天然可降解材料的研究进展_程昊.pdf
《天然可降解材料的研究进展_程昊.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《天然可降解材料的研究进展_程昊.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 14 卷 第 11 期 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 Vol.14 No.11 2023 年 6 月 Journal of Food Safety and Quality Jun.,2023 基金项目:江苏省基础研究计划(自然科学基金)青年基金项目(BK20200617)、国家自然科学基金项目(32101990)、国家重点研发计划项目(2022YFD2100602)、江南大学食品学院协同创新培育支持项目(2022-1-1)Fund:Supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province-China(BK202
2、00617),the National Natural Science Foundation of China(32101990),the National Key Research and Development Program of China(2022YFD2100602),and the Collaborative Innovation Cultivation Support Project of School of Food Science and Technology of Jiangnan University(2022-1-1)*通信作者:陈 龙,博士,副研究员,主要研究方向为
3、淀粉结构与功能。E-mail: 徐振林,博士,教授,主要研究方向为食品安全快速检测基础与应用。E-mail:*Corresponding author:CHEN Long,Ph.D,Associate Professor,School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China.E-mail: XU Zhen-Lin,Ph.D,Professor,College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,C
4、hina.E-mail: 天然可降解材料的研究进展 程 昊1,2,3,陈 龙1,2,3,4,5*,徐振林1*,支朝晖4,叶 蕾4,孟 嫚5,金征宇2,3(1.华南农业大学食品学院,广州 510642;2.江南大学食品学院,无锡 214122;3.江南大学食品科学与 资源挖掘全国重点实验室,无锡 214122;4.常州龙骏天纯环保科技有限公司,常州 213000;5.利诚检测认证集团股份有限公司,中山 528437)摘摘 要要:塑料制品造成的“白色污染”愈演愈烈,天然可降解材料的开发被认为是解决这一问题的有效方法之一。蛋白质、多糖和脂质作为来源广泛、价格低廉的天然物质,是天然可降解材料制备的理想
5、原料。但是,由于其自身结构和性质的影响,天然可降解材料的力学性能、阻隔性能和耐热性能等往往难以与不可降解塑料媲美。目前,人们主要通过不同原料复配、材料改性以及采用不同加工方式来改善天然可降解材料的性能,使其具备替代不可降解塑料的潜能。本文对近年来常见的蛋白质、多糖和脂质基天然可降解材料的研究进展进行了总结,最后对天然可降解材料目前存在的问题及未来发展趋势进行了展望,以期对天然可降解材料的进一步深入研究和实际应用提供参考和帮助。关键词关键词:可降解材料;淀粉;蛋白质;多糖;脂质 Research progress of natural biodegradable materials CHENG
6、Hao1,2,3,CHEN Long1,2,3,4,5*,XU Zhen-Lin1*,ZHI Chao-Hui4,YE Lei4,MENG Man5,JIN Zheng-Yu2,3(1.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;3.State Key Laboratory of Food Science and Res
7、ources,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;4.Jiangsu Longjun Environmental Protection Industrial Development Co.,Ltd.,Changzhou 213000,China;5.Licheng Detection&Certification Group Co.,Ltd.,Zhongshan 528437,China)ABSTRACT:The“white pollution”caused by plastic products is intensifying,and the devel
8、opment of natural biodegradable materials is considered to be one of the effective ways to solve this problem.Proteins,polysaccharides and lipids,as natural substances with wide sources and low prices,are ideal raw materials for the preparation of natural biodegradable materials.However,due to the i
9、nfluence of their own structure and properties,the mechanical properties,barrier properties and heat resistance of natural biodegradable materials are often difficult to match with DOI:10.19812/ki.jfsq11-5956/ts.2023.11.041206 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 第 14 卷 non-biodegradable plastics.At present,people m
10、ainly improve the performance of natural biodegradable materials by mixing different raw materials,modifying materials and using different processing methods to make them have the potential to replace non-biodegradable plastics.This paper reviewed the most advanced research progress of natural biode
11、gradable materials of proteins,polysaccharides and lipids in recent years.Finally,provided the perspectives on current problems and share our outlook of natural biodegradable materials to provide reference and help for further in-depth research and practical application of natural biodegradable mate
12、rials.KEY WORDS:biodegradable materials;starch;protein;polysaccharides;lipid 0 引 言 化学合成塑料具有极好的物理化学性能和便捷性,被广泛应用于各行各业。特别是近年来,随着社会的快速发展,塑料的生产和消耗量与日俱增。据报道,塑料自1950 年大规模生产以来,以每年 8.4%的复合速度迅速增长。2017 年全球塑料产量已达到约 3.48 亿 t,是 1950 年的174 倍1。但是,塑料给人们带来方便的同时,也带来了“白色污染”。愈演愈烈的环境问题使人们意识到了化学合成塑料的危害,世界各国纷纷出台“禁塑令”以限制塑料的
13、生产和使用。欧洲颁布了一系列政策,包括管制塑料袋、一次性塑料和微球的生产和销售,禁止塑料废物进口以及针对海洋塑料污染源的法律等2。此外,北美、澳大利亚和英国的一些地方管辖区也颁布了类似的塑料禁令3。中国政府也于 2020 年 1 月 19 日发布了关于进一步加强塑料污染控制的意见,宣布到 2020 年底,在部分地区和行业率先禁止和限制部分塑料制品的生产、销售和使用。化学合成塑料的限制使用已成定局。因此,作为其理想替代品的天然可降解材料成为了人们研究的热点。天然可降解材料是利用具有生物可降解性能的天然高分子物质作为基材制造的材料,可以在适当的自然环境下被微生物完全降解,且降解后的产物对自然环境没
14、有危害4。天然可降解材料来源广泛,包括乳清蛋白、大豆蛋白、芝麻蛋白和明胶等蛋白质基可降解材料,淀粉、纤维素和壳聚糖等多糖基可降解材料以及蜂胶和月桂酸等脂质基可降解材料。天然可降解材料虽然具有价廉易得和可完全生物降解的优点,但是由于其自身结构和性质的影响,天然可降解材料的力学性能、阻隔性能和耐热性能等往往不如化学合成塑料。目前,人们主要通过不同原料复配、材料改性以及采用不同加工方式来改善天然可降解材料的性能,以使其具备替代化学合成塑料的潜能。本文根据近年来国内外天然可降解材料的研究进展(表 1),分别对蛋白质基可降解材料、多糖基可降解材料和脂质基可降解材料进行了综述,最后对其所面临的问题和未来发
15、展趋势进行了展望,以期对天然可降解材料的深入研究与实际应用提供参考和帮助。表 1 不同种类天然可降解材料性能概况 Table 1 Performance profile of different natural degradable materials 天然可降解材料 复配材料 性能 参考文献 蛋白质 乳清蛋白 乳化菜籽油 提高薄膜的疏水性和机械性能 5 月桂、鼠尾草提取物 赋予薄膜抗氧化性能 6 溶菌酶 赋予薄膜抗菌性能 7 大豆蛋白 半乳甘露聚糖 降低薄膜的亲水性,提高薄膜机械性能 8 菜籽油、牛至精油 提高薄膜的水蒸气阻隔性能 910 小麦面筋蛋白 柠檬酸、香蕉纤维 提高薄膜的机械性能,
16、降低薄膜的吸水率 11 叶绿素、聚吡咯 提高薄膜的机械性能,使薄膜具有良好的导电性 12 多糖 纤维素 儿茶素没食子酸盐 赋予薄膜抗氧化性能 13 月桂叶精油 提高薄膜的疏水性,降低薄膜水蒸气渗透率 14 淀粉 三偏磷酸钠、柠檬酸 提高薄膜的阻氧性、阻水性和拉伸强度 15 蒙脱土、纤维素纳米纤维 提高薄膜的机械性能、阻湿性能 16 壳聚糖 果胶 提高薄膜的透明度和机械性能 17 脂质 蜂蜡 纳米银 赋予薄膜抗菌性能 18 脂肪酸 小麦面筋蛋白、明胶 提高薄膜的水蒸气阻隔性能和机械性能 19 第 11 期 程 昊,等:天然可降解材料的研究进展 207 1 蛋白质基天然可降解材料 蛋白质是一种重要
17、的生物大分子,被视为生命物质的基础。其作为一种由氨基酸组装而成的天然聚合物,具有广泛的物理和化学特性。自然界中许多不同种类的动物、植物和微生物蛋白质都可以用来制备生物降解薄膜,比如乳清蛋白、大豆蛋白和芝麻蛋白等。1.1 乳清蛋白 乳清蛋白(whey protein,WP)是目前食品工业中最常见的功能性蛋白质之一,是奶酪生产的副产品20。根据总蛋白质含量的不同,人们将乳清蛋白分为乳清浓缩蛋白(whey protein concentrate,WPC)和乳清分离蛋白(whey protein isolate,WPI)21。天然乳清蛋白在较宽的 pH 范围内具有良好的水溶性和分散性。在适当的热处理条
18、件下,乳清蛋白溶液可以形成不可逆的热固性凝胶。这是由于蛋白质多肽链在热处理条件下展开后,巯基和疏水基团等功能基团暴露出来,这些基团中的二硫键和疏水键会发生相互作用,进而驱动蛋白质产生聚集形成凝胶。此外,乳清蛋白也可以在蛋白质之间存在较强静电力的条件下发生变性,而且将其冷却到室温并通过加盐或改变 pH 降低静电力后可以形成乳清蛋白冷凝胶。乳清蛋白形成热固性凝胶或冷凝胶的能力意味着其可以被用于制备蛋白质基可降解薄膜和凝胶22。乳清蛋白基薄膜透明无味,其在低相对湿度条件下具有良好的气体阻隔性。但是,由于乳清蛋白的亲水性,乳清蛋白薄膜的耐水性较差23。此外,乳清蛋白膜的机械性能和稳定性也难以达到实际应
19、用的标准。因此,目前的研究主要通过使用添加剂来改善乳清蛋白薄膜的性能。比如,乳化菜籽油的加入可以增加乳清蛋白膜的疏水性,同时还可以提高薄膜的机械性能5。结果显示,添加 3%乳化菜籽油的乳清蛋白膜具有最高的拉伸强度(6.3 MPa)和断裂伸长率(73.1%),此外,功能成分的添加还可以赋予乳清蛋白薄膜新的功能特性。AKCAN 等6通过在乳清蛋白膜中加入来自月桂、鼠尾草中的天然抗氧化剂提取物,使薄膜具有抑制油脂氧化的功能。而且发现当其作为食品包装时,还可以延长熟肉丸的货架期。BOYACI 等7利用乳清蛋白和溶菌酶研制了一种可食性抗菌膜,该薄膜在酸性条件下可活化释放溶菌酶,具有作为食品包装的潜力。1
20、.2 大豆蛋白 大豆蛋白是一种广泛使用的植物蛋白,其为大豆油制造的副产品8。它是通过对豆粕进行分离纯化,然后在低温下脱脂得到的产品。食品工业中常用的大豆蛋白产品有大豆分离蛋白(soybean protein isolate,SPI)和大豆浓缩蛋白(soybean protein concentrate,SPC)。大豆蛋白分子在水中紧紧盘绕,表面覆盖着一层水合膜,结构性质相对稳定。但是在某些条件如加热、化学添加剂等处理下,大豆蛋白也会发生变性。在变性过程中,蛋白质亚基解离,一些分子内二硫键断裂,蛋白质分子内的疏水基团和巯基暴露出来。疏水基团相互作用,巯基相互结合形成新的二硫键,增强了蛋白质分子间
21、的相互作用,形成网状结构凝胶,这意味着大豆蛋白也具有制备可降解薄膜的能力24。与化学合成聚合物相比,大豆蛋白薄膜的水蒸气阻隔性能和机械性能较差,因此限制了其实际应用。为了改善大豆蛋白薄膜的性能,人们通过将不同物质与大豆蛋白进行复配来制备大豆蛋白薄膜。GONZLEZ 等8发现添加半乳甘露聚糖可以降低大豆蛋白薄膜的亲水性(水接触角达 734),并使其具有较高的拉伸强度和较低的断裂伸长率。此外,通过添加菜籽油9和牛至精油10还可以提高大豆分离蛋白薄膜的水蒸气阻隔性能。添加 3%菜籽油的大豆分离蛋白薄膜水蒸气透过率从 5.121010 gm1Pa1s1降低到了3.621010 gm1Pa1s1,但是随
22、着菜籽油含量的增加,大豆分离蛋白薄膜的透光率会显著降低9。1.3 小麦面筋蛋白 小麦面筋蛋白也是一种常见的植物蛋白,其为乙醇和小麦淀粉工业生产的副产物,来源广泛,价格低廉。根据小麦面筋蛋白在醇中的可萃取性,其被分为醇溶蛋白(可溶于醇溶液中)和麦谷蛋白(不能溶于醇溶液中)25。面筋蛋白特有的凝聚力和黏弹性使其具有制备可降解薄膜的潜力25。二硫键在面筋蛋白膜的形成过程中起着十分重要的作用26。与其他蛋白质的成膜原理类似,在加热条件下,面筋蛋白中的二硫键发生断裂,但是随着温度降低,新二硫键的形成会导致面筋蛋白成膜26。面筋蛋白膜具有较高的二氧化碳和氧气阻隔性以及较低的水蒸气阻隔性11。此外,面筋蛋白
23、膜还具有较好的柔韧性和透明性,但是其机械性能较差。人们常通过添加增塑剂、交联剂和复配其他生物聚合物来改善面筋蛋白膜的机械性能。比如,使用甘油作为增塑剂可以提高面筋蛋白膜的刚性、弹性和延展性12。NATARAJ 等11通过使用柠檬酸作为交联剂并向原料中添加香蕉纤维提高了面筋蛋白膜的机械性能和抗热降解性,同时还大大降低了薄膜的吸水率。除了改善面筋蛋白膜的机械性能外,也有研究通过复配其他物质赋予面筋蛋白膜其他性质。比如,CHAVOSHIZADEH 等12通过制备叶绿素/聚吡咯改性小麦面筋蛋白薄膜,使其具有良好的导电性和变色性,将其用于食品包装时,可以通过食品储藏过程中膜电导率和膜颜色的变化来评估食品
24、的质量变化。这为未来食品包装的发展提供了新的可能。1.4 其他蛋白 除了上述提到的乳清蛋白、大豆蛋白和小麦面筋蛋白以外,其他蛋白质基可降解材料的制备和研究也备受人们关注。比如,FATHI 等27制备了芝麻分离蛋白膜,并发现紫外辐射处理可以提高芝麻分离蛋白膜的密度和疏水性。HE208 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 第 14 卷 等28利用琥珀酰化油菜籽分离蛋白制备的可食用膜具有较低的水蒸气透过率、较高的拉伸强度和断裂伸长率,说明该膜具有较好的阻隔性能和力学性能。蛋白质薄膜通常具有良好的生物相容性和降解性能,但其水蒸气渗透性和机械性能较差,这限制了它们的应用。因此,当前的研究仍在继续寻找
25、有效的策略来改善或扩展其功能属性,使其能够实现更广泛地应用。2 多糖基天然可降解材料 多糖(polysaccharide)是由许多单糖分子脱水缩合,以糖苷键连接而成的高分子聚合物。其在自然界中来源十分广泛,包括植物多糖(淀粉、纤维素、果胶)、藻类多糖(卡拉胶、海藻酸盐)、动物多糖(壳聚糖)和微生物多糖(黄原胶、普鲁兰多糖)等。多糖由于其具有价廉易得、可生物降解和良好的成膜性质,常被用于制备可降解食品包装或涂层材料。但是,与蛋白质类似,由于多糖的亲水性,多糖基可降解材料的阻水性较差,限制了其在实际生活中的应用,为了解决这一问题,人们对其进行了广泛的研究。2.1 纤维素 纤维素是自然界中含量最丰富
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 天然 降解 材料 研究进展 程昊
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。