聚乙烯醇基食品包装薄膜疏水阻气改性及抗菌保鲜研究.pdfVIP

摘要

随着食品工业的迅速发展，不可降解塑料包装被广泛使用，随之而来的是白色污染

和微塑料危害问题，已成为影响可持续发展和人类健康的难题。因此，开发可降解的食

品包装已成为目前的研究热点。聚乙烯醇（Polyvinylalcohol，PVA）是一种水溶性良好

的可降解绿色环保聚合物，具有成膜性好、韧性高、耐热性强和透明度高等优势，有望

替代不可降解食品包装塑料。但PVA侧链多羟基的结构，导致其亲水性较强，显著降低

了其在高湿度环境下的力学性能，严重阻碍了其在食品包装中的大规模应用。鉴于此，

本论文以PVA薄膜为研究对象，调研了PVA薄膜疏水、阻气和抗菌改性的国内外研究

进展，根据荷叶仿生学理念，构建了低表面能的粗糙表面，并解析了疏水阻气机制；随

后将疏水涂层以化学接枝方式连接PVA薄膜，解决了亲疏水界面相容性差的难题；然

后将烷基化改性的壳聚糖（Chitosan，CS）负载于PVA薄膜，赋予其抗菌活性并应用于

鲟鱼肉保鲜，揭示贮藏保鲜品质调控机制；最后构建薄膜动态空间网络结构，提升薄膜

在回收利用过程中的机械性能及可回收性。主要研究结果如下：

（1）解析分子间纠缠作用和表面粗糙度对薄膜疏水阻气性能的影响。首次引入单

硬脂酸甘油酯（Glycerolmonostearate，GMS）和纳米硅藻土（Diatomaceousearth，DE）

作为改性剂制备了阻湿、阻气改性的PVA薄膜。研究了复合体系的微观形貌、黏弹特

性、分子间相互作用力、耐湿阻气性能、热力学性能和透光性能，并使用分子动力学模

拟阐明了PVA薄膜疏水阻气机制。研究发现，GMS的双亲性可以与PVA形成分子间氢

键，从而屏蔽PVA侧链的部分羟基，分子间纠缠相互作用提升了共混体系黏弹特性和

热力学稳定性，这有助于增强共混体系的成膜性能和相容性。同时，高比表面积、孔隙

率以及优异阻隔性能的纳米DE可以显著提升薄膜的耐湿阻气性能。与纯PVA薄膜相

比，添加GMS和DE后复合薄膜的表面粗糙度从0.13±0.04μm提高到7.21±0.11μm，

最大高度差从0.47±0.11μm增加到81±2.36μm，吸水率降低了58.58%，水蒸气透过

率降低了84.76%，氧气透过率降低了39.69%。

（2）阐明亲水性PVA薄膜与疏水性硬脂酸（Stearicacid,SA）涂层的界面连接原

理。采用3-氨基丙基三甲氧基硅烷（(3-Aminopropyl)trimethoxysilane,APTMS）作为疏

水改性剂，通过非共价结合和化学接枝的方法，成功实现了亲水性PVA薄膜和疏水性

SA涂层之间的有效连接。系统研究了APTMS在PVA薄膜表面的润洗沉积规律以及对

亲水性PVA薄膜和疏水性SA涂层双向桥接作用的相互关系。对比了纯PVA薄膜、

I

APTMS润洗薄膜和SA涂层复合薄膜的疏水性能、涂层粘合稳定性以及机械性能。通

过扫描电子显微镜、能量色散光谱、红外光谱图、核磁共振氢谱和光电子能谱图结果确

定APTMS在PVA薄膜表面的沉积规律以及APTMS与SA的成功接枝。结果表明，2%

APTMS的润洗有助于PVA薄膜低表面能的改善和SA涂层的稳定粘合。PVA和APTMS

之间的分子间氢键作用以及APTMS和SA之间的化学交联作用，提升了疏水涂层在

PVA薄膜表面的粘合稳定性和耐酸碱腐蚀性，粘结强度增加了3倍以上。APTMS润洗

和SA涂层复合后，疏水接触角值最大为120.77°，吸水率最低为7.81%，水蒸气透过率

2

最低为8.69g/m/h。研究结果为可降解包装薄膜的疏水改性提供了重要的理论基础。

（3）赋予新型PVA薄膜抑菌活性。针对CS抗菌效果较差的问题，通过对其长链

烷基化改性，研发制备了抗菌性能稳定的PVA薄膜。通过结构表征