄膜托起和提起500 g的砝码，观察薄膜是否有断裂或者破碎，以定性评估薄膜的强度。
（2）耐折叠性的检测方法如下：
定性评估：将PF薄膜和PDCF薄膜折叠为鹤的形状，观察薄膜是否有破裂。
定量测定：首先，将薄膜置于25℃，53%相对湿度条件的干燥器内储存24 h。进一步，将薄膜剪切为6 × 1.5 cm2的条状样品。接下来，设置万能实验机的参数，初始距离为5cm，实验速度为500 mm/min。将条状样品反复进行折叠，测定折叠前和折叠后薄膜的抗拉强度（TS），计算折叠后TS（δ）0和折叠前TS（δ0）比例（δ/δ0）。
（3）湿度稳定性测定方法如下：
首先，将薄膜分为两部分，一部分薄膜直接置于25℃，33%、53%、83%相对湿度条件下贮存3 d、7 d；另一部分薄膜置于密封的纸包装内，于25℃，33%、53%、83%相对湿度条件下贮存15 d和30 d。进一步，将所有薄膜样品剪切为6×1.5 cm2的条状样品。接下来，设置万能实验机的参数，初始距离为5 cm，实验速度为500 mm/min，测定样品的抗拉强度（TS）。
（4）热封性测定方法如下：
首先，将PF薄膜和PDCF薄膜切割成1.5×4 cm2的条状。将两条带材面贴在一起，用热封机在150℃下对带材边缘附近20×10 mm2区域进行热封，停留时间为3 s。热封后，将试样在25℃，53% RH下存放24 h，用万能试验机测定热封试样的剥离强度。将密封薄膜的每条腿夹在机器上，并以180°角打开。夹头之间的初始距离（夹头长度）为5.0 cm，拉伸速度为1mm/s。密封强度（HS）（N/m）计算公式：HS (N/m) = M/W；式中M为导致密封失效所需的最大负载（N）；W为密封宽度（m）。
对PDCF的强度、耐折叠性、储存稳定性及热封性进行表征，如图1所示。由图1a可知，PDCF具有较高的强度，在吊起和托起500 g砝码时，没有产生裂纹和碎裂，可有效避免在运输和储存过程中发生碎裂。由图1b可知，PDCF具有较好的耐折叠性，折叠后不会产生裂纹，而对比实施例1制备的不添加纳米纤维素的PF薄膜在折叠后出现脆裂（黄色箭头标识处）。由图1c可知，PDCF反复折叠25次后，δ/δ0值为0.974 ± 0.004，表明PDCF在经过25次的反复折叠后，仍能保持原有机械性能。然而，PF在反复折叠15次时，薄膜断裂。这充分表明，纳米纤维素可增强普鲁兰多糖薄膜的耐折叠性；发明人推测，这是由于纳米纤维素在普鲁兰多糖薄膜中起着断裂桥接的作用，在折叠、拉伸薄膜时，纳米纤维素可在多个地方桥接裂纹。
在食品的储存和运输过程中，环境湿度变化对薄膜机械性能的影响显得尤为重要。由图1d可知，在83%湿度条件下，PF薄膜形态发生了巨大的变化，这是因为，普鲁兰多糖表面含有大量的羟基，因此对湿度非常敏感；而PDCF薄膜形态未发生改变。这说明，纳米纤维素的加入，增强了普鲁兰多糖薄膜的湿度稳定性。此外，在23%的相对湿度条件下储存3天时，PF和PDCF薄膜的抗拉强度均增强；继续储存至7天，薄膜抗拉强度无显著性差异。这是由于，刚转移至23%的相对湿度条件下，薄膜含水量降低并逐渐达到平衡。在53%的相对湿度条件下储存至7天，PF和PDCF的抗拉强度无显著性差异。然而，在83%的相对湿度条件下储存3天时，PF和PDCF的抗拉强度显著降低，继续储存至7天，薄膜抗拉强度无显著性差异。这是由于，在83%相对湿度条件下，薄膜水含量显著增加并逐渐达到平衡。这表明，虽然纳米纤维素可以降低普鲁兰多糖薄膜在高湿度条件下的含水量，增强薄膜的机械强度（图1e, f），但是，PDCF在高湿度条件下仍有一定程度的软化现象。
发明人在薄膜外层增加一层纸外包装，测定加纸外包装后薄膜在不同湿度条件下的抗拉强度。图1f显示，在23%，53%和83%的相对湿度条件下储存30天，PF和PDCF的抗拉强度均无显著性差异，表明在增加一层纸外包装后，PF和PDCF薄膜在23%，53%和83%的相对湿度条件下可稳定储存，具有一定的替代内、外包装的潜力。
在包装袋制造中，薄膜的密封性能是非常重要的。包装材料必须有足够的密封强度，以防止包装内的产品在贮存、加工或搬运过程中泄漏。发明人通过薄膜的热封强度和热封后薄膜的截面扫描电镜评估薄膜的热封性能。图1g显示，PF和PDCF的热封强度分别为880± 106 N/m和1600 ± 73 N/m。这说明，PDCF的热封强度显著高于PF的热封强度，具备优异的密封性能；这是由于纳米纤维素在普鲁兰多糖基体中的均匀分散和与普鲁兰多糖的强界面相互作用增强了PDCF的热封强度。图1h显示，PF和PDCF热封截面光滑，两层薄膜间不存在缝隙，均可依靠热封机完全融合。综上可知，虽然PF和PDCF均具备热封性能，但PDCF热封紧密性与PF相比显著增强，可以更好的防止食品在储存和运输时的泄露。
2. 生物毒性
生物毒性的检测包括细胞毒性试验和小鼠急毒性试验：
（1）细胞毒性实验具体操作步骤如下：以1×104的细胞密度接种L929细胞至96孔板，37℃，5% CO2培养24 h。接下来，用新鲜的DMEM培养基将样品的浓度稀释为100，300，500，600，700，800，900，1000 μg/mL的浓度梯度，不加胎牛血清的DMEM为阴性对照。进一步采用MTT法测定普鲁兰多糖、PDCF和纳米纤维素（NCDCS）的细胞毒性。
（2）小鼠急毒性实验具体操作步骤如下：取C57BL/6N小鼠56只，雌雄各半，适应性喂养一周。实验前，配制146 mg/mL和292 mg/mL的普鲁兰多糖溶液和PDCF薄膜溶液；5.5mg/mL和11 mg/mL的纳米纤维素分散液。每只小鼠的灌胃剂量最大为1.2 mL，分两次给药。给药前禁食12 h，仅供水。上述各剂量给药后，观察20天内小鼠的活动、食量、体重变化情况，并记录。
作为食品包装材料，材料的安全性至关重要。为了评估潜在细胞毒性及其对人类健康的可能影响。发明人测定了普鲁兰多糖、PDCF和纳米纤维素（NCDCS）对L929细胞毒性和C57BL/6N小鼠的急毒性，结果如图2所示。
根据图2a显示，在100 - 1000 μg/mL的NCDCS浓度下，细胞活力无显著性差异。当样品浓度低于或等于800 μg/mL时，其对L929细胞活力无显著性影响。根据图2b显示，C57BL/6N小鼠对普鲁兰多糖、PDCF和NCDCS的最大耐受剂量分别>15 g/kg，15 g/kg和600 mg/kg。在20天的观察期内，未见小鼠死亡，小鼠体重呈增长趋势，活动和其他行为如常，毛色光亮。以上结果表明，普鲁兰多糖、PDCF和NCDCS基本无毒性。
3.用作食品内包装的可行性
食品包装的制备方法：采用PF、PDCF和PET塑料（2×8 cm2，4×4 cm2，4×8 cm2），在150℃热封条件下热封，制备了一系列的三面密封袋。进一步，将两种干粉（咖啡粉、奶粉），两种油（橄榄油，方便面油）和一种饼干手动转移到半成品袋，立即密封包装袋。包装袋中分别包含2 g咖啡、2 g奶粉、1.5 mL橄榄油、2 g方便面油和5 g饼干。
发明人以PET塑料薄膜为对照，将PF、PDCF和PET塑料制备成密封内包装袋，分别包装了奶粉、咖啡、橄榄油、方便面调料油包、饼干等易吸潮和易氧化的物质，如图3所示。由于PF和PDCF在可见光范围内具有良好的透明度，因此包装在PF和PDCF小袋中的物质与包装在PET中的物质相同，都呈现出原来的颜色（图3a、3b）。图4展示了包装咖啡的PDCF包装袋在热水中的溶解的图片，在这些图片中可明显的看出，包装咖啡粉的PDCF包装袋在15 s时已经部分溶解，开始释放咖啡粉末，50 s完全溶解；这表明纳米纤维素的添加并不会影响薄膜的热水速溶性。这表明，本研究所制备的PDCF包装即用作速溶可食用包装材料，也可用作普通食品内包装材料。
4.对食品的保鲜效果
对食品的保险效果评估方法：将上述包装食品分为两部分，其中一部分直接在25℃、33%、53%、83% RH条件下分别贮存3 d、7 d，另一部分装入纸包装内后在25℃、33%、53%、83% RH条件下分别贮存15 d、30 d。测定咖啡、饼干和奶粉的水分含量及奶粉的可溶性成分含量；饼干的脆性采用直径为10 mm的圆柱形探针，使用质地分析仪进行测试；测定橄榄油的过氧化值。最后，为了测试食用袋的溶解度，将咖啡袋放入200 mL热水（95 ± 2℃）中，轻轻搅拌，观察带可溶包装的咖啡袋溶解情况。
为了评估PF和PDCF内包装对食品的保鲜效果，发明人以PET塑料薄膜作为对照，将PF、PDCF和PET塑料密封包装饼干、咖啡、奶粉、橄榄油并在33%，53%和83%湿度条件下储存，以饼干的含水量和硬度、咖啡的含水量、奶粉的含水量和可溶性成分含量及橄榄油的过氧化值评估PF和PDCF对食品的保鲜效果。
（1）PF、PDCF和PET包装对饼干的保鲜效果
图5a, c显示，在33%、53%和83%湿度条件下储存的PET包装饼干，含水量和可承受负载力无显著性差异；这表明PET塑料包装可保护饼干免受环境湿度变化的影响。与PET塑料包装相比，普鲁兰多糖表面含有大量的羟基，因此普鲁兰多糖对湿度变化敏感。当在53%和83%湿度条件下储存PF和PDCF包装的饼干3天时，PF和PDCF饼干的含水量显著增加，可承受的负载力显著降低。在83%相对湿度条件下储存7天时，PF和PDCF包装饼干的含水量和可承受的负载力分别为8.4 ± 0.1%，7.5 ± 0.2%和2.7 ± 0.4 N，4.0 ± 0.3 N；PDCF包装的饼干的含水量显著低于PF包装的饼干的含水量，PDCF包装的饼干的可承受的负载力显著高于PF包装的饼干的可承受的负载力。这表明，纳米纤维素的添加可降低普鲁兰多糖薄膜的水蒸气透过率，降低包装的饼干的含水量，增强包装饼干的可承受的负载力。图5e, f显示，在83%湿度条件下储存各包装饼干3天和7天后，PF包装呈现为柔软、粘连、褶皱的状态，PDCF和PET包装较为平整。
综上可知，PF和PDCF包装的饼干可在低湿度条件下储存，然而，在高湿度条件下，PF和PDCF包装变软，PET包装的饼干受环境湿度影响较小。因此，发明人进一步在PF和PDCF内包装外增加纸外包装。图5b, d显示，在23%，53%和83%的相对湿度条件下储存30天，以纸为外包装，PF或PDCF为内包装的双层包装的饼干与PET包装饼干的含水量和负载力没有显著性差异，表明以纸为外包装，PF或PDCF为内包装的双层包装可较好的保护饼干免受环境湿度变化的影响。与PET包装相比，PDCF内包装和纸外包装的组合更符合绿色、环保、可持续的理念，为有潜力的塑料饼干包装袋的替代品。同时，PF薄膜的脆度高，在储存过程中PF包装损坏率较高，而PDCF包装损坏率低，表明纳米纤维素有效增强了薄膜的机械性能。
（2）PF、PDCF和PET包装对咖啡的保鲜效果
图6a显示，在33%，53%和83%湿度条件下储存PET包装咖啡3天和7天，咖啡的含水量无显著性差异。在33%，53%相对湿度条件下储存PF和PDCF包装的咖啡3天和7天，咖啡的含水量无显著性差异。然而，在83%相对湿度条件下储存PF和PDCF包装的咖啡3天，咖啡含水量显著增加，分别为11.6 ± 1.9%和8.6 ± 0.1%。PF包装的咖啡在储存3天时已经出现明显的吸潮结块现象（图6c）。继续在83%相对湿度条件下储存至7天，PF和PDCF包装的咖啡含水量进一步增加，分别为17.2 ± 0.2%和11.2 ± 1.4%，PF和PDCF包装的咖啡均出现吸潮结块现象（图6d）；此时，PET包装内的咖啡未出现吸潮结块的现象，这归因于普鲁兰多糖的高亲水性。
发明人在PF和PDCF包装外层增加了纸外包装，以期延长咖啡的储存时间。图6b显示，在23%，53%和83%的相对湿度条件下储存30天，以纸为外包装，PF或PDCF为内包装的双层包装包装的咖啡的含水量高于PET包装的咖啡含水量，但其含水量均低于6%，且随着时间的增长，咖啡含水量保持不变。以上结果表明以纸为外包装，PF或PDCF为内包装的双层包装包装的咖啡的含水量虽高于PET包装的咖啡的含水量，但是可控制咖啡的含水量低于6%，为有潜力的塑料咖啡包装替代材料。
（3）PF、PDCF和PET包装对橄榄油的保鲜效果
发明人以橄榄油的过氧化值（PV）值评估包装对橄榄油的保鲜效果，PV值越低，包装对橄榄油的保鲜效果越好。图7a显示，当PET包装的橄榄油在33%，53%和83%的湿度下储存7天时，橄榄油的过氧化值无显著性变化。令人震惊的是，在53%和83%的湿度下，PDCF包装的橄榄油的PV值显著低于PET包装的橄榄油的PV值，这可能是因为在较高湿度条件下，PDCF薄膜吸收水分子，增加了PF和PDCF的阻氧性，而PET包装受水分子的影响较小。然而，在83%相对湿度条件下储存各包装橄榄油3天和7天时，PF包装的橄榄油包装袋出现软化粘结现象（图7c, d）。因此，发明人进一步在内包装外层增加了纸外包装，以期延长橄榄油的储存时间。图7b显示，以PF或PDCF为内包装，纸为外包装的双层包装包装的橄榄油在23%，53%和83%的相对湿度条件下储存30天后，其过氧化值显著低于PET包装橄榄油的过氧化值，表明以PF或PDCF为内包装，纸为外包装的双层包装可保护橄榄油免受空气中氧气的氧化作用，为有潜力的橄榄油包装材料。
（4）PF、PDCF和PET包装对奶粉的保鲜效果
图8a, c显示，PET包装的奶粉在33%，53%和83%的湿度条件下储存7天后，它们的含水量和可溶性成分的含量无显著性差异。PF和PDCF包装奶粉在23%湿度下储存7天后，它们的含水量和可溶性成分无显著性差异。然而，在83%湿度条件下储存7天，PF和PDCF包装奶粉的含水量显著增加，分别为12.1 ± 1.1%和7.3 ± 1.0%，可溶性成分含量显著性降低，分别为52.2 ± 0.3%和63.6 ± 1.3%，且包装袋软化，奶粉吸潮结块（图8e, f），PET包装内的奶粉未出现吸潮结块的现象。
发明人进一步在PF和PDCF内包装外层增加了纸外包装，以期延长奶粉的储存时间。图8b, d显示在23%，53%和83%的湿度下储存以纸为外包装，PF或PDCF为内包装的双层包装包装奶粉30天，奶粉的含水量高于PET包装奶粉的含水量，但是该包装可控制奶粉含水量在6%以内；奶粉的可溶性成分含量与PET包装奶粉的可溶性成分含量无显著性差异，均可控制在75%以上。以上结果表明以纸为外包装，PF或PDCF为内包装的双层包装为有潜力的塑料奶粉包装替代材料。
综上可知，PF和PDCF包装可在低湿度条件下短期储存奶粉、咖啡、橄榄油、饼干等食品。与PET包装相比，PF和PDCF包装更易受环境湿度的影响，因此应将其储存在相对湿度33%-73%条件下。以纸为外包装，PF或PDCF为内包装的双层包装可在23%，53%和83%的湿度条件下长期储存奶粉、咖啡、橄榄油、饼干等食品。因此，PF或PDCF既可用作速溶可食用内包装材料，也可用作普通内包装材料，是一种新型的食品内包装材料。
5. 生物可降解性
生物可降解性测定方法：采用土埋实验进行了PF、PDCF和PLA&PBAT购物袋生物可降解能力的定性研究；具体操作步骤如下：首先，将PF、PDCF和PLA&PBAT剪切为2 × 2 cm2的正方形。进一步，将每片2 × 2 cm2的矩形薄膜埋在一个铝制托盘中（30 cm × 20 cm× 6 cm），托盘中装满了距表面4 cm以下的堆肥土壤，以促进有氧降解。每天喷水两次保证土壤湿润。在不同的时间，将每个薄膜的样品取出，在30℃的烘箱中烘干24 h，拍照记录其降解情况。
PF，PDCF和PLA&PBAT在土壤中生物降解能力的定量研究，具体操作步骤如下：土壤呼吸试验设置在1 L密封瓶中，装有100 g土壤（1/3农田、1/3草甸和1/3森林）。在校正基线测试（土壤）中的二氧化碳释放量后，通过测量烧瓶中的二氧化碳释放量来监测聚合物的降解情况。准确称取1.5 g PF、PDCF和PLA&PBAT薄膜，掩埋于土壤中，测定锥形瓶内产生二氧化碳的量。
对PF和PDCF包装的土壤降解情况进行定性和定量的测定，结果如图9和表1所示。图9显示，用土壤掩埋PF、PDCF后，它们的形态发生了巨大的变化。当PF、PDCF被土壤掩埋4天时，PF薄膜在铜网上只有少量的残留，PDCF薄膜在铜网上还有大量的残留。这是因为，普鲁兰多糖表面含有大量的羟基，具有极高的亲水性，所以其被土壤掩埋后，吸水膨胀，膨胀的薄膜表面为糊状，极易吸附黏土，土壤中存在大量具有降解多糖聚合物能力的微生物群落。这些细菌通过产生胞外淀粉水解酶将淀粉水解为双糖或者单糖，从而被其吸收，为其提供能量。胞外淀粉水解酶包括淀粉脱支酶（普鲁兰酶），淀粉脱支酶可水解普鲁兰多糖中的α-1, 6糖苷键，从而降解普鲁兰多糖。而PDCF中纳米纤维素表面的羟基与普鲁兰多糖表面的羟基形成致密的氢键作用，降低了PDCF的亲水性，阻碍了薄膜的解聚及其与微生物的接触，从而延长了PDCF的降解时间。当PF、PDCF和PLA&PBAT被土壤掩埋10天时，PF和PDCF在铜网上均无残留，而PLA&PBAT塑料袋依然保持完整。这是因为，土壤中可降解PLA和PBAT的微生物的种类和生物量较少。
表1. 10天后PF、PDCF和PLA&PBAT土壤生物降解数据
材料 降解率 (%)
PF 98.6 ± 1.3a
PDCF 83.4 ± 1.1b
PLA&PBAT复合塑料袋 1.1 ± 0.3c
注：a、b、c不同符号的数据有显著差异。
为了定量测定PF，PDCF和PLA&PBAT塑料袋在土壤中的生物降解情况，发明人用氢氧化钡吸收薄膜降解产生的CO2，计算薄膜的降解率详见表1。表1显示，当PF、PDCF和PLA&PBAT被土壤掩埋10天时，PF，PDCF和PLA&PBAT薄膜的降解率分别为98.6 ± 1.3%，83.4 ±1.1%和1.1 ± 0.3%，其中PLA&PBAT的降解率可能是土壤中微生物产生CO2量的误差导致的。以上结果表明，PF和PDCF薄膜在土壤中可被快速降解，不会产生垃圾的堆积，均具备优异的生物可降解性。
综上可知，本申请所述的纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装，与现有的普鲁兰多糖薄膜相比，不但具备高强度（60-80 Mpa）、高耐折性（耐折叠次数为20-25次），高阻隔性（WVP为0.03-0.04 g·m·(m2·d)-1；PV为 40-50 meq/kg）、高抗油性，而且湿度稳定性好，在湿度23%-83%的范围内均能保持良好的抗拉强度，同时热封强度（1200-1600 N/m）显著提高，可以更好的防止食品在储存和运输时的泄露；此外，所述的内包装还可以安全食用。基于上述优异性能，本申请所述的纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装，能够实现易氧化的粉类、油类物质的稳定储存，具备可观的经济价值。同时，所述的内包装可以实现完全的生物降解，环境友好，符合产业发展的趋势，应用前景广阔。

Claims (8)

1.用于制备可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装的成膜组合物，其特征在于：包括由纳米纤维素、普鲁兰多糖和甘油组成的干物质和水；所述的纳米纤维素是纤维素经高压均质处理得到，所述的纤维素为长径比大于100、表面电荷数大于20 mV且分散度小于0.8的阴离子化纳米纤维素；所述普鲁兰多糖的相对分子质量为1.0~2.0×105；所述纳米纤维素的浓度为0.1-1.2 mg/mL、所述普鲁兰多糖的浓度为20-60 mg/mL；所述甘油的浓度为2-6 mg/mL。
2.一种可生物降解纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装，其特征在于：采用权利要求1所述的成膜组合物制备得到。
3.根据权利要求2所述的可生物降解食品内包装，其特征在于：通过以下步骤制备得到：（1）配制纳米纤维素分散液：将纤维素分散在水中，经高压均质处理，得到浓度为0.1-1.2 mg/mL的纳米纤维素分散液；所述的纤维素为长径比大于100、表面电荷数大于20 mV且分散度小于0.8的阴离子化纳米纤维素；（2）配制成膜组合物溶液：将适量普鲁兰多糖和甘油加入步骤（1）中得到的纳米纤维素分散液中，机械搅拌至普鲁兰多糖完全溶解，经高压均质处理，得到成膜组合物溶液；所述普鲁兰多糖的浓度为20-60 mg/mL；所述甘油的浓度为2-6 mg/mL；（3）制备纳米纤维素-普鲁兰多糖食品内包装：将适量步骤（2）的成膜组合物溶液倾倒于平皿中，干燥处理，获得普鲁兰多糖-纳米纤维素纳米复合膜。
4. 根据权利要求3所述的可生物降解食品内包装，其特征在于：步骤（1）中所述高压均质处理的条件为：在200-600 Bar的压力下高压均质循环30-100次。
5.根据权利要求3所述的可生物降解食品内包装，其特征在于：步骤（2）中所述高压均质处理的条件为：在200-600 Bar的压力下高压均质循环10-30次。
6.根据权利要求3-5中任意一项所述的可生物降解食品内包装，其特征在于：步骤（2）中所述干燥处理的具体条件为：在40-50℃干燥5-6 h。
7.如权利要求3-6中任意一项所述的可生物降解食品内包装的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述应用具体为，用于速溶可食用包装材料或普通食品内包装材料。
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