桂林理工大学

详情

环境友好型的多重响应智能活性纤维素包装材料构建与应用研究

申报人：赵志明 申报日期：2025-05-26

基本情况

2025年批次
环境友好型的多重响应智能活性纤维素包装材料构建与应用研究 学生申报
创新训练项目
工学
化工与制药类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
从最丰富可再生生物质中分离出来的纤维素材料在复合材料、精细化工、医药载体等领域具有广阔的应用前景，但其还缺乏一些功能特性，限制了应用。本项目将具有多重响应（pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色）和优异抗菌性能的铁基纳米材料与甲基纤维素进行协同改性，以获得具有多重响应、抗菌、抗氧化等性能的环境友好型复合膜材料，拓展复合膜材料在活性包装材料、塑料薄膜、医用材料等领域的应用，为多功能复合膜材料的构筑与应用提供实验依据。
无
主持及参与国家级和省部级科研项目10余项，其中包括主持完成的国家自然科学基金青年基金项目1项、主持在研国家自然科学基金地区基金项目1项、主持在研广西自然科学基金面上项目1项，主持完成的广西自然科学基金项目2项(青年基金和面上项目各1项)、主持完成的广西中青年教师基础能力提升项目1项。
作为指导教师，已经多年从事功能性聚合物复合材料、生物可降解高分子材料的研究，有较深入的研究经历，在功能性复合材料的制备、结构、性能与应用研究方面积累了丰富的经验；此外，本项目目前已经进行了大量的文献资料调研、研究方案设计等前期工作；实验室具有良好的科研环境和硬软件条件，能够保障本项目如期顺利完成。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
赵志明 化学与生物工程学院 化学工程与工艺（卓越班） 2023 成员间的协同合作及材料的制备
范彦祖 化学与生物工程学院 化学工程与工艺（卓越班） 2023 材料的结构与性能分析
李杰慧 化学与生物工程学院 化学工程与工艺（卓越班） 2023 材料的应用研究
蒙杰烨 化学与生物工程学院 化学工程与工艺（卓越班） 2023 材料的结构与性能分析
陶鑫 化学与生物工程学院 化学工程与工艺（卓越班） 2023 材料的应用研究

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
邹志明 化学与生物工程学院 否
唐群 化学与生物工程学院 否

立项依据

本研究旨在提供简单有效且环保的方法，设计制备具有多重响应（pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色）和优异抗菌、抗氧化性能的铁基纳米材料，探讨该纳米材料对甲基纤维素复合膜材料结构与性能（pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色、抗菌、抗氧化等）的影响规律，阐明相关的改性机理，制备出环境友好、综合性能优异的多重响应甲基纤维素复合膜材料，探讨其在食品包装中抗菌保鲜、智能指示标签等方面的应用，为此类复合材料的结构调控和性能优化提供科学依据和新的思路。
1）利用4-羟基肉桂酸和亚铁盐，设计制备具有多重响应（pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色）和优异抗菌、抗氧化性能的铁基纳米材料；
2）系统研究上述多功能的铁基纳米材料对甲基纤维素复合膜材料结构与性能（pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色、抗菌、抗氧化、紫外阻隔性能等）的影响规律，阐明相关的改性机理，优化条件，制备出综合性能优异的多重响应纤维素复合膜材料；
3）研究探讨上述多重响应纤维素复合膜材料在食品包装领域中抗菌保鲜、智能指示标签等方面的应用。
随着食品工业的快速发展，人们对先进食品包装的兴趣日益浓厚。包装可以保护食品免受外部影响和损害，维护食品安全，并以成本效益的方式延长保质期。在各种包装材料中，塑料占据了商业市场的很大一部分，因为它们具有吸引人的特性，如高强度、优秀的阻隔性能、柔韧性、轻质、良好的加工性和低成本。然而，传统塑料来自石油资源，再加上一次性使用，石油基塑料的包装应用正在造成严重的环境污染和资源损失。在环境和化石资源保护意识的推动下，可再生、可生物降解和可回收的生物基聚合物从科学、工业和消费者的角度引起了极大的关注。
甲基纤维素（Methylcellulose，简称MC）是一种纤维素甲基醚，属于非离子型纤维素醚。它是一种白色或浅黄或浅灰色的小颗粒、纤丝状或粉末状物质，无臭无味。它在无水乙醇、乙醚、丙酮中几乎不溶，而在80～90℃的热水中迅速分散、溶胀，降温后迅速溶解，水溶液在常温下相当稳定，高温时能凝胶，并且此凝胶能随温度的高低与溶液互相转变。甲基纤维素具有优良的润湿性、分散性、粘接性、增稠性、乳化性、保水性和无毒、无致敏、无刺激性以及对油脂的不透性，形成的膜具有优良的韧性、柔曲性和透明度，。甲基纤维素因其多种物理和化学性质，被广泛应用于建筑、医药、食品、化妆品等领域。但甲基纤维素的保水性受温度影响较大，温度越高，保水性越差，且不具备抗菌、抗氧化、响应变色等性能。
纳米复合材料是一种新型的包装材料，它们具有高强度、韧性、阻隔性和抗菌性，可增强食品的功能特性。因此，它们是食品包装应用的有前途的候选者。在纳米材料的不同家族中，金属-有机框架（MOFs）是一类由各种金属离子和有机配体组成的多孔结晶纳米材料。由于其笼状结构、大表面积和可调功能，它们在乙烯/氧气吸收能力、机械强度和生物活性功能方面越来越多地用于食品相关化合物和活性食品包装的封装。其中，铁基金属有机框架 （Fe-MOF） 环保且制备成本低，此外，掺铁具有有益的特性，可用作铁强化食品，还可以改善包装性能。因此，开发简单、绿色、经济的方法来制备氨敏性能铁基配合物纳米粒子应用于甲基纤维素基包装材料，具有广阔的前景。
Li等人简单的超声方法以对苯二甲酸为配体合成了 Cu-MOF，然后将其作为填料掺入壳聚糖（CS）/明胶（Gel ）基质中，使用溶液流延法制备了 CS/Gel@Cu-MOF 复合包装膜，CS/Gel@Cu-MOF 薄膜对挥发性氨表现出强烈的颜色响应（如图1所示），突出了它们在智能活性食品包装中的应用潜力
。summernote-img
图1 挥发性氨 （50% v/v） 对 CS/Gel@Cu-MOF 薄膜的影响：（a） 颜色变化图片和 （b） ΔE 值的相应演变。（c） 在 25 °C 和 57% RH 下保存的 CS/Gel@Cu-MOF 薄膜的颜色稳定性。
Wang等人通过将黑枸杞 （BW） 花青素引入由聚乙烯醇 （PVOH） 和甲基纤维素 （MC） 组成的固体基质中，开发了一种PVOH/MC/BW指示膜，它能够快速响应酸性或碱性蒸气以及监测鸡肉和虾质量变化。通过研究表明制备的膜可以通过其敏感的颜色变化智能、准确地指示鸡虾肉的品质变化。
Mao等人以没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）和铁（Fe）为基体，并成功将百里香精油纳米乳液（TEON）掺入海藻酸钠（SA）基质中，通过溶液流延法制备SA基膜，明显增强了薄膜的动态抗菌性能（如图2所示）。SA基薄膜显著降低猪肉pH值，显示出对猪肉的突出保鲜效果。
summernote-img
图2 （A）SA基膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌作用以及（B–C）不同SA基膜的动态抗菌活性
 Zheng等人结合甲基红和溴百里酚蓝（MR-BTB， MB）的基于氨/pH 超敏感结冷胶/羧甲基纤维素钠 （GG/CMC-Na， GC） 的标签来监测羊肉的新鲜度，不同氨浓度下 GC-MB 标记的表观颜色（如图 3A 所示）。标记在氨环境中经历了从最初的橙红色到黄绿色的显著转变，最后变为绿色。这是由于 NH4+ 的成立，由氨 （NH3）导致标签表面出现碱性条件，从而导致颜色变化。这些颜色变化与杂化染料的氨响应颜色变化一致。随着 MB 浓度的增加，标签颜色的饱和度升高，ΔE 值不断增加（如图3B所示）。而所有标记物在不同 pH 条件下均呈现橙色-粉红色-黄色-绿色-蓝色趋势（如图3C所示）。可以预见的是，由于颜色变化的可视化，GC-MB 标记在食品新鲜度监测方面具有很大的潜力。
summernote-img
图3 氨响应中 GC-MB 标记的表观颜色 （A） 和 ΔE 变化 （B），pH 响应中 GC-MB 标记的表观颜色 （C） 和 ΔE 变化 （D）
Kang 等人通过将 Cu-MOF 引入淀粉（SP）和聚乙烯醇（PVA）基质，以虾为实验对象，探讨了 SP/Cu-MOF 复合薄膜是否可以用作智能包装材料，用于虾的实时新鲜度监测，在 4 °C 和 28 °C 时，虾的颜色随着时间的推移从青色变为橙红色，表明此时虾已经完全变质（如图4a 和 b所示）。在此操作中，SP0 薄膜的 ΔE 值没有明显变化，而添加 Cu-MOF 的标签颜色由最初的蓝绿色显着变为棕色，ΔE 值甚至高于 47，验证了使用该指示标签可以准确、高效、无损地确定肉制品的品质。
summernote-img
图4利用由 SP/Cu-MOF 复合薄膜制成的智能标签来跟踪在 28 °C 和 4 °C 两种不同温度下储存的虾的新鲜度
因此，本项目的研究重点是利用4-羟基肉桂酸和铁盐，设计制备具有多重响应（pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色）和优异抗菌、抗氧化性能的铁基纳米材料；研究上述多功能铁基纳米材料对甲基纤维素复合膜材料结构与性能（pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色、抗菌、抗氧化等）的影响规律，阐明相关的改性机理，优化条件，制备出环境友好、综合性能优异的多重响应甲基纤维素复合膜材料；并探讨上述纳米复合膜材料在食品包装领域中抗菌保鲜、智能指示标签等方面的应用。多
项目小组成员，对该课题怀有强烈的兴趣，已经系统学习了无机化学和有机化学等相关专业课程，前期已经做了大量的文献调研工作，往下就是把理论变成实践，本组成员均具有较高实际动手实践能力，具有较高创新思维。对配合物和高分子材料无论从合成、结构还是到性质应用方面都有着很深入的了解，这为项目能够顺利完成打下了坚实的基础。另外，项目组指导老师多年来一直致力于功能性配合物材料、生物基高分子材料的研究，在多组分高分子复合体系相结构与性能研究方面积累了丰富的经验的研究，能够保障本项目如期顺利完成。
本项目设计制备具有多重响应（pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色）和优异抗菌、抗氧化性能的铁基纳米材料，系统研究该多功能纳米材料对甲基纤维素膜材料结构与性能（pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色、抗菌、抗氧化等）的影响规律，阐明相关的改性机理，优化条件，制备出环境友好、综合性能优异的多重响应甲基纤维素复合膜材料；探讨所得纤维素纳米复合膜材料在智能包装膜材料领域的应用，为此类复合材料的结构调控和性能优化提供科学依据和新的思路。
技术路线
本项目将依据“文献查阅→功能配体选择→金属中心选择→合成条件选择→优化制备方法→制备多功能铁基纳米材料→结构表征→性能研究→溶液浇铸法制备多功能铁基纳米材料改性甲基纤维素复合膜→采用SEM、TGA、紫外可见仪、抗菌实验等技术手段表征复合膜材料的结构与性能→探讨总结规律→优化条件→制备出综合性能优异的甲基纤维素纳米复合膜材料→探究并拓宽其在智能包装材料、塑料薄膜、医用材料等领域的应用”这一研究技术路线，并在实施过程中不断改进优化，以达到最满意的结果。
拟解决的问题
（1）如何成功地制备具有pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色、抗菌、抗氧化等功能的铁基纳米材料，有效地合成具有目标性能的多功能纳米材料。
（2）如何有效地利用多功能的铁基纳米材料与甲基纤维素复合，调控优化甲基纤维素纳米复合膜材料的结构与性能。
预期成果
制备得到一类具有pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色、抗菌、抗氧化等功能的铁基纳米材料，并通过协同改性作用调控优化甲基纤维素复合膜材料的结构与性能，研究其pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色、抗菌、抗氧化等性能，拓宽其在活性包装材料、塑料薄膜、医用材料等领域的应用。
研究成果主要以实际成品效果及发表科学论文为主，预期发表论文或者专利一篇。
本项目计划预期一年内完成，年度计划如下：
2025年1月-2025年2月：查阅文献，制定优化实验方案，购买相应的实验器材和药品；
2025年3月-2025年6月：探索条件，合成具有pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色、抗菌、抗氧化等功能的铁基纳米粒子，研究该材料的结构与性能；
2025年7月-2025年11月：制备多功能的铁基纳米材料与甲基纤维素复合膜材料，对该复合膜材料的pH响应、可视化氨响应变色、温敏变色、抗菌、抗氧化、紫外屏蔽性能、力学性能、热稳定性能等性能的进行研究，制备出高性能且满足应用要求的复合膜材料。
2025年12月-2026年1月：总结实验结果，成品提交，撰写一篇论文，完成专利申请，完成结题报告。 
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
本项目指导教师近年来主要从事功能性聚合物纳米复合材料、生物可降解高分子材料的研究，并在该领域取得了具有一定创新性的研究成果。近年来，本项目指导教师以第一作者或通讯联系人身份在Carbohydrate Polymers、Food Hydrocolloids、Food Chemistry、International Journal of Biological Macromolecules、Nanotechnology、Rheologica Acta、RSC Advances、Journal of Applied Polymer Science Chinese Journal of Polymer Science等国内外重要学术刊物上发表论文30余篇，并获授权国家发明专利多项。
本项目小组成员已在老师的指导下，开展了前期的文献调研和初步的合成实验，通过合成条件的探索，已确定了具体的实验方案，具体的合成示意图见下图5。
summernote-img
图5 合成示意图

2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
实验室拥有X射线衍射仪、傅立叶变换红外光谱仪、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、热重仪、微机控制电子万能试验机等实验测试设备，能够很好地满足实验需求，得到可靠的研究结果。因此，实验室具有良好的科研环境和硬软件条件，能够保障本项目如期顺利完成。 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 8000.00 无 4300.00 3700.00
1. 业务费 4500.00 无 2300.00 2200.00
（1）计算、分析、测试费 4500.00 材料的各项表征及性能测试 2300.00 2200.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 0.00 无 0.00 0.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 3500.00 购置所需实验试剂、药品、辅助材料 2000.00 1500.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

版权所有： 南京先极科技有限公司