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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 魔芋葡甘聚糖/生物高分子復(fù)合液膜
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 針對(duì)當(dāng)前復(fù)合膜在組成、結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用中存在的復(fù)合膜不易降解、膜性能差、成膜時(shí)間長(zhǎng)、成本高、操作復(fù)雜等關(guān)鍵問(wèn)題，本文以魔芋葡甘聚糖（Konjac Glucomannan，簡(jiǎn)稱KGM）為主要原材料，利用其在10℃以下呈液態(tài)，而常溫在一定條件下呈固態(tài)而自然成膜的特性，通過(guò)計(jì)算機(jī)分子模擬，從理論上預(yù)測(cè)了魔芋葡甘聚糖/生物高分子復(fù)合液膜的結(jié)構(gòu)和性能的最佳穩(wěn)定條件。根據(jù)所預(yù)測(cè)結(jié)果選用最優(yōu)組成制備魔芋葡甘聚糖/生物高分子復(fù)合液膜。以鮮切生菜保鮮為例檢驗(yàn)其性能。結(jié)果表明，該液膜保鮮果蔬可有效延長(zhǎng)貯藏時(shí)間，且具有較好的可降解性和良好的抑菌能力。與其他同類膜相比，該膜具有液晶態(tài)結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)良、使用方便、安全。為解決當(dāng)前復(fù)合膜存在的關(guān)鍵問(wèn)題提供參考依據(jù)并拓寬其應(yīng)用范圍。
- 詳細(xì)介紹：
- 近年來(lái)，隨著復(fù)合膜在食品、功能性保健品、生物醫(yī)學(xué)材料和高檔化妝品等領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來(lái)越大的關(guān)注，在復(fù)合膜的組成、結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。在膜應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜制備及其應(yīng)用處理過(guò)程中存在的關(guān)鍵問(wèn)題（如復(fù)合膜不易降解、膜性能差、成膜時(shí)間長(zhǎng)、操作復(fù)雜、成本高等）直接影響到膜的使用范圍，不利于提高膜的應(yīng)用效果。這些問(wèn)題的解決是提高膜的性能及其經(jīng)濟(jì)效益的最直接途徑。但是，目前的各種復(fù)合膜在制作過(guò)程中仍存在許多不足。在組成方面，尚有不可降解成分，存在一定的環(huán)境問(wèn)題；在結(jié)構(gòu)上，大多存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等缺陷；在制膜過(guò)程中，成膜性差，通常需要對(duì)制膜材料進(jìn)行改性、干燥等較為復(fù)雜的工藝操作；在性能上，多數(shù)復(fù)合膜性能較差，難以滿足應(yīng)用中的多種需求。以上問(wèn)題嚴(yán)重限制了復(fù)合膜在工業(yè)和農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，尤其是在農(nóng)副產(chǎn)品保鮮加工、輕紡食品以及醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域的應(yīng)用。而目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物高分子膜材料的研究主要集中在淀粉、纖維素、甲殼素和海藻酸鈉等天然多糖，但這些多糖或因膜的性能差、或因原料成本過(guò)高、或因操作困難，真正投入應(yīng)用的產(chǎn)品很少。因此，研制一種適應(yīng)上述多層次、多方面需求的膜，闡明其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)良的機(jī)理，并初步提出一種操作方便、成本低廉、易于控制的制膜新策略已成為進(jìn)一步提高鮮活農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益和提升食品以及醫(yī)藥、化妝品行業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。本發(fā)明成果無(wú)論是對(duì)學(xué)科理論的發(fā)展，還是對(duì)應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)均具有十分重要的意義。 可再生資源植物魔芋中含有魔芋葡甘聚糖，它是一種性能優(yōu)良的生物高分子膜材料，具有良好的吸水、保濕、成膜、凝膠性，在10℃以下呈液態(tài)，而常溫在一定條件下呈固態(tài)可自然成膜，是繼淀粉和纖維素之后，又一種較為豐富的可再生天然高分子資源。有研究表明，魔芋葡甘聚糖在適宜的pH條件下，能形成較為穩(wěn)定的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)。KGM的以上特性很大程度上簡(jiǎn)化了制膜工藝，提高膜的穩(wěn)定性和性能，使其成為一種具有液晶性、可自然成膜的高穩(wěn)定性、高性能膜材料。KGM的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)使其具有較液體更為穩(wěn)定的性質(zhì)。此外，KGM一定條件下自然成膜的特性避免了成膜過(guò)程中由于高溫等因素造成的穩(wěn)定性下降等缺陷，提高其穩(wěn)定性，進(jìn)而提高性能。目前，國(guó)外對(duì)魔芋葡甘聚糖做原料制成膜的研究并不多，僅有少量報(bào)道，如Min-Hee Yoo等人對(duì)魔芋葡甘聚糖膜的性能作了研究，美國(guó)Merritt發(fā)明了用魔芋葡甘聚糖代替膠原蛋白制作腸衣的方法。我國(guó)在魔芋葡甘聚糖涂膜保鮮方面進(jìn)行過(guò)探討，但以魔芋葡甘聚糖為主要原料制備具有液晶狀態(tài)的復(fù)合液膜的研究方面卻未見(jiàn)報(bào)道。 目前，將分子模擬技術(shù)用于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)研究的方法被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外的科研工作者采用。分子模擬是介于實(shí)驗(yàn)方法和理論方法之間的一種方法，它既有自己的獨(dú)立性，又與另外兩種方法相輔相成。它采用了較接近于實(shí)驗(yàn)的模型，在模擬中，只依賴于最基本的物理和化學(xué)規(guī)律，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性、合理性。同時(shí)模擬的結(jié)果又能用以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。因此,運(yùn)用分子動(dòng)態(tài)模擬來(lái)研究蛋白質(zhì)、多糖等復(fù)雜高分子的結(jié)構(gòu)性能已成為了研究的熱點(diǎn)，而將其用于復(fù)合膜制備，對(duì)制膜條件進(jìn)行預(yù)測(cè)，以得到更為精確的配制方法的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。 本文利用KGM在10℃以下呈液態(tài)，而常溫在一定條件下呈固態(tài)可自然成膜的獨(dú)特性質(zhì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)分子模擬，從理論上預(yù)測(cè)復(fù)合液膜的結(jié)構(gòu)和性能的最佳穩(wěn)定條件。利用分子力學(xué)原理，用計(jì)算機(jī)模擬方法實(shí)現(xiàn)制膜性能預(yù)測(cè)與驗(yàn)證的定量化,再將理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合制備復(fù)合液膜；利用KGM的上述特性制備具有液晶態(tài)結(jié)構(gòu)的液膜，在一定條件下自然成膜，簡(jiǎn)化工藝，提高膜的穩(wěn)定性和性能。解決復(fù)合膜在組成、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用上的問(wèn)題。為解決當(dāng)前復(fù)合膜存在的關(guān)鍵問(wèn)題提供參考依據(jù)并拓寬其應(yīng)用范圍。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的： 復(fù)合膜制備及其應(yīng)用處理過(guò)程中存在穩(wěn)定性和性能差、成膜時(shí)間長(zhǎng)、操作復(fù)雜、成本高、不易降解等關(guān)鍵問(wèn)題，直接影響到膜的使用范圍，不利于提高膜的應(yīng)用效果。為此，尋求一種既具有優(yōu)良性能，又對(duì)人體無(wú)害且制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的復(fù)合膜勢(shì)在必行。 基本思路： 本文以魔芋葡甘聚糖為主要原材料，利用其一定條件下具有液晶態(tài)結(jié)構(gòu)，且在10℃以下呈液態(tài)，而常溫在一定條件下呈固態(tài)而自然成膜的特性，通過(guò)計(jì)算機(jī)分子模擬，從理論上預(yù)測(cè)魔芋葡甘聚糖/生物高分子復(fù)合液膜的結(jié)構(gòu)和性能的最佳穩(wěn)定條件。根據(jù)所預(yù)測(cè)結(jié)果選用最優(yōu)組成制備魔芋葡甘聚糖/生物高分子復(fù)合液膜。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1、利用分子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)制膜性能預(yù)測(cè)與驗(yàn)證的定量化,再將理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合制備復(fù)合液膜。 2、利用KGM在10℃以下呈液態(tài)，而常溫在一定條件下呈固態(tài)而自然成膜的特性，研制出魔芋葡甘聚糖/生物高分子復(fù)合液膜。 3、該膜具有液晶態(tài)結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)良、使用方便、安全。具有良好的發(fā)展前景，對(duì)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。 技術(shù)關(guān)鍵： 1、通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，從理論上預(yù)測(cè)最佳穩(wěn)定條件。2、魔芋葡甘聚糖/高分子復(fù)合液膜自然成膜條件的控制。 主要技術(shù)指標(biāo)： 抑菌效果、降解率、保鮮性能
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性： 魔芋葡甘聚糖具有良好的成膜性，利用其一定條件下具有液晶態(tài)結(jié)構(gòu)和在常溫下自然成膜的特性簡(jiǎn)化制膜工藝，降低成本。在已有研究基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)分子模擬技術(shù)進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)預(yù)測(cè)，進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)比較分析，再進(jìn)一步共混、復(fù)配等，制得復(fù)合液膜。提高其應(yīng)用價(jià)值，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。 先進(jìn)性： 針對(duì)復(fù)合膜在組成、結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問(wèn)題，利用KGM在10℃以下呈液態(tài)，而常溫在一定條件下呈固態(tài)而自然成膜的特性，以其為主要原材料，利用分子模擬可以實(shí)現(xiàn)制膜精確性預(yù)測(cè)與定量化,從理論上預(yù)測(cè)復(fù)合液膜的結(jié)構(gòu)和性能的最佳穩(wěn)定條件，再將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合制備復(fù)合液膜，提高了制膜條件的精確性。制備具有液晶態(tài)結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)良、使用方便、安全的復(fù)合液膜。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 作品初級(jí)階段獲得福建農(nóng)林大學(xué)課外學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽三等獎(jiǎng) 作品逐步完善階段曾分別獲得福建省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)、福建省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃大賽金獎(jiǎng)
作品所處階段
- 已完善
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 618項(xiàng)目成果對(duì)接
作品可展示的形式
- 實(shí)物及圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：將物品浸泡在制得的液膜中，取出置于室溫下即可自然成膜；亦可用將液膜噴淋于物品表面待其自然成膜。 技術(shù)特點(diǎn)：制得的液膜在10℃以下呈液態(tài)，而常溫在一定條件下呈固態(tài)而自然成膜。 優(yōu)勢(shì)： 1、原材料天然、無(wú)害且來(lái)源廣泛。 2、常溫下可自然成膜，簡(jiǎn)化制膜工藝，降低成本，應(yīng)用廣泛。 適應(yīng)范圍與推廣前景：在農(nóng)副產(chǎn)品保鮮加工、輕紡食品以及醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域，將進(jìn)一步提高鮮活農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益和提升食品以及醫(yī)藥、化妝品行業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。 經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)分析： 1、復(fù)合液膜應(yīng)用于鮮活農(nóng)副產(chǎn)品保鮮加工中，將進(jìn)一步提高鮮活農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益和提升食品以及醫(yī)藥、化妝品產(chǎn)業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。本發(fā)明成果無(wú)論是對(duì)學(xué)科理論的發(fā)展，還是對(duì)應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)均具有十分重要的意義。 2、制得的液膜環(huán)保、高效，可緩解其他同類復(fù)合膜對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)工藝簡(jiǎn)單，方便安全、應(yīng)用廣泛，具有良好的市場(chǎng)前景。
同類課題研究水平概述
- 魔芋葡甘聚糖（KGM）是天然高分子物質(zhì)，具有良好的成膜性。近年來(lái)，以KGM為主要原材料制膜的研究越來(lái)越多。但是由于KGM親水能力很強(qiáng)，影響了魔芋膠脫水成膜的均勻、致密、光滑和平整性；同時(shí)膜的潮解性增大，抗菌性能下降，最終溶脹甚至溶解。所以，直接用KGM做成的膜材料，存在強(qiáng)度較低、耐水性和阻濕性及抗菌、防腐性能差等缺陷。為此，不少研究者對(duì)其進(jìn)行改性再應(yīng)用，如湯榮生用馬來(lái)酸酐和多聚磷酸鈉對(duì)魔芋葡甘聚糖進(jìn)行改性后制成膜，顯示出較好的強(qiáng)度和熱封性能，但操作復(fù)雜，且可能有試劑殘留；杜傳來(lái)將KGM與殼聚糖共混后制成膜，膜的阻濕性有所改善，并將其用于柑橘的涂膜保鮮，取得了較好的效果；鄒少?gòu)?qiáng)等將一定量的保鮮劑、抗氧化劑、穩(wěn)定劑、增稠劑、乳化劑等添加入已通過(guò)純化并經(jīng)磷酸改性KGM膜中，用于龍眼的保鮮，保鮮效果良好。 隨著人們對(duì)KGM研究的不斷深入，對(duì)KGM與合成高分子材料的共混研究也不斷增多。Gao S和Zhang L將蓖麻油基PU和硝基KGM進(jìn)行共混反應(yīng)，共混產(chǎn)物具有半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Xiao C B等報(bào)道了PU和脫乙酰KGM共混產(chǎn)生的膜具有極強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度、抗水性能和突出的光學(xué)透明性。Xiao C B等還將PPAm加入至KGM的溶膠中，得到的共混產(chǎn)物無(wú)論是在熱穩(wěn)定性、吸水率還是在機(jī)械性能上均得到顯著提高。但在此過(guò)程中需要用到一些試劑，可能存在試劑殘留。 研究表明，用NaOH對(duì)KGM進(jìn)行改性在結(jié)構(gòu)上脫去乙?；兄谔岣咂湫阅?。如李波等采用以0.4%的NaOH對(duì)經(jīng)純化的魔芋葡甘聚糖涂膜于玻璃板上，80℃烘箱干燥成膜，清水洗膜脫堿，加入適量增塑劑，80℃干燥成膜，所制成的膜（PN）與未改性的比較，其抗水性能和膜的強(qiáng)度均有顯著提高。林曉艷等用適量的Ca(OH)2在一定條件下對(duì)一定量的魔芋葡甘聚糖進(jìn)行改性，并涂膜于玻璃板上，適當(dāng)溫度下干燥成膜，脫堿，所得改性物與未改性的魔芋葡甘聚糖相比，膜的抗張性、耐折度均有提高，膜表面更為均勻，改性物溶脹吸水性有一定改善。 以上研究利用KGM所制膜都以固態(tài)形式存在，目前關(guān)于液態(tài)膜制備的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。
