基本信息
- 项目名称：
- 魔芋葡甘聚糖/生物高分子复合液膜
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对当前复合膜在组成、结构、性能及应用中存在的复合膜不易降解、膜性能差、成膜时间长、成本高、操作复杂等关键问题，本文以魔芋葡甘聚糖（Konjac Glucomannan，简称KGM）为主要原材料，利用其在10℃以下呈液态，而常温在一定条件下呈固态而自然成膜的特性，通过计算机分子模拟，从理论上预测了魔芋葡甘聚糖/生物高分子复合液膜的结构和性能的最佳稳定条件。根据所预测结果选用最优组成制备魔芋葡甘聚糖/生物高分子复合液膜。以鲜切生菜保鲜为例检验其性能。结果表明，该液膜保鲜果蔬可有效延长贮藏时间，且具有较好的可降解性和良好的抑菌能力。与其他同类膜相比，该膜具有液晶态结构、性能优良、使用方便、安全。为解决当前复合膜存在的关键问题提供参考依据并拓宽其应用范围。
- 详细介绍：
- 近年来，随着复合膜在食品、功能性保健品、生物医学材料和高档化妆品等领域的应用受到越来越大的关注，在复合膜的组成、结构、性能及应用中存在的关键问题已经成为一个研究热点。在膜应用过程中发现复合膜制备及其应用处理过程中存在的关键问题（如复合膜不易降解、膜性能差、成膜时间长、操作复杂、成本高等）直接影响到膜的使用范围，不利于提高膜的应用效果。这些问题的解决是提高膜的性能及其经济效益的最直接途径。但是，目前的各种复合膜在制作过程中仍存在许多不足。在组成方面，尚有不可降解成分，存在一定的环境问题；在结构上，大多存在结构稳定性差等缺陷；在制膜过程中，成膜性差，通常需要对制膜材料进行改性、干燥等较为复杂的工艺操作；在性能上，多数复合膜性能较差，难以满足应用中的多种需求。以上问题严重限制了复合膜在工业和农业方面的应用，尤其是在农副产品保鲜加工、轻纺食品以及医药、化妆品等领域的应用。而目前国内外关于生物高分子膜材料的研究主要集中在淀粉、纤维素、甲壳素和海藻酸钠等天然多糖，但这些多糖或因膜的性能差、或因原料成本过高、或因操作困难，真正投入应用的产品很少。因此，研制一种适应上述多层次、多方面需求的膜，阐明其结构稳定、性能优良的机理，并初步提出一种操作方便、成本低廉、易于控制的制膜新策略已成为进一步提高鲜活农产品经济效益和提升食品以及医药、化妆品行业综合竞争力的重要途径。本发明成果无论是对学科理论的发展，还是对应用技术的研发均具有十分重要的意义。 可再生资源植物魔芋中含有魔芋葡甘聚糖，它是一种性能优良的生物高分子膜材料，具有良好的吸水、保湿、成膜、凝胶性，在10℃以下呈液态，而常温在一定条件下呈固态可自然成膜，是继淀粉和纤维素之后，又一种较为丰富的可再生天然高分子资源。有研究表明，魔芋葡甘聚糖在适宜的pH条件下，能形成较为稳定的液晶态结构。KGM的以上特性很大程度上简化了制膜工艺，提高膜的稳定性和性能，使其成为一种具有液晶性、可自然成膜的高稳定性、高性能膜材料。KGM的液晶态结构使其具有较液体更为稳定的性质。此外，KGM一定条件下自然成膜的特性避免了成膜过程中由于高温等因素造成的稳定性下降等缺陷，提高其稳定性，进而提高性能。目前，国外对魔芋葡甘聚糖做原料制成膜的研究并不多，仅有少量报道，如Min-Hee Yoo等人对魔芋葡甘聚糖膜的性能作了研究，美国Merritt发明了用魔芋葡甘聚糖代替胶原蛋白制作肠衣的方法。我国在魔芋葡甘聚糖涂膜保鲜方面进行过探讨，但以魔芋葡甘聚糖为主要原料制备具有液晶状态的复合液膜的研究方面却未见报道。 目前，将分子模拟技术用于物质分子结构研究的方法被越来越多的国内外的科研工作者采用。分子模拟是介于实验方法和理论方法之间的一种方法，它既有自己的独立性，又与另外两种方法相辅相成。它采用了较接近于实验的模型，在模拟中，只依赖于最基本的物理和化学规律，可以通过实验结果来验证模型的准确性、合理性。同时模拟的结果又能用以指导实验。因此,运用分子动态模拟来研究蛋白质、多糖等复杂高分子的结构性能已成为了研究的热点，而将其用于复合膜制备，对制膜条件进行预测，以得到更为精确的配制方法的研究还鲜见报道。 本文利用KGM在10℃以下呈液态，而常温在一定条件下呈固态可自然成膜的独特性质，通过计算机分子模拟，从理论上预测复合液膜的结构和性能的最佳稳定条件。利用分子力学原理，用计算机模拟方法实现制膜性能预测与验证的定量化,再将理论与实验结合制备复合液膜；利用KGM的上述特性制备具有液晶态结构的液膜，在一定条件下自然成膜，简化工艺，提高膜的稳定性和性能。解决复合膜在组成、结构、性能和应用上的问题。为解决当前复合膜存在的关键问题提供参考依据并拓宽其应用范围。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的： 复合膜制备及其应用处理过程中存在稳定性和性能差、成膜时间长、操作复杂、成本高、不易降解等关键问题，直接影响到膜的使用范围，不利于提高膜的应用效果。为此，寻求一种既具有优良性能，又对人体无害且制备工艺简单、成本低廉的复合膜势在必行。 基本思路： 本文以魔芋葡甘聚糖为主要原材料，利用其一定条件下具有液晶态结构，且在10℃以下呈液态，而常温在一定条件下呈固态而自然成膜的特性，通过计算机分子模拟，从理论上预测魔芋葡甘聚糖/生物高分子复合液膜的结构和性能的最佳稳定条件。根据所预测结果选用最优组成制备魔芋葡甘聚糖/生物高分子复合液膜。 创新点： 1、利用分子力学原理实现制膜性能预测与验证的定量化,再将理论与实验结合制备复合液膜。 2、利用KGM在10℃以下呈液态，而常温在一定条件下呈固态而自然成膜的特性，研制出魔芋葡甘聚糖/生物高分子复合液膜。 3、该膜具有液晶态结构、性能优良、使用方便、安全。具有良好的发展前景，对生态环境和可持续发展有重要的意义。 技术关键： 1、通过计算机模拟，从理论上预测最佳稳定条件。2、魔芋葡甘聚糖/高分子复合液膜自然成膜条件的控制。 主要技术指标： 抑菌效果、降解率、保鲜性能
科学性、先进性
- 科学性： 魔芋葡甘聚糖具有良好的成膜性，利用其一定条件下具有液晶态结构和在常温下自然成膜的特性简化制膜工艺，降低成本。在已有研究基础上，通过计算机分子模拟技术进行最优参数预测，进而通过实验进行验证，经过比较分析，再进一步共混、复配等，制得复合液膜。提高其应用价值，拓宽其应用领域。 先进性： 针对复合膜在组成、结构、性能及应用中存在的关键问题，利用KGM在10℃以下呈液态，而常温在一定条件下呈固态而自然成膜的特性，以其为主要原材料，利用分子模拟可以实现制膜精确性预测与定量化,从理论上预测复合液膜的结构和性能的最佳稳定条件，再将预测结果与实验相结合制备复合液膜，提高了制膜条件的精确性。制备具有液晶态结构、性能优良、使用方便、安全的复合液膜。
获奖情况及鉴定结果
- 作品初级阶段获得福建农林大学课外学术作品竞赛三等奖 作品逐步完善阶段曾分别获得福建省大学生课外学术作品竞赛一等奖、福建省大学生创业计划大赛金奖
作品所处阶段
- 已完善
技术转让方式
- 618项目成果对接
作品可展示的形式
- 实物及图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：将物品浸泡在制得的液膜中，取出置于室温下即可自然成膜；亦可用将液膜喷淋于物品表面待其自然成膜。 技术特点：制得的液膜在10℃以下呈液态，而常温在一定条件下呈固态而自然成膜。 优势： 1、原材料天然、无害且来源广泛。 2、常温下可自然成膜，简化制膜工艺，降低成本，应用广泛。 适应范围与推广前景：在农副产品保鲜加工、轻纺食品以及医药、化妆品等领域，将进一步提高鲜活农产品经济效益和提升食品以及医药、化妆品行业综合竞争力。 经济效益和市场分析： 1、复合液膜应用于鲜活农副产品保鲜加工中，将进一步提高鲜活农产品经济效益和提升食品以及医药、化妆品产业综合竞争力。本发明成果无论是对学科理论的发展，还是对应用技术的研发均具有十分重要的意义。 2、制得的液膜环保、高效，可缓解其他同类复合膜对环境的污染，同时工艺简单，方便安全、应用广泛，具有良好的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 魔芋葡甘聚糖（KGM）是天然高分子物质，具有良好的成膜性。近年来，以KGM为主要原材料制膜的研究越来越多。但是由于KGM亲水能力很强，影响了魔芋胶脱水成膜的均匀、致密、光滑和平整性；同时膜的潮解性增大，抗菌性能下降，最终溶胀甚至溶解。所以，直接用KGM做成的膜材料，存在强度较低、耐水性和阻湿性及抗菌、防腐性能差等缺陷。为此，不少研究者对其进行改性再应用，如汤荣生用马来酸酐和多聚磷酸钠对魔芋葡甘聚糖进行改性后制成膜，显示出较好的强度和热封性能，但操作复杂，且可能有试剂残留；杜传来将KGM与壳聚糖共混后制成膜，膜的阻湿性有所改善，并将其用于柑橘的涂膜保鲜，取得了较好的效果；邹少强等将一定量的保鲜剂、抗氧化剂、稳定剂、增稠剂、乳化剂等添加入已通过纯化并经磷酸改性KGM膜中，用于龙眼的保鲜，保鲜效果良好。 随着人们对KGM研究的不断深入，对KGM与合成高分子材料的共混研究也不断增多。Gao S和Zhang L将蓖麻油基PU和硝基KGM进行共混反应，共混产物具有半互穿网络结构。Xiao C B等报道了PU和脱乙酰KGM共混产生的膜具有极强的拉伸强度、抗水性能和突出的光学透明性。Xiao C B等还将PPAm加入至KGM的溶胶中，得到的共混产物无论是在热稳定性、吸水率还是在机械性能上均得到显著提高。但在此过程中需要用到一些试剂，可能存在试剂残留。 研究表明，用NaOH对KGM进行改性在结构上脱去乙酰基，有助于提高其性能。如李波等采用以0.4%的NaOH对经纯化的魔芋葡甘聚糖涂膜于玻璃板上，80℃烘箱干燥成膜，清水洗膜脱碱，加入适量增塑剂，80℃干燥成膜，所制成的膜（PN）与未改性的比较，其抗水性能和膜的强度均有显著提高。林晓艳等用适量的Ca(OH)2在一定条件下对一定量的魔芋葡甘聚糖进行改性，并涂膜于玻璃板上，适当温度下干燥成膜，脱碱，所得改性物与未改性的魔芋葡甘聚糖相比，膜的抗张性、耐折度均有提高，膜表面更为均匀，改性物溶胀吸水性有一定改善。 以上研究利用KGM所制膜都以固态形式存在，目前关于液态膜制备的研究尚未见报道。
