壳聚糖基涂料中银/二氧化钛复合材料的功能化及其保卵性能

摘要

为了增强壳聚糖基涂层的稳定性和灭菌性，并扩大特定纳米颗粒在食品保鲜中的应用，合成了 Ag/TiO₂ 复合材料以官能化壳聚糖涂层以保鲜鸡蛋。蛋壳形态、失重、Haugh 单位和蛋白 pH 值用于表征涂层的保鲜性能。

摘要

鸡蛋是蛋白质、矿物质和维生素的极好来源，这些蛋白质、矿物质和维生素已在世界各地的日常饮食中广泛食用。然而，蛋壳上的微孔和微裂纹会导致水分流失和 CO 2 逸出_， 从而导致鸡蛋变质加速和经济损失。为了提高现有壳聚糖基涂层材料的稳定性和灭菌性，并开发用于抗菌和鸡蛋保鲜的新型多功能纳米复合材料，合成了银/二氧化钛 （Ag/TiO₂） 复合材料并应用于改性壳聚糖，以延长鸡蛋的保质期。电子显微镜 （SEM） 图像用于分析复合颗粒的结构和形态以及涂层蛋壳的形态。复合涂层的保鲜性能通过各种参数进行评估：重量损失、Haugh 单位、蛋白 pH 值和样品的蛋壳形态。采用 Ag/TiO₂ 复合材料有助于与壳聚糖产生协同效应，从而进一步延长保存期。然而，壳聚糖涂层的性能目前受到现有颗粒种类和浓度的限制，这需要在未来的研究中进行优化。本研究的方法检查了新型涂层材料，这些材料可以通过在涂层前驱体中添加特定的纳米颗粒来制造，以实现纳米颗粒和前驱体的结合效果，以及在食品保鲜领域制备新型多功能涂层。

引言

作为蛋白质、无机盐和维生素的优质和流行来源，鸡蛋是人类营养的热门供应商，在全球范围内大规模生产和消费 ^1,2。虽然蛋壳是天然的保护屏障，但它们太脆弱了，无法在鸡蛋运输和储存过程中保持其完整性。蛋清与环境之间的气体交换和微生物渗透很容易通过蛋壳上的微小孔隙发生，这会导致 CO₂ 损失以及蛋类质量恶化 ^3,4。此外，蛋壳上的微小裂缝会增加微生物污染的风险。因此，为了经济效益和人类健康，必须紧急开发有效的鸡蛋保存方法。

目前，鸡蛋保存有两种途径。第一种方法是灭活蛋壳上的微生物 5,6,7,8。失活过程通过清除蛋壳表面免受环境微生物和水分的侵蚀来延长鸡蛋的保存期。另一方面，用特定的功能材料覆盖蛋壳上的微小孔隙和裂缝也可以作为防止水蒸气和 CO₂ 从蛋清中流失以及保护蛋壳免受微生物破坏的绝佳方法。由于涂层简单、有效且节能，因此在鸡蛋保鲜方面越来越受到关注。合适的涂层材料应满足的主要原则是化学稳定性、有效渗透性、广泛的可用性和可靠的安全性。研究最广泛的涂层材料是油 ^9,10、蛋白质¹¹、生物聚合物³ 和壳聚糖¹²。

壳聚糖因其优异的成膜性能、抗菌活性和安全性而被视为一种流行的涂层材料¹³.鸡蛋的物理化学变化和微生物污染已被证明受到壳聚糖涂层的保护，壳聚糖涂层已成为一种有效的鸡蛋保存方式。然而，壳聚糖作为一种水蒸气阻隔性和吸湿性较差的亲水性聚合物，在高湿度环境中不稳定，限制了保存效果，并在一定程度上缩短了鸡蛋的保质期。

为了克服这个问题并提高壳聚糖的保存性能，特定纳米颗粒已被用作壳聚糖基涂料中的掺杂物。其中，作为具有抗菌特性¹⁴ 的纳米填料，纳米银 （Ag） 已被掺杂到壳聚糖中。Ag 的添加不仅可以增强壳聚糖薄膜的阻隔性能，还可以增强其抗菌效果，已被证明可以提高涂层的保鲜效果。然而，Ag 颗粒的易聚集和简单结构可能会降低壳聚糖薄膜的稳定性和耐用性，这已被证明可以通过沉积特定的纳米颗粒来改善。钛白粉 （TiO₂） 是一种典型的金属氧化物化合物，具有化学稳定性、低毒性和合理的成本等优异性能。这些功能特性赋予了 TiO₂ 在许多研究领域的巨大潜力¹⁵。例如，TiO₂ 颗粒由于其粘附性和杀菌活性，可以用作医疗器械和生物材料的添加剂。然而，TiO₂ 颗粒的实际应用在很大程度上受到其不稳定的热力学和团聚趋势的限制。因此，有人提出将特定的功能材料掺杂到 TiO₂ 中，以实现抗菌活性、提高分散性和热稳定性的复合效果。

本研究合成了抗菌 Ag/TiO₂ 复合材料，并将其应用于壳聚糖涂层中用于鸡蛋保鲜。SEM 图像用于分析 Ag/TiO₂ 颗粒和蛋壳的结构和形态。通过失重、Haugh 单位、蛋白 pH 值和蛋壳形态评估和比较涂层的保存性能。本研究证明了纳米复合混合壳聚糖涂层在食品保鲜中的可能性和潜力。

研究方案

1. 纳米 Ag/TiO₂ 复合材料的合成

1. 要制备纳米银溶胶，请将 100 mL AgNO₃ 溶液、100 mL 保护剂和 50 mL NaBH₄ 混合到 500 mL 断路器中。
   1. 将乙酸和甲酸（分析级）以 1：1 的体积比混合，得到 100 mL 复合酸溶液，作为保护剂的前体。用去离子水 （18 MΩ•cm） 将酸溶液稀释至 500 mL 作为保护剂。
   2. 在剧烈搅拌下，将 AgNO₃ 溶液 （0.3 mol/L） 加入所得保护剂中，直到 AgNO₃ 溶质均匀分散在保护剂中。在室温下将混合物反应 1 小时后，加入 0.4 g NaBH₄ 以获得分散良好的 Ag sol。
      注意：纳米银的粒径可以通过步骤 1.1.2 中保护剂的浓度和搅拌速率来调节。
2. 在搅拌下将 Ag 混合到钛酸四丁酯 （TBOT）-乙醇溶液中，然后滴加 80 mL 酸催化剂。
   1. 将 500 μL 苯磺酸 （BA） 和冰醋酸 （AA） 混合，得到混合溶液（BA 和 AA 的体积比为 1：2）。将溶液稀释到 100 mL 去离子水 （18 MΩ•cm） 中以制备酸催化剂。
   2. 将所得的 Ag sol 加入预先分散的钛酸四丁酯 （TBOT） - 乙醇溶液（2.5 TBOT 在 100 mL 乙醇溶液中）中，搅拌 1 小时以获得混合溶胶。之后，将溶胶滴加到 80 mL 酸催化剂中，并在 70 °C 下搅拌 4 小时。
   3. 在室温下连续搅拌混合物 48 小时，以产生最终的 Ag/TiO₂ 复合材料。
      阳离子：剧烈搅拌可能会导致液滴飞溅。使用防护装置确保安全，例如防护性口鼻面罩、实验室防护服和手套。上述程序中对转速没有严格的标准。

2. 壳聚糖涂层的制备

1. 将壳聚糖溶解在 1% （vol） 乙酸中，并在 25 °C 下搅拌 24 小时以制备涂层溶液（确保所得溶液中的壳聚糖浓度为 0.5% （wt）。
2. 将 Ag/TiO₂ 颗粒分别加入悬浮液中（0、0.5、1 和 1.5 g Ag/TiO₂ 分别加入 50 g 壳聚糖溶液中），得到 0%、1%、2% 和 3% （wt） Ag/TiO₂-壳聚糖溶液，表示为 Ag/TiO_2-CS0、Ag/TiO_2-CS1、Ag/TiO_2-CS2 和 Ag/TiO_2-CS3， 分别。
   注意： 上述程序中的转速没有严格的标准。

3. 扫描电子显微镜 （SEM） 观察

1. 将实验蛋壳切成小块（方形尺寸约为 2-3 毫米）。
2. 用导电粘合剂（即双面碳导电胶带或其他类似材料）将蛋壳块固定在金属短头上。样品制备过程中戴上手套，以避免样品被手污染。标记样品（例如，使用金刚石笔刀用 L 形划痕）。
3. 或者，使用导电材料（~10 nm 厚）涂覆溅射涂层以防止充电效应。
4. 从样品的顶视图获取至少三个高分辨率 SEM 显微照片（理想情况下，至少五个）。确保每个图像显示的区域至少为 25 μm x 25 μm，分辨率比为 20 μm。避免从具有宏观表面缺陷的表面区域拍摄图像。
5. 使用以下 SEM 参数：工作电压为 30 kV。在高级扫描电子显微镜中使用场发射电子枪，第二电子图像的分辨率可以达到 2 nm（离子束电流密度约为 10⁵ A/cm²）。
6. 记下每张图片相对于 L 形标记的确切位置。

4. 种蛋保存实验

注意：新鲜产下的鸡蛋是中国深圳当地农场提供的鸡蛋。

1. 通过排除表面有裂纹、黄斑或沙子的鸡蛋来筛选实验鸡蛋，以确保鸡蛋保存实验过程的顺利进行。
2. 将新鲜产下的鸡蛋分成五组，每组 30 个鸡蛋。设计四个包覆基团，分别包覆壳聚糖、掺杂 0%、1%、2% 和 3% （wt） 的 Ag/TiO₂-壳聚糖，分别为 Ag/TiO_2-CS0、Ag/TiO_2-CS1、Ag/TiO_2-CS2 和 Ag/TiO_2-CS3。
3. 进行包衣过程，将鸡蛋浸入不同的包衣溶液中 5 分钟，并在环境条件下干燥 24 小时。将水洗鸡蛋 （WE） 设置为对照实验。经过上述处理后，将处理过的鸡蛋储存在 25 °C 下。 取 5 个标记的鸡蛋测量失重、Haugh 单位、蛋白 pH 值和蛋壳形态，以评价和比较保存性能。
   1. 通过计算与第一天相比鸡蛋百分比的重量差异来获得鸡蛋的重量损失 （%）。每 5 天测量每组中鸡蛋的重量。
   2. 计算 Haugh 单位，将鸡蛋重量与蛋白的厚度联系起来（公式 1）¹²。
      胡 = 100 对数 （H-1.7W^0.37+7.6） （1）
      其中 H 代表蛋白高度 （mm）， W 代表鸡蛋重量 （g）。
      1. 当鸡蛋的 Haugh 单位高于 72、71-60 和低于 60 时，根据 Haugh 单位的值将鸡蛋分为 AA、A 和 B 级（美国单个带壳蛋质量标准）。
   3. 将蛋白与蛋黄分离，并使用数字 pH 计测量蛋白的 pH 值。
   4. 在样品铂溅射后，使用扫描电子显微镜观察蛋壳表面的形态。
      阳离子：蛋壳是易碎的物质，无法承受剧烈的撞击。因此，要小心避免对蛋壳造成任何损坏。此外，步骤 4.3.4 中的过程与步骤 3 相同。

结果

Ag/TiO₂ 复合材料的粒径范围为 100-300 nm，受合成条件的影响（图 1）。

图 1：Ag/TiO₂ 复合颗粒在不同分辨率比 （500 nm） 下的 SEM 图像。请单击此处查看此图的较大版本。

不同鸡蛋样品在储存过程中的重量损失如 表 1 所示。持续增加的体重减轻是由于蛋白 CO₂ 和水蒸气通过蛋壳上的孔逸出，导致鸡蛋质量变差。WE 种蛋的重量损失远高于其他组，表明壳聚糖基涂层对种蛋质量具有保护能力。壳聚糖包衣后，蛋壳上的裂缝明显减少，从而限制了 CO₂ 和水蒸气的损失。

储存时间 （天）	重量减轻 （wt%）
	我们	银/钛白银 2-CS0	银/二氧化钛 2-CS1	银/二氧化钛 2-CS2	银/二氧化钛 2-CS3
6	0.78±0.09 摄氏度	0.69±0.09 摄氏度	0.53±0.12 安	0.49±0.21 元，b	0.48±0.06 安培
11	1.85±0.13 字节	1.54±0.18摄氏度	1.34±0.15 安	1.28±0.13 元，乙	1.26±0.21 个
16	2.53±0.21 字节	2.34±0.27摄氏度	1.95±0.21b	1.93±0.35 安	1.89±0.38 个
21	4.01±0.25摄氏度	3.63±0.32b	3.21±0.09 字节	3.18±0.22 个	3.09±0.16 个
26	4.86±0.34 字节	4.18±0.25 字节	4.09±0.39b	4.05±0.29 个	3.98±0.21 美元，b
31	5.62±0.41 安	5.01±0.51 字节	4.76±0.48 安培	4.69±0.17 安	4.58±0.35 安培
在同一行中，具有不同的 superscriped 字母明显不同。

表 1：不同鸡蛋在储存时间内的失重变化。

此外，掺杂 Ag/TiO₂ 颗粒的壳聚糖涂层在密封孔隙和形成致密层方面更有效，从而大大抑制了重量损失。Ag/TiO₂ 颗粒的用量越大，相应涂层减少 CO₂ 和蒸汽损失的效果就越强（图 2）。

图 2：第 0 天、第 11 天、第 16 天和第 31 天生蛋壳表面和壳聚糖处理蛋壳表面的 SEM 图像。 （A） 生蛋壳表面;（B） 壳聚糖处理的蛋壳表面。 请单击此处查看此图的较大版本。

Haugh 单位由白色蛋白质的年龄相关变化计算，反映了蛋白变薄变化，这与蛋白质蛋白水解和白蛋白 pH 值密切相关。与壳聚糖涂层组相比，WE 组中 Haugh 单位的值下降得更快且总是更低，这表明壳聚糖的有效保护能力。壳聚糖处理组的鸡蛋在 26 天内保持上等 A 级，而 WE 组在第 6 天后降解为 B 级。Ag/TiO 2-CS1 中 Haugh 单位的值在所有处理组中始终最高，表明：（i） Ag/TiO₂ 颗粒的加入有助于与壳聚糖产生协同效应，对涂层稳定和细菌控制更有效;而 （ii） 过量的 Ag/TiO₂ 颗粒会破坏壳聚糖涂层的层状结构，导致保鲜能力变差。根据表 2 中的结果，掺杂 1% （wt） Ag/TiO₂ 颗粒的壳聚糖在减缓蛋白变质方面表现出最佳性能，从而将保质期延长长达 30 天。

储存时间 （天）	Haugh 单位
	我们	银/钛白银 2-CS0	银/二氧化钛 2-CS1	银/二氧化钛 2-CS2	银/二氧化钛 2-CS3
6	73.23±0.68C	80.32±0.59b	83.34±0.12 美元，b	81.60±1.41 个	77.06±0.35 安培
11	69.86±3.25 摄氏度	75.64±1.27b	77.18±2.45A，B	76.05±3.13A，B	74.32±1.41 个
16	67.31±2.43b	73.88±2.06b	75.36±1.34 个	75.61±2.15 安培	71.53±2.18 节
21	62.93±5.32c	71.06±3.88C	73.20±3.09 节	72.94±3.52 个	69.35±1.34A，B
26	58.55±2.89 字节	69.85±1.53 摄氏度	71.85±2.39 个	70.34±4.19a，b	66.21±2.10 安
31	55.24±3.04 节	65.26±0.51 安培	69.31±3.18 个	68.96±1.17 个	62.64±4.03 安
在同一行中，具有不同的上标字母明显不同

表 2：不同种蛋在储存期间的 Haugh 单位变化。

蛋白 pH 值的变化是由 CO₂ 抽空引起的，导致 pH 值随着储存时间的延长而缓慢增加。WE 鸡蛋的蛋白 pH 值在 10 天内急剧增加，并在第 30 天达到 9.5。蛋白质降解为脂肪和蛋白胨导致 pH 值降低。在受到壳聚糖涂层保护后，蛋白的 pH 值在 20 天内呈现类似的趋势，稳定在 pH 值 8.0-8.2 左右。第 20 天后，Ag/TiO_2-CS0 和 Ag/TiO_2-CS1 的 pH 值在 pH 8.2 左右略有波动，Ag/TiO_2-CS2 和 Ag/TiO_2-CS3 的 pH 值稳定在 pH 7.5-8.0 之间。与 WE 组相比，处理组相对稳定的蛋白 pH 值说明了蛋白中 CO₂ 损失的有效减少（图 3）。Ag/TiO₂ 颗粒的添加促进了壳聚糖的稳定性，壳聚糖可以保持良好的稳定性至 31 天（图 4）。

图 3：不同鸡蛋在储存期间蛋白 pH 值的变化。请单击此处查看此图的较大版本。

图 4：Ag/TiO_2-CS 包被蛋壳表面在第 0 天、第 11 天、第 16 天和第 31 天的 SEM 图像。（A） Ag/TiO_2-CS1;（b） 银/TiO_2-CS2;（C） 银/TiO_2-CS3。 请单击此处查看此图的较大版本。

讨论

壳聚糖涂层可以缓解鸡蛋蛋白质质量保存的问题，这已被证明是延长鸡蛋保质期的有效方法。然而，使用单一壳聚糖涂层会产生一些问题，例如不稳定、限制壳聚糖基涂层的保存期和实际应用。值得注意的是，有人提议将特定的抗菌纳米颗粒掺杂到壳聚糖中以进一步延长保质期。在本研究中，成功合成了 Ag/TiO₂ 颗粒并掺杂到壳聚糖涂层中，可将保存期延长至至少 30 天。

SEM 图像用于分析 Ag/TiO₂ 颗粒的结构和形态，以及包衣蛋壳的形态。通过样品的失重、Haugh 单位、蛋白 pH 值和蛋壳形态评价复合涂层的保鲜性能。采用 Ag/TiO₂ 复合材料有助于与壳聚糖产生协同效应，从而进一步延长保存期。

Ag/TiO₂ 复合材料的粒径在100-300 nm范围内（受合成条件控制），可以堵塞蛋壳顶部的孔隙，增强保鲜性能。然而，过量的 Ag/TiO₂ 颗粒会破坏壳聚糖涂层的层状结构，导致保鲜能力降低。

然而，目前本研究中壳聚糖涂层的性能受到现有颗粒种类和浓度的限制，这需要在未来的研究中进行优化。

本研究中的方法展示了新型涂层材料，这些材料可以通过特定的纳米颗粒混合到涂层前驱体中，以实现纳米颗粒和前驱体的结合效果，以及在食品保鲜领域制备新型多功能涂层。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
acetate	Aladdin	64-19-7	GR, 99.8%
Benzenesulfonic acid	Aladdin	03/11/1998	98%
Chitosan	Aladdin	9012-76-4	<200 mPa•s
Deionized water	prepared by ourselves	-	18 MΩ•cm
Electronic precision balance	Sartorius	BSA124S-CW
Ethanol	Aladdin	64-17-5	≥99.8%
Formate	Aladdin	64-18-6	Standard for GC, >99%
pH meter	HeYi	PHS-25
Scanning electron microscope	Hiatchi	SU8010
Silver nitrate (AgNO3)	Aladdin	7761-88-8	≥99.9%
Sodium borohydride (NaBH4 )	Aladdin	16940-66-2	98%
Temperature humidity chamber	YiHeng	LHS-50CH
Titanium butoxide (TBOT)	Aladdin	5593-70-4	CP,98%