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专利名称：复合水凝胶膜及其制备方法和应用

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410595004.2

专利申请（专利权）人：内蒙古自治区农牧业科学院
权利人地址：内蒙古自治区呼和浩特市玉泉区昭君路22号

专利发明（设计）人：王德宝,刘秀丽,李星云,邹玉富

专利摘要：本发明公开了复合水凝胶膜及其制备方法和应用，制备方法包括：步骤一、制备PVA/CS混合溶液；步骤二、将ε?聚赖氨酸盐酸盐溶于所述PVA/CS混合溶液中，先加入DMSO/HOBt混合溶液反应，再加入偶联剂反应，得到PVA/CS@ε?PL水凝胶溶液；步骤三，将所述PVA/CS@ε?PL水凝胶溶液制膜，即得复合水凝胶膜。本发明制备的复合水凝胶膜有卓越活性物质的可控释放性和抗菌特性，且延展性大大提升。

主权利要求：
1.复合水凝胶膜的制备方法，其特征在于，包括：步骤一、制备PVA/CS混合溶液；
步骤二、将ε?聚赖氨酸盐酸盐溶于所述PVA/CS混合溶液中，先加入DMSO/HOBt混合溶液反应，再加入偶联剂反应，得到PVA/CS@ε?PL水凝胶溶液；
步骤三，将所述PVA/CS@ε?PL水凝胶溶液制膜，即得复合水凝胶膜；其中，所述PVA/CS混合溶液中，聚乙烯醇PVA与壳聚糖CS的质量比为2.8 3.2:1；所述ε?聚赖~氨酸的质量与所述聚乙烯醇和所述壳聚糖的总质量比为0.055 0.065:1；所述DMSO/HOBt混~合溶液中，二甲基亚砜DMSO与1?羟基苯并三唑HOBt的质量比为1:1，所述加入DMSO/HOBt混合溶液反应的反应时间为1 2h。
~
2.如权利要求1所述的复合水凝胶膜的制备方法，其特征在于，所述PVA/CS混合溶液的制备方法包括：将壳聚糖CS溶于1%的冰乙酸溶液中，升温至90℃ 95℃，加入聚乙烯醇PVA，~搅拌溶解，得到PVA/CS混合溶液。
3.如权利要求2所述的复合水凝胶膜的制备方法，其特征在于，每10ml的所述PVA/CS混合溶液中所述聚乙烯醇和所述壳聚糖的总质量为0.7 0.9g。
~
4.如权利要求3所述的复合水凝胶膜的制备方法，其特征在于，所述DMSO/HOBt混合溶液的物质的量浓度为0.5mM，每添加1g所述ε?聚赖氨酸盐酸盐对应添加0.64 0.76ml所述~DMSO/HOBt混合溶液。
5.如权利要求4所述的复合水凝胶膜的制备方法，其特征在于，所述偶联剂为柠檬酸，所述加入偶联剂反应的反应温度为45 55℃、反应时间为4 6h，反应结束后，对所得溶液进~ ~行透析脱酸处理。
6.如权利要求5所述的复合水凝胶膜的制备方法，其特征在于，所述透析脱酸处理是将所得溶液放置在MD18透析袋中于pH7.2的PBS缓存溶液中进行两次透析处理，每次透析48小时。
7.复合水凝胶膜，其特征在于，其由如权利要求1 6任一项所述的复合水凝胶膜的制备~方法制备而成。
8.如权利要求7所述的复合水凝胶膜在抗菌包装材料中的应用。 说明书 : 复合水凝胶膜及其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明涉及水凝胶膜技术领域。更具体地说，本发明涉及一种复合水凝胶膜及其制备方法和应用。背景技术[0002] 聚乙烯醇（PVA）和壳聚糖（CS）具有良好的相容性，两者混合可形成均匀的网络结构，这种独特的混合体系对于高性能包装材料的开发具有重要潜力。在这两种天然植物提取物形成的凝胶网络结构中，可以通过添加纳米填料和/或交联剂以增强材料的相容性和功能性能，如抗菌保鲜。ε?聚赖氨酸盐酸盐（ε?PL）是一种天然存在的阳离子肽，由25?30个赖氨酸残基组成，可以通过静电吸引力结合到微生物细胞膜上，破坏膜结构并导致细胞死亡，由于其出色的抗菌活性、可食性和低毒性，ε?PL在食品保鲜领域得到越来越多的认可。[0003] 现有技术中，如申请公布号为CN117068561A的发明专利公开了一种复合膜及其制备方法和应用，其是通过将聚乙烯醇、壳聚糖、增塑剂和ε?聚赖氨酸盐酸盐进行简单的混合制备复合膜，ε?聚赖氨酸盐酸盐仅仅是附着在聚乙烯醇/壳聚糖网络结构中，ε?聚赖氨酸盐酸盐的负载量。头潘俣瓤，使得该复合膜应用在肉类保鲜时，保鲜时间短。发明内容[0004] 本发明的一个目的是提供一种复合水凝胶膜及其制备方法和应用，以至少解决上述问题。[0005] 为了实现本发明的目的和其它优点，提供了一种复合水凝胶膜的制备方法，包括：步骤一、制备PVA/CS混合溶液；步骤二、将ε?聚赖氨酸盐酸盐溶于所述PVA/CS混合溶液中，先加入DMSO/HOBt混合溶液反应，再加入偶联剂反应，得到PVA/CS@ε?PL水凝胶溶液；步骤三，将所述PVA/CS@ε?PL水凝胶溶液制膜，即得复合水凝胶膜；其中，所述PVA/CS混合溶液中，聚乙烯醇PVA与壳聚糖CS的质量比为2.8 3.2:1；所述ε?聚赖氨酸的质量与所述聚乙烯~醇和所述壳聚糖的总质量比为0.055 0.065:1；所述DMSO/HOBt功能基团活化介导体系混合~溶液中，二甲基亚砜DMSO与1?羟基苯并三唑HOBt的质量比为1:1、反应时间为1 2h。~[0006] 优选的是，所述的复合水凝胶膜的制备方法，所述PVA/CS混合溶液的制备方法包括：将壳聚糖CS溶于1%的冰乙酸溶液中，升温至90℃ 95℃，加入聚乙烯醇PVA，搅拌溶解，得~到PVA/CS混合溶液。[0007] 优选的是，所述的复合水凝胶膜的制备方法，每10ml的所述PVA/CS混合溶液中所述聚乙烯醇和所述壳聚糖的总质量为0.7 0.9g。~[0008] 优选的是，所述的复合水凝胶膜的制备方法，所述DMSO/HOBt混合溶液的物质的量浓度为0.5mM，每添加1g所述ε?聚赖氨酸盐酸盐对应添加0.64 0.76ml所述DMSO/HOBt混合~溶液。[0009] 优选的是，所述的复合水凝胶膜的制备方法，所述偶联剂为柠檬酸、反应温度为4555℃、反应时间为4 6h，反应结束后，对所得溶液进行透析脱酸处理。~ ~[0010] 优选的是，所述的复合水凝胶膜的制备方法，所述透析脱酸处理是将所得溶液放置在MD18透析袋中于pH7.2的PBS缓存溶液中进行两次透析处理，每次透析48小时。[0011] 本发明还提供了一种复合水凝胶膜，其由上述的复合水凝胶膜的制备方法制备而成。[0012] 本发明还提供了一种上述复合水凝胶膜在抗菌包装材料中的应用。[0013] 本发明至少包括以下有益效果：[0014] 本发明是通过化学交联制备功能性PVA/CS@ε?PL水凝胶膜。首先，将壳聚糖溶解在1%冰乙酸溶液中，然后在升温和剧烈搅拌下将PVA溶解在壳聚糖体系中，以确保完全混合；再将ε?PL并入由壳聚糖和聚乙烯醇组成的初始凝胶基质体系中，其中?COOH、?OH和?NH2官能团在DMSO/HOBt功能基团活化介导体系中被激活；随后，引入柠檬酸以建立稳定的凝胶网络空间结构，连接壳聚糖和聚乙烯醇；最后，通过?COOH、?OH和?NH2的酯化和酰胺反应将ε?PL化学交联到构建的空间网络结构上，以实现结合和控制释放。采用该方法制备的PVA/CS@ε?PL水凝胶膜对金黄色葡萄球菌和荧光假单胞菌具有显著的杀菌和抗菌效果，且ε?PL持续释放超过3天，膜断裂延伸率达160.84%，具有卓越活性物质的可控释放性、抗菌特性和延展性。[0015] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明[0016] 图1是本发明制备的PVA/CS和PVA/CS@ε?PL水凝胶的XPS谱图；[0017] 图2是本发明制备的PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的断裂延伸率测试结果；[0018] 图3是本发明制备的PVA/CS和PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的生物降解测试结果；[0019] 图4是PVA、CS和ε?PL之间的分子对接示意图；[0020] 图5是本发明制备的PVA/CS和PVA/CS@ε?PL水凝胶的FTIR光谱图；[0021] 图6是本发明制备的PVA/CS和PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的溶胀比；[0022] 图7是本发明制备的PVA/CS和PVA/CS@ε?PL水凝胶膜对P.fluorescens和S.aureus的抑菌圈图像；[0023] 图8是本发明制备的PVA/CS@ε?PL水凝胶膜中ε?PL的释放动力学；[0024] 图9是本发明制备的PVA/CS和PVA/CS@ε?PL水凝胶膜包装的冷藏鸡在贮藏期间的菌落总数；[0025] 图10是本发明制备的PVA/CS和PVA/CS@ε?PL水凝胶膜包装的冷藏鸡在贮藏期间的TVB?N值。具体实施方式[0026] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。[0027] 应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。[0028] 需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。[0029] 本发明的实施例提供了一种复合水凝胶膜的制备方法，包括：[0030] 步骤一、制备PVA/CS混合溶液，所述PVA/CS混合溶液中，聚乙烯醇PVA与壳聚糖CS的质量比为2.8 3.2:1，优选地，质量比为3:1；~[0031] 步骤二、将ε?聚赖氨酸盐酸盐溶于所述PVA/CS混合溶液中，先加入DMSO/HOBt混合溶液反应，再加入偶联剂反应，得到PVA/CS@ε?PL水凝胶溶液；所述ε?聚赖氨酸的质量与所述聚乙烯醇和所述壳聚糖的总质量比为0.055 0.065:1，优选地，质量比为0.06:1；所述~DMSO/HOBt混合溶液中，二甲基亚砜DMSO与1?羟基苯并三唑HOBt的质量比为1:1、反应时间为1 2h；所述偶联剂优选为柠檬酸；~[0032] 步骤三，将所述PVA/CS@ε?PL水凝胶溶液制膜，即得复合水凝胶膜。[0033] 本实施例中，通过在PVA、CS和ε?聚赖氨酸盐酸盐混合溶液中添加DMSO/HOBt混合溶液，DMSO/HOBt混合溶液可激活PVA、CS和ε?聚赖氨酸盐酸盐中富含的?COOH、?OH和?NH2，使ε?聚赖氨酸盐通过?COOH、?OH和?NH2的酯化和酰胺反应化学交联在PVA和CS形成的三维网络结构中；通过引入柠檬酸来建立稳定的凝胶网络结构；制得的复合水凝胶膜对金黄色葡萄球菌和荧光假单胞菌具有显著的杀菌和抗菌效果，且ε?PL持续释放超过3天，膜断裂延伸率达160.84%，具有卓越活性物质的可控释放性、抗菌特性和延展性。[0034] 在另一个实施例中，所述PVA/CS混合溶液的制备方法包括：将壳聚糖CS溶于1%的冰乙酸溶液中，升温至90℃ 95℃，加入聚乙烯醇PVA，搅拌溶解，得到PVA/CS混合溶液；优选~地，升温至90℃。[0035] 在另一个实施例中，每10ml的所述PVA/CS混合溶液中所述聚乙烯醇和所述壳聚糖的总质量为0.7 0.9g；优选地，每10ml的所述PVA/CS混合溶液中所述聚乙烯醇和所述壳聚~糖的总质量为0.8g。[0036] 在另一个实施例中，所述DMSO/HOBt功能基团活化体系混合溶液的物质的量浓度为0.5mM，每添加1g所述ε?聚赖氨酸盐酸盐对应添加0.64 0.76ml所述DMSO/HOBt混合溶液；~优选地，每添加1g所述ε?聚赖氨酸盐酸盐对应添加0.69ml所述DMSO/HOBt混合溶液。[0037] 在另一个实施例中，所述偶联剂为柠檬酸、反应温度为45 55℃、反应时间为4 6h，~ ~反应结束后，对所得溶液进行透析脱酸处理；优选地，反应温度为50℃、反应时间为5h。[0038] 在另一个实施例中，所述透析脱酸处理是将所得溶液放置在MD18透析袋中于pH7.2的PBS缓存溶液中进行两次透析处理，每次透析48小时。[0039] 本发明的实施例还提供了一种复合水凝胶膜，其由上述的复合水凝胶膜的制备方法制备而成。[0040] 本发明的实施例还提供了一种上述复合水凝胶膜在抗菌包装材料中的应用，抗菌包装材料可用于包装食品，以延长食品的贮藏期；可选的地，食品为畜类、禽类、水产类、蛋类、乳制品类、蔬菜类食品中的任意一种或几种的组合；优选为畜禽肉类。[0041] 下面以具体实验进行说明。[0042] 1、实验材料[0043] 壳聚糖（CS）：CAS号：9012?76?4，脱乙酰度≥90%，分子量=200kDa，生物级；[0044] 聚乙烯醇（PVA）：CAS号：9002?89?5，分子量20,000?70,000kDa，生物级；[0045] ε?聚赖氨酸（ε?PL）：CAS号：25104?18?1，MDL号：MFCD01756704，分子量150,000?300,000kDa，生物级。[0046] 2、实验方法[0047] 2.1制备PVA/CS水凝胶溶液[0048] 首先，将壳聚糖（CS）溶解在1%冰乙酸溶液中，并在55℃下搅拌直至完全溶解。然后将壳聚糖溶液加热至90℃，逐渐加入特定量的聚乙烯醇（PVA），使PVA与CS的质量比为6%:2%。以上30mL溶液系统中CS和PVA的总质量为2.4g。在搅拌条件下使PVA完全溶解后，降低溶液系统温度至50℃，并添加0.6g柠檬酸，充分搅拌4?6小时。然后将溶液放置在MD18透析袋中于pH7.2的PBS缓存溶液中进行两次透析，每次透析48小时，去除多余的柠檬酸。经过真空干燥后，透析产物在30mL1%冰乙酸溶液中溶解，得到PVA/CS水凝胶溶液。[0049] 2.2制备PVA/CS@ε?PL水凝胶溶液[0050] 首先，将壳聚糖（CS）溶解在1%冰乙酸溶液中，并在55℃下搅拌直至完全溶解。然后将壳聚糖溶液加热至90℃，逐渐加入特定量的聚乙烯醇（PVA），使PVA与CS的质量比为6%:2%。以上30mL溶液系统中CS和PVA的总质量为2.4g。在搅拌条件下使PVA完全溶解后，分别加入0.048g、0.096g、0.144g和0.192g的ε?聚赖氨酸盐酸盐（ε?PL），并搅拌30分钟以确保ε?PL与PVA和CS充分混合。再向溶液中加入0.1mL0.5mMDMSO/HOBt介导的体系（1:1），激活三种聚合物的氨基和羟基官能团1小时。然后，再加入0.6g柠檬酸，充分搅拌4?6小时，以促进活化后的氨基、羟基与羧基的化学交联形成亚胺键，使ε?PL嫁接到由CS和PVA组成的凝胶网络结构中。最后，再将溶液放置在MD18透析袋中于pH7.2的PBS缓存溶液中进行两次透析，每次透析48小时，去除多余的柠檬酸。经过真空干燥后，透析产物在30mL1%冰乙酸溶液中溶解，得到相应的PVA/CS@ε?PL水凝胶溶液，分别记录为PVA/CS@ε?PL?0.048、PVA/CS@ε?PL?0.096、PVA/CS@ε?PL?0.144和PVA/CS@ε?PL?0.192。[0051] 2.3制备水凝胶膜[0052] 将2.1和2.2中制备的水凝胶溶液分别经过480W的超声功率超声处理45分钟，得到的溶液均匀分散在直径为9cm的塑料板上；随后，将塑料板放置在恒温恒湿的环境中，40℃干燥48小时；再在制备好的薄膜的上下表面都涂覆PE薄膜，并存放在4℃的冰箱中，得水凝胶膜，膜厚度为50?m。[0053] 2.4红外光谱分析[0054] 使用Tensor27FTIR仪器（德国Bruker）分析PVA、CS和ε?PL之间的分子相互作用。?1光谱扫描参数在4000?500cm 的扫描范围内迭代32次。[0055] 2.5断裂延伸率[0056] 将2.3制备的水凝胶膜裁剪成1cm×5cm的膜样品，使用万能试验机测量不同复合水凝胶膜（PVA/CS@ε?PL?0.048、PVA/CS@ε?PL?0.096、PVA/CS@ε?PL?0.144和PVA/CS@ε?PL?0.192）的断裂延伸率，夹具的初始间隙距离和测试速度分别为2cm和10mm/min。[0057] 2.6X射线光电子能谱（XPS）[0058] 利用X射线光电子能谱（XPS）（日本纳米表面分析仪器有限公司PHIQuanteraII）分析PVA、CS和ε?PL之间的功能团相互作用（?COOH、?OH和?NH2）。C1s峰（284.1eV）和O1s峰（532.2eV）被用作校准的参考峰。[0059] 2.7生物降解性能[0060] 采用重量法分析对水凝胶膜样品进行溶解测试。首先，将薄膜切成2cm×2cm的正方形，然后在60℃下干燥48小时。随后，将膜浸入25℃的PBS中，持续24天。每隔四天，取回三组薄膜样品，并通过在100℃恒温空气干燥箱中干燥来进行恒重测定。所得的重量被记录为mn（其中n表示薄膜在PBS中的浸泡时间，即0、4、8、12、16、20和24天）。每个样品的初始重量表示为m0。使用以下公式评估水凝胶膜的降解特性。[0061] 质量损失率=（m0?mn）/m0*100%[0062] 2.8分子对接[0063] 使用ChemDraw描绘聚合物的二维结构，然后导入ChemDraw3D，利用MM2模块优化其构象，生成能量最低的mol2文件。PVA。PDBQT用于对接受体，ε?PL PDBQT和CSPDBQT用作对接配体。随后进行pymol可视化，然后使用Mgtools1.5.6进行水处理、氢化、电荷计算和处理后合并非极性氢。将配体和受体分开存储为pdbqt。使用Autodockvina1.1.2软件进行配体?受体对接，并提供了具体的对接参数。根据此方法选择具有较高分数的配体，并随后使用PYMOL进行可视化。[0064] 2.9溶胀比[0065] 将水凝胶膜浸泡在25℃的PBS溶液中，溶液体积为20mL。将水凝胶膜（2cm×2cm）在60℃下干燥24小时，以获取干燥膜的重量（m）0 。在浸泡24小时后，使用滤纸将饱和膨胀膜表面的水分除去，然后按重量（m）S 进行量化。溶胀比的计算公式如下：[0066] 溶胀比=（mS?m0）/m0*100%[0067] 2.10体外抗菌活性[0068] 2.10.1抑菌圈评价[0069] 在BHI琼脂板上涂布100μL的荧光假单胞菌P.fluorescens和金黄色葡萄球菌S.7aureus（约10CFU/mL），然后在4℃条件下放置4小时。直径为7mm的PVA/CS@ε?PL水凝胶膜放置在上述琼脂板的中心，并在30℃下孵育18小时。采用ZX?400自动菌落计数器（中国杭州）捕获抑制圈变化的图像，并测量其直径。[0070] 2.10.2共聚焦激光扫描显微镜评价[0071] 使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）（德国Wetzlar的LeicaMicrosystemsLtd.）评估PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的抗菌活性。首先，将对数生长期的P.fluorescens（24mL）和S.aureus（24mL）均匀分配到24个离心管中（容量为10mL）。上述细菌溶液在4℃下以6000r/min离心10分钟。随后，用0.85%生理盐水进行2?3次洗涤，然后与相同体积的生理盐水溶解。每个离心管添加0.2g的PVA/CS@ε?PL?0.144水凝胶膜，而对照组则是没有水凝胶膜的离心管。在25℃下处理4小时后，附着在离心管和膜上的细菌溶液用无菌生理盐水彻底冲洗。随后，将其转移到15mL离心管中，并在4℃下以6000r/min离心5分钟，以获得经过处理的细菌沉淀。将细菌泥使用LIVE/DEADBacLight活性试剂盒法染色。在用无菌盐水洗涤后，用2.5%（v/v）戊二醛溶液固定12小时。随后，在玻片上涂覆泥，并在激光共聚焦显微镜下检查，活细菌显示为绿色荧光，而死细菌则为红色荧光。[0072] 2.11生物相容性评价[0073] 采用对数生长的Caco?2和SW480细胞作为实验对象，胰酶消化停止后，通过离心去除上清液。通过细胞计数板法将细胞浓度调整为5×104细胞/mL。实验设置包括仅包含Caco?2和SW480细胞的对照组，以及将Caco?2和SW480细胞与水凝胶膜溶液混合的处理组。将细胞悬液（100μL）顺序加入96孔板中，每个实验组分配六个复制品。处理组添加20μL水凝胶膜液，而对照组添加20μL培养基。随后，每个样品孔中加入含有0.5mg/mLMTT的80μL培养基，最终溶液体积为200μL。在37℃和5%CO2下培养4小时。结晶完成后，轻轻吸取原培养基，加入150μLDMSO进行溶解。将得到的混合物在25℃下轻轻搅动5分钟，确保晶体完全溶解。96孔板立即放入酶标仪中，测量每个孔的吸光度（波长490nm）。[0074] 2.12释放动力学[0075] 将重量为100mg的水凝胶膜浸入50mLPBS溶液（pH=6）中，并在25℃下孵育72小时。在此期间，定期使用T/ZZB1625?2020标准中概述的方法检查上述溶液中的2mL，以确定水凝胶膜中ε?PL的释放量。同时，添加相应pH值的等体积PBS缓冲液。[0076] 2.13冷藏鸡胸肉保存实验[0077] 在无菌条件下，将鸡胸肉切成约20克的块，并分别使用PVA/CS@ε?PL?0.048、PVA/CS@ε?PL?0.096、PVA/CS@ε?PL?0.144和PVA/CS@ε?PL?0.192水凝胶膜进行包装。然后，将包装好的样品存放在4℃的冰箱中，分别在0、2、4、6和8天进行存储。作为对照组，冷藏鸡胸肉样品使用PVA/CS水凝胶膜（不含ε?PL、6%PVA+2%CS）进行包装。[0078] 2.13.1菌落总数[0079] 将冷藏鸡胸肉样品进行包装，目的是确定菌落总数（TVC）并评估水凝胶膜的抗菌效果。将切碎的鸡胸肉（10克）加入90mLPBS中，使用GB4789.2?2022标准的测定方法，分析冷藏鸡胸肉在存储过程中细菌总数的动态变化。[0080] 2.13.2.挥发性盐基氮[0081] 将切碎的鸡胸肉（5克）加入25mLPBS中，并随后均质化。浸泡30分钟后，应小心过滤并收集滤液。根据GB5009.228–2016标准，在不同存储时期测定切碎鸡胸肉的挥发性盐基氮（TVB?N）含量。[0082] 2.14统计分析[0083] 使用SPSS19.0（IBM，芝加哥，伊利诺伊州，美国）对数据进行统计分析。采用单因素方差分析（ANOVA）来研究数据在P<0.05的显著性水平上的显著差异。所有图形均使用OriginPro2018C软件生成。[0084] 3、实验结果与分析[0085] 3.1PVA/CS@ε?PL水凝胶的分子键合特性[0086] 通过XPS分析，研究了在引入ε?PL之前和之后，PVA和CS聚合物功能团的结合特性和状态变化，ε?PL添加量为0.096g。如图1所示，PVA/CS谱中C1s的峰位置（282.1eV）和O1s的峰位置（529.5eV），在引入ε?PL之前和之后保持一致。引入ε?PL导致C1s处的峰强度增加，而O1s处的峰强度减小。这些发现表明，ε?PL与PVA和CS发生了交联作用，导致额外的碳原子的引入，同时通过缩聚减少了氧原子的数量。[0087] 3.2PVA/CS@ε?PL水凝胶的断裂延伸率和生物降解性质。[0088] 利用万能试验机测量了PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的断裂延伸率，以研究ε?PL添加的影响。如图2所示，膜的断裂延伸率呈现出初期增加后下降的趋势，达到最大值时的ε?PL最佳用量为0.144克。与其他PVA/CS@ε?PL水凝胶膜相比，PVA/CS@ε?PL?0.192膜的断裂延伸率相对较差。这说明适当的负载ε?PL可以有效增强水凝胶膜的断裂延伸率，表明其具有改善膜机械性能的潜力。[0089] 水凝胶膜的生物降解性质符合可持续发展的目标，包括污染减缓、资源增强和生态系统保护。在食品包装的背景下，具有特定水平的疏水性在整个食品保鲜周期中维持生物降解包装的结构完整性和确保食品最佳保鲜中起着至关重要的作用。PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的生物降解结果如图3所示。水凝胶的质量损失率呈递减趋势，随着ε?PL添加量的增加，递减趋势先降低后增加。最终，导致PVA/CS@ε?PL?0.144水凝胶膜显示出最少的质量损失。在1.8克PVA和0.6克CS的存在下，加载量为0.144克的ε?PL加入有助于通过酯化交联和涉及?COOH、?NH2和?OH基团的分子间相互作用形成稳定的网络结构，从而增强PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的稳定性。此外，该修饰增强了PVA/CS@ε?PL?0.144水凝胶膜在肉类保鲜中的适用性。[0090] 3.3聚合物间的相互作用[0091] PVA、CS和ε?PL聚合物中存在的常见功能基团包括?OH、?COOH和?NH2基团。采用分子对接技术对PVA、CS和ε?PL分子之间的相互作用进行预测，以深入了解它们的相互作用机制。如图4，由于存在?COOH功能基团，CS作为PVA和ε?PL配体的优秀受体，通过酯化和酰胺键反应成功地进行交联。此外，明显可以看出ε?PL被封装在由PVA和CS形成的三维网络结构内。三种聚合物之间的结合能为?2.125kcal/mol，表明在聚合物之间形成大量氢键的促进下，凝胶网络结构的自发形成。为进一步验证PVA、CS和ε?PL分子之间的相互作用，对负载不?1同浓度ε?PL的PVA/CS水凝胶膜进行了FTIR分析。观察到的吸收峰带在3281cm 和2919cm?1处，主要对应于?OH基团的对称伸缩振动，以及N?H和C?H键的对称伸缩振动。如图5中（a）、?1 ?1（b）所示，PVA/CS@ε?PL水凝胶膜在3281cm 和2919cm 处的峰带强度随ε?PL负载的增加而呈下降趋势。值得注意的是，PVA/CS@ε?PL?0.144水凝胶膜显示出最小的峰强度。这一观察表明，通过酯化和亚胺键的聚合物间交联反应导致了聚合物内?OH和?NH2基团含量的减?1 ?1少。在1712cm 和842cm 处的特征峰带可以归因于?COOH和N?H的对称伸缩。然而，值得注意的是，在PVA/CS@ε?PL?0.144水凝胶膜中，这些峰的强度比其他组中观察到的要弱。因此，30mL溶液中ε?PL的增强负载浓度（0.144g）显然促进了三种聚合物PVA、CS和ε?PL之间更强的交联网络结构的形成，通过酯化和酰胺形成反应。[0092] 3.4PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的膨胀性能、生物相容性和抗菌能力[0093] 包装材料的低溶胀比有助于提高水和氧气的阻隔性能，有效防止食物中的水分流失，确保食物长时间保持新鲜和风味。评估ε?PL对PVA/CS水凝胶膜膨胀特性的影响，分析了溶胀比。如图6所示，PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的溶胀比呈现出初期下降，随着ε?PL含量的增加而后续增加。XPS和FTIR分析显示，PVA、CS和ε?PL发生了酯化和酰胺反应，导致PVA/CS@ε?PL水凝胶膜中亲水基团（?OH，?NH2和?COOH）的减少。因此，PVA/CS@ε?PL?0.144水凝胶膜的亲水性显著降低，导致其溶胀比下降。进一步利用MTT法评估了PVA/CS、PVA/CS@ε?PL?0.048、PVA/CS@ε?PL?0.096、PVA/CS@ε?PL?0.144和PVA/CS@ε?PL?0.192水凝胶膜与人类结肠癌细胞（Caco?2和SW480）的生物相容性。结果显示，在处理PVA/CS和PVA/CS@ε?PL后，Caco?2和SW480细胞的存活率均超过了85%。根据ISO10993?5，如果与靶细胞共培养后细胞存活率超过70%，则认为生物材料是无细胞毒性的。结果表明，包含ε?PL的PVA/CS@ε?PL水凝胶膜作为食品包装材料表现出了出色的安全性和可靠性。[0094] 荧光假单胞菌P.fluorescens和金黄色葡萄球菌S.aureus是食品中常见的致病菌，分别代表着革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。P.fluorescens是导致肉类变质的突出细菌。评估了PVA/CS@ε?PL水凝胶膜对P.fluorescein和S.aureus的抗菌效果，并将抑菌圈的结果显示在图7中。发现PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的抗菌活性随着ε?PL装载浓度的提高而增加。此外，PVA/CS也表现出一定水平的抗菌活性，表明了抗菌剂ε?PL和CS之间存在协同作用。结果表明，与S.aureus相比，PVA/CS@ε?PL对P.fluorescein具有更强的抗菌活性。采用CLSM方法进一步评估了PVA/CS@ε?PL?0.144水凝胶膜对两种细菌菌株的抗菌效果。经过4小时的PVA/CS@ε?PL?0.144处理后，P.fluorescein和S.aureus从最初的绿色过渡到红色（表示细菌死亡）。上述结果表明，PVA/CS@ε?PL?0.144水凝胶膜在体外表现出了显著的抗菌效果，将其定位为具有巨大潜力的有前景的包装材料。[0095] 目前，为了实现食品新鲜度的维持和货架寿命的延长，食品保鲜的关键突破在于调控包装内活性物质的控释以抑制微生物生长。本研究采用PVA和CS制备了一个3D凝胶网络结构的膜基质，旨在通过亚胺共价键的形成调控ε?PL的释放。如图8所示，PVA/CS@ε?PL水凝胶膜中ε?PL的释放是浓度依赖的。释放过程可以分为三个明显的时间阶段：初始爆发、持续释放和随后的稳定阶段。PVA/CS@ε?PL水凝胶膜中ε?PL的释放在初始释放阶段呈指数增长。如图9所示，ε?PL的初始释放在0到2天内显著抑制了微生物在冷藏鸡肉中的生长，在储存2天后，与当天相比，PVA/CS@ε?PL?0.096、PVA/CS@ε?PL?0.144和PVA/CS@ε?PL?0.192包装的冷藏鸡肉的微生物计数相似。可以推测，ε?PL通过诱导细菌细胞的氧化应激，导致生物活性大分子的破坏和释放，产生了抑菌效果。如图10所示，在初始的0到2天储存期间，PVA/CS@ε?PL组中TVB?N的生长速率较PVA/CS组低。进入持续释放阶段后，释放速率减缓。连续监测36小时后，记录了载有不同浓度ε?PL的PVA/CS@ε?PL水凝胶膜的累积释放百分比分别为58.4%、65.5%、74.8%和85.3%。PVA/CS@ε?PL?0.144和PVA/CS@ε?PL?0.192水凝胶膜在释放动力学方面显示出延长ε?PL持续释放时间超过3天的显著潜力。这可能是由于在聚合物之间建立密集的空间网络结构，并伴随着强大的分子间相互作用，对活性物质的释放动力学产生了重要影响。XPS、FTIR和分子对接也证实了ε?PL通过亚胺共价键与PVA和CS形成的网络结构结合，这是由于酯化和酰胺反应导致的。PVA、CS和ε?PL通过酯化和酰胺化形成的共价键易受酸诱导的水解作用影响，导致这些键的解离和随后的ε?PL释放。ε?PL的释放导致环境pH值升高，从而导致共价键解离减少，水凝胶膜中活性物质的释放量下降。在2到6天的储存期间，PVA/CS@ε?PL中的TVC和TVB?N的生长速率显著加快，超过了0到2天的观察值。然而，与PVA/CS相比，PVA/CS@ε?PL组中TVC和TVB?N的水平要低得多。[0096] 肉类新鲜度的评估依赖于TVC和TVB?N的分析，它们是重要的指标。新鲜肉类的TVC不应超过6logCFU/g，TVB?N含量应低于15mg/100g。如图9、图10所示，在第6天，用PVA/CS@ε?PL?0.096、PVA/CS@ε?PL?0.144和PVA/CS@ε?PL?0.192包装的冷藏鸡的TVC分别为6.3、5.9和5.7logCFU/g，显著低于PVA/CS@ε?PL?0.048（7.5logCFU/g）和PVA/CS（8.4logCFU/g）。在第8天，用PVA/CS@ε?PL?0.144和PVA/CS@ε?PL?0.192包装的冷藏鸡的TVB?N分别为12.4和11.1mg/100g，显著低于PVA/CS（16.1mg/100g）。根据冷藏鸡在储存过程中外观的观察变化以及相应的新鲜度指数的变化，PVA/CS@ε?PL?0.144和PVA/CS@ε?PL?0.192水凝胶膜表现出了显著的保鲜效果。[0097] 4、结论[0098] 在本研究中，利用PVA的良好成膜性能和生物降解性，以及CS的优异抗菌活性和凝胶特性，通过化学交联形成亚胺键来加载ε?PL，合成了具有良好生物降解性、断裂延伸率、生物相容性、抗菌性能、控制释放和保鲜性能的PVA/CS@ε?PL水凝胶膜。结果表明，XPS、FTIR和分子对接分析揭示了ε?PL成功嫁接到由PVA和CS形成的三维网络结构中。此外，在?COOH、?OH和?NH2之间通过酯化和酰胺化等分子相互作用形成了大量的氢键。ε?PL的加入增强了PVA/CS水凝胶膜的断裂延伸率，这可能归因于增强的分子间键合作用。PVA/CS@ε?PL?0.144表现出优异的生物相容性、生物降解性能和延展性，以及对P.fluorescein和S.aureus的显著杀菌和抑菌活性。此外，凝胶网络结构有效调控了ε?PL的持续释放，使其释放时间超过3天，从而显著延长了冷藏鸡的货架期至8天。因此，PVA/CS@ε?PL?0.144水凝胶膜是一种具有生鲜肉显著保鲜潜力的包装材料。[0099] 这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明复合水凝胶膜及其制备方法和应用的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。[0100] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

专利地区：内蒙古

专利申请日期：2024-05-14

专利公开日期：2024-07-30

专利公告号：CN118165330B