氨基化细菌纤维素/氧化石墨烯复合材料的制备及性能研究

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细菌纤维素(BC)不仅纯度、持水量、杨氏模量和抗张强度高,而且合成效率高,发酵过程易调控。由于这些优异的特性,因此细菌纤维素非常受国内外学者的关注。BC是单一纤维组织,应用比较单一,可以作为生物亲和性的基体材料,与其他材料制备成复合材料,从而拓宽在生物医学、食品包装等领域的应用。具体研究内容如下:(1)本实验以M12菌种制备的细菌纤维素膜作为基体材料,将3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTES)化学接枝到BC纳米纤维网络的表面,制备一种含有硅氧烷的氨基化细菌纤维素(BC-NH2)。对BC-NH2的结构、外貌形态进行表征发现BC-NH2的纤维结构较BC更为致密。研究发现BC-NH2的断裂伸长率明显提高,而拉伸强度下降。当APTES为7.5 wt%时,改性后的BC-NH2的拉伸强度和断裂伸长率分别达到最大为1.30±0.01 MPa、29.54±2.92%;而吸水性能随APTES浓度的增加而呈现先增加后减小的趋势,在APTES为7.5 wt%时最大。以大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、白念珠菌为模式菌株研究BC-NH2抗菌性能,结果显示,随着APTES含量的增加,抗菌性能增强,对大肠杆菌抑菌圈最大可达1.30±0.02 cm;对金黄色葡萄球菌抑菌圈最大可达1.90±0.05 cm;对绿脓杆菌的抑菌圈最大可达1.40±0.02 cm;对白色念珠菌的抑菌圈最大可达1.60±0.03 cm。(2)为了提高氨基化细菌纤维素的力学性能,分别以葡萄糖、香兰素、柠檬酸作为绿色交联剂,以不同含量氧化石墨烯合成了一系列氨基化细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜。交联剂的引入使得复合膜的拉伸强度明显增加,其中含有2.0 wt%氧化石墨烯的氨基化细菌纤维素/氧化石墨烯—葡萄糖复合膜(BCN2-GL,拉伸强度为6.51±0.02MPa)的拉伸强度是含有7.5 wt%APTES的氨基化细菌纤维素(BN3,拉伸强度为1.30±0.01MPa)的五倍左右。而吸水性能较BC-NH2呈现明显减小的趋势,其中柠檬酸、葡萄糖、香兰素作为交联剂下的氨基化细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜(BC-NH2/GO)的吸水率随着氧化石墨烯含量的增加而减小,分别为54.58%、51.73%、60.07%。抗菌性能测试表明BNG和交联剂具有一定的协同作用,对大肠杆菌、绿脓杆菌和白色念珠菌表现出增强的杀菌活性,而对金黄色葡萄球菌杀菌活性略有降低。其中含有1.0wt%氧化石墨烯的氨基化细菌纤维素/氧化石墨烯—香兰素复合膜(BCN1-V)对大肠杆菌抑菌圈最大可达1.70±0.03 cm;BCN2-GL对金黄色葡萄球菌抑菌圈最大可达1.50±0.02 cm;对绿脓杆菌而言,含有2.0 wt%氧化石墨烯的氨基化细菌纤维素/氧化石墨烯—香兰素复合膜(BCN2-V)抑菌圈最大可达1.50±0.03 cm;对于白色念珠菌而言,含有2.0 wt%氧化石墨烯的氨基化细菌纤维素/氧化石墨烯—柠檬酸复合膜(BCN2-CA)抑菌圈最大可达2.00±0.02 cm,这表明了它们作为抗菌材料的巨大潜力。(3)为了研究BCN-GL复合膜在草莓保鲜方面的应用,主要探讨氨基化细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜对草莓贮藏品质的影响。考察草莓果实的质量、硬度、p H、可滴定酸度和总可溶性固形物(TSS)等相关因素的变化,结果显示复合膜包装的草莓的失重率明显低于对照组。在4℃下10天后,与其他组相比,用BN-GL3包装的草莓的质量损失最小。随着贮藏时间的延长,各组草莓果实的硬度逐渐降低,在贮藏结束时,对照处理草莓果实的硬度由最初的23.5N下降到18.7N,而包覆有BN-GL3的草莓果实硬度值由最初的23.6N下降到20.4N,同时,BN-GL3在最大程度上保留草莓果实的质量、减少可溶性固形物总糖和果实的总酸的变化上也起到了良好的作用,因此氨基化细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜在果蔬保鲜方面具有可行性。
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