一种无毒且长效抗菌的自组装壳聚糖衍生纳米复合材料及其制备方法与应用

本发明属于绿色长效食品抗菌保鲜，具体涉及一种无毒且长效抗菌的自组装壳聚糖衍生纳米复合材料及其制备方法与在鸡肉保鲜的应用。

背景技术：

1、食品安全是国家和地区应对自然灾害的重要保障，但传统的食品包装和储存技术正受到新一轮公共卫生事件的冲击。特别是全球“covid-19”对社会发展的限制，大大拓展了加工食品的需求和服务范围。为了保证消费者餐桌上生存食品的新鲜度，提高商业产品的保质期已成为食品供应链中的一个重要问题。在现代食品工业中，保鲜膜在食品保鲜方面发挥着重要作用，但塑料垃圾带来的安全和环境挑战也威胁着公众健康。在冷链运输过程中，covid-19(sars-cov-2)可在塑料环境中存活一段时间，这加剧了人们对食品包装的担忧。普通合成聚合物包装只能对空气中的微生物和灰尘起到物理阻隔作用，并不能完全避免食源性疾病的发生。因此，开发安全、绿色、长效的食品保鲜技术仍然迫在眉睫。

2、随着食品腐蚀机理的揭示和中草药研究的深入，具有高生物相容性的天然生物质材料作为塑料薄膜的替代品已引起主流食品医药学的广泛关注。为了进一步设计出具有强抗菌性和良好机械强度的可持续食品包装材料，一些研究小组正在尝试构建基于天然聚合物和金属纳米颗粒的新型生物功能复合薄膜。然而，由于无机离子迁移到食品中的概率并非为零，因此这种构建金属基包装材料的策略存在争议。金属元素对人体的毒性和环境问题一直是人们长期考虑的问题，这与食品包装的纳米粒子设计无关。生物可降解聚合物的先进性和优势不仅体现在其安全性和生物相容性上，还为薄膜加工提供了灵活性和可编程性。例如，liu等人设计了一种聚乙烯醇/壳聚糖共混薄膜，具有更强的疏水性和机械性能，可用于鱼类保鲜(f.liu,x.zhang,x.xiao,q.duan,h.bai,y.cao,y.zhang,m.alee,l.yu,improved hydrophobicity,antibacterial and mechanical properties of polyvinylalcohol/quaternary chitosan composite films for antibacterial packaging,carbohydr polym 312(2023)120755.doi:10.1016/j.carbpol.2023.120755.)。此外，li等人还提出了一种姜黄素掺杂壳聚糖复合薄膜，该薄膜具有更好的抗紫外线能力和抗氧化能力，可用于水果保鲜(h.li,y.jiang,j.yang,r.pang,y.chen,l.mo,q.jiang,z.qin,preparation of curcumin-chitosan composite film with high antioxidant andantibacterial capacity:improving the solubility of curcumin by encapsulationof biopolymers,food hydrocolloids 145(2023).doi:10.1016/j.foodhyd.2023.109150.)。壳聚糖(cts)因其优异的成膜性能而被认为是一种在绿色包装领域前景广阔的生物聚合物原料，但liu等人和li等人提出的混合和掺杂工艺并不能有效提高天然生物质材料的功能和生物特性。随着设计思想的转变和升级，通过化学改性制备天然衍生物被认为是提高母体聚合物物理和生物特性的一种有效的分子创新方法。黄芪多糖(aps)是从黄芪中分离出来的一类生物活性成分，具有抗氧化、抗炎和抗菌等多种药理活性。基于aps优良的两亲结构和表面活性，我们推测cts的内在特性(如物理和抗菌性能)可以通过aps的化学交联得到很好的调整。然而，目前很少有文献研究探讨cts接枝aps(cts-aps)及其功能化衍生物在抗菌包装领域的应用。

技术实现思路

1、基于上述背景，本发明提出了一种简便、稳健的方法来开发壳聚糖(cts)衍生纳米复合材料，以实现绿色、高效的食品保鲜。这种基于聚合物的自组装纳米复合材料是由壳聚糖(cts)单元与多糖(包括黄芪多糖、柿子多糖、柚子多糖以及蒲公英多糖)和功能性二氢杨梅素(dmy)共聚而成。与传统的金属基包装材料相比，这种模型纳米复合材料兼具令人满意的安全性和抗菌性能。一方面，dmy是一种含有多个羟基的多酚类黄酮，通过其与细菌外膜的强碳水化合物关系，提高了纳米复合材料系统与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的有效识别能力。另一方面，由于cts和多糖的协同抗菌作用，所设计的纳米复合材料具有更强的生物膜抑制、细胞膜破坏和能量代谢干扰作用。作为概念验证，本发明还设计了浸渍了cts-aps@dmy的纤维纸用于鸡肉包装，这种改性后的包装纸具有更强的防水性、紫外线屏蔽性和长期食品保鲜性能。

2、本发明通过cts与多糖以及dmy的共聚反应设计了一种自组装的具有协同杀菌功效的cts衍生纳米复合材料。首先，以富马酸为连接剂，通过调节溶液ph触发脱水缩合反应使cts与多糖形成共聚物。随后，利用静电作用将dmy引入到cts共聚化合物中，通过氢键作用和π-π堆积作用收缩所有高分子链段，进而在保护各活性物质的生物位点的前提下形成自组装的cts衍生纳米复合材料。由于具有多种生物作用位点，由此产生的cts衍生纳米复合材料具有协同抗菌行为，从而能更加彻底地杀死食源性细菌(如大肠杆菌和金色葡萄球菌)，可以有效提高食品抗菌保鲜效果，从而提高食品品质。

3、本发明采取的技术方案如下：

4、本发明提供一种无毒且长效抗菌的自组装壳聚糖衍生纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

5、(1)制备壳聚糖共聚化合物：在搅拌状态下，将壳聚糖盐酸盐和富马酸以及多糖溶解在水中，加入naoh溶液调节溶液ph，搅拌反应结束后将溶液进行透析，再冷冻干燥后得到壳聚糖共聚化合物；

6、(2)制备壳聚糖衍生纳米复合材料：将壳聚糖共聚化合物溶解在水中得到水相，再将二氢杨梅素溶解在无水乙醇中得到油相，将油相缓慢加入到水相中，再恒温搅拌一段时间，即得到壳聚糖衍生纳米复合材料。

7、优选的，步骤(1)中，所述壳聚糖盐酸盐选用分子量在5000-12000之间的一种；所述多糖包括黄芪多糖、柿子多糖、柚子多糖以及蒲公英多糖中的一种。壳聚糖盐酸盐与多糖之间通过富马酸发生脱水缩合连接，并利用两种高分子涂层的物理纠缠、氢键作用等实现共聚物的形成。

8、进一步优选的，考虑到壳聚糖盐酸盐与多糖的水溶解性能、分散性和抗菌效率以及价格等因素，壳聚糖盐酸盐选用分子量为8000样品，多糖选用黄芪多糖。

9、优选的，步骤(1)中，所述壳聚糖盐酸盐和富马酸的质量比为1:(0.1～2.0)。

10、进一步优选的，考虑到富马酸的水溶解性以及反应剧烈程度，壳聚糖盐酸盐和富马酸的质量比为1:(0.2～1.0)。

11、优选的，步骤(1)中，所述壳聚糖盐酸盐和多糖的质量比为1:(0.1～5.0)。

12、进一步优选的，考虑到壳聚糖盐酸盐与多糖的粘度，壳聚糖盐酸盐和多糖的质量比为1:(0.5～2.0)。

13、优选的，步骤(1)中，使用naoh调节溶液的ph为5～10。

14、进一步优选的，考虑到富马酸的质子化能力，使用naoh调节溶液的ph为6～8。

15、优选的，步骤(1)中，所述搅拌反应的反应温度为15～40℃，反应时间为2-24h。

16、进一步优选的，步骤(1)中，所述搅拌反应的反应温度为20～30℃，反应时间为8-16h。

17、优选的，步骤(2)中，所述壳聚糖共聚化合物与二氢杨梅素的质量比为1:(0.1～3.0)。

18、进一步优选的，壳聚糖共聚化合物与二氢杨梅素的质量比1:(0.1～0.4)。

19、优选的，步骤(2)中，所述恒温搅拌反应的反应温度为20～60℃，反应时间为2-24h。

20、进一步优选的，步骤(2)中，所述溶液的反应温度为30～45℃，所述反应时间为8-16h。

21、优选的，步骤(2)中，所述二氢杨梅素溶液滴入壳聚糖共聚化合物溶液的速率为0.1-2滴/秒。

22、进一步优选的，步骤(2)中，所述二氢杨梅素溶液滴入壳聚糖共聚化合物溶液的速率为0.5-1滴/秒。

23、本发明提供上述制备方法制备得到的一种无毒且长效抗菌的自组装壳聚糖衍生纳米复合材料。

24、优选的，按质量分数计，步骤(1)中，所述壳聚糖共聚化合物是由37％～63％壳聚糖盐酸盐、2％～8％富马酸、以及29％～61％多糖聚合而成。

25、进一步优选的，按质量分数计，步骤(1)中，所述壳聚糖共聚化合物是由39％～61％壳聚糖盐酸盐、3％～5％富马酸、以及34％～58％多糖聚合而成。富马酸比例少，壳聚糖盐酸盐与多糖越难形成共聚物，所获得的共聚物产率越低。

26、优选的，按质量分数计，步骤(2)中，所述壳聚糖衍生纳米复合材料是由83％～92％壳聚糖共聚化合物和8％～17％二氢杨梅素聚合而成。

27、进一步优选的，按质量分数计，步骤(2)中，所述壳聚糖衍生纳米复合材料是由87％～91％壳聚糖共聚化合物和9％～13％二氢杨梅素聚合而成。二氢杨梅素比例少，壳聚糖共聚化合物越难自组装形成小颗粒聚合物，从而越难入侵细菌并发挥越低的抗菌药效。

28、本发明还提供所述无毒且长效抗菌的自组装壳聚糖衍生纳米复合材料在鸡肉抗菌保鲜的应用。将浸渍了所述自组装壳聚糖衍生纳米复合材料的包装纸用来包装鸡肉，可以达到长效抗菌的保鲜效果。

29、本发明还提供了一种抗菌包装纸的制备方法：将购置的食品包装纸裁剪成10cm x10cm的正方形纸片，水洗涤后浸入自组装壳聚糖衍生纳米复合材料溶液中，室温搅拌一定时间，将纸张取出并自然晾干，得到改性的包装纸。

30、优选的，包装纸在溶液的搅拌的时间为0.1-48h。

31、进一步优选的，包装纸在溶液的搅拌的时间为3-12h。

32、本发明的技术方案基于以下发明原理：

33、第一，以富马酸为连接剂共聚cts和多糖(包括黄芪多糖、柿子多糖、柚子多糖以及蒲公英多糖)，富马酸在弱碱活性易于质子化，可与cts和多糖上的氨基或羟基发生脱水缩合，在温和的条件下形成共聚物，极大程度地保护了cts和多糖原有的生物活性位点，使得形成的壳聚糖共聚化合物具有更高的抗菌活性。

34、第二，cts和天然多糖(包括黄芪多糖、柿子多糖、柚子多糖以及蒲公英多糖)均可作用于细菌的细菌膜并抑制其生长，采用cts和天然多糖结合形成共聚物可以增强材料对大肠杆菌和金色葡萄球菌细菌膜的抑制程度，从而起到协调抗菌的目的。

35、第三，二氢杨梅素为多羟基黄酮类物质，其独特的分子结构促使其易与含有亲水基团的天然高分子化合物形成氢键。在壳聚糖共聚化合物中引入二氢杨梅素可进一步促进高分子链段的收缩和连结，进而形成自组装纳米复合物。

36、第四，二氢杨梅素能与大肠杆菌和金色葡萄球菌外壁形成较强的碳水相互作用。使用二氢杨梅素进一步修饰共聚化合物可以提高药物对细菌的识别能力，进而提高纳米材料的整体抗菌性。

37、第五，本发明的自组装壳聚糖衍生纳米复合材料使用的原材料均是具有高生物相容性的天然活性物质，这保证设计的改性包装纸具有绝对的安全性和无毒性。

38、与现有技术相比，本发明具有以下优势：

39、(1)使用温和共聚自组装技术，最大限度保证原材料的生物位点。

40、(2)cts与多糖以及dmy三种生物活性物质具有协同抗菌行为，能发挥更高效的抗菌性。

41、(3)与其他金属抗菌材料相比，本发明所设计的自组装壳聚糖衍生纳米复合材料具有绝对的安全性和无毒。

42、(4)本发明所设计的自组装壳聚糖衍生纳米复合材料能自由黏附在其他包装产品包括纤维纸、吸油纸和无痕纸等，具有较高的通用性。

43、(5)与现有的聚苯乙烯保鲜膜相比，本发明所设计的自组装壳聚糖衍生纳米复合材料可降解，符合绿色环保的发展理念。

44、(6)经本发明自组装壳聚糖衍生纳米复合材料浸泡后的改性纸具有更强的防水性、紫外线屏蔽性和长期食品保鲜性能。