壳聚糖基涂层中银/二氧化钛复合材料的功能化及其鸡蛋保鲜性能

摘要

为了提高壳聚糖基涂层的稳定性和可灭菌性，并将特定纳米颗粒的应用拓展到食品保鲜领域，合成了银/二氧化钛（Ag/TiO₂）复合材料以对壳聚糖涂层进行功能化，用于鸡蛋保鲜。通过蛋壳形态、失重率、哈夫单位和蛋清pH值来表征涂层的保鲜性能。

摘要

鸡蛋是蛋白质、矿物质和维生素的优质来源，在全球范围内被广泛作为日常饮食的一部分。然而，蛋壳上存在的微孔和微裂纹会导致水分流失和CO₂逸出，从而加速鸡蛋品质劣变并造成经济损失。为了提高现有壳聚糖基涂膜材料的稳定性和可灭菌性，并开发具有抗菌和保鲜功能的新型多功能纳米复合材料，本研究合成了银/二氧化钛（Ag/TiO₂）复合物，并将其用于改性壳聚糖，以延长鸡蛋的货架期。采用电子显微镜（SEM）图像分析复合颗粒的结构与形貌以及涂膜后蛋壳的表面形态。通过失重率、哈夫单位、蛋清pH值及蛋壳形态等多种指标评估复合涂膜的保鲜性能。引入Ag/TiO₂复合物可与壳聚糖产生协同效应，进一步延长保鲜时间。然而，目前壳聚糖涂膜的性能仍受限于所用颗粒种类及其浓度，未来还需进一步优化。本研究中的方法探讨了通过向涂膜前驱体中添加特定纳米颗粒来制备新型涂膜材料的可行性，旨在实现纳米颗粒与前驱体的协同作用，并推动食品保鲜领域中新型多功能涂膜的研发。

引言

鸡蛋是优质且广受欢迎的蛋白质、无机盐和维生素来源，作为人类营养的重要供给品，在全球范围内被大规模生产和消费^1,2。尽管蛋壳具有天然的保护屏障作用，但在鸡蛋的运输和储存过程中仍过于脆弱，难以保持其完整性。蛋壳上微小的孔隙容易导致蛋清与外界环境之间的气体交换和微生物侵入，从而引起二氧化碳（CO₂）流失以及蛋品质量下降^3,4。此外，蛋壳上的细微裂纹会增加微生物污染的风险。因此，亟需开发有效的鸡蛋保鲜技术，以保障经济效益和人类健康。

目前，鸡蛋保鲜主要有两种途径。第一种方法是灭活蛋壳表面的微生物^5,6,7,8。通过清除蛋壳表面的环境微生物和湿气侵蚀，该灭活过程可延长鸡蛋的保存时间。另一方面，在蛋壳的微小孔隙和裂纹上涂覆特定功能材料，也是一种有效防止蛋清中水蒸气和CO₂流失、并保护蛋壳免受微生物破坏的方法。由于涂膜技术具有操作简便、效果显著且节能的优点，其在鸡蛋保鲜中的应用正受到越来越多的关注。理想的涂膜材料应满足的基本原则包括化学稳定性、有效的通透性、来源广泛以及安全性可靠。目前研究最为广泛的涂膜材料包括油类^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、抗菌活性和安全性而被视为一种常用的涂膜材料¹³。研究表明，壳聚糖涂膜可有效减缓鸡蛋的理化性质变化并抑制微生物污染，是一种高效的鸡蛋保鲜方法。然而，壳聚糖作为一种亲水性聚合物，其水蒸气阻隔性能较差且易吸湿，在高湿度环境中稳定性不佳，这在一定程度上限制了其保鲜效果，并缩短了鸡蛋的货架期。

为解决这一问题并提升壳聚糖的保鲜性能，已将特定纳米颗粒作为添加剂用于壳聚糖基涂层中。其中，纳米银（Ag）作为一种具有抗菌特性的纳米填料¹⁴，已被掺杂到壳聚糖中。添加Ag不仅能增强壳聚糖薄膜的阻隔性能，还能提高其抗菌效果，已有研究证实这可改善涂层的保鲜作用。然而，Ag颗粒易于聚集且结构简单，可能降低壳聚糖薄膜的稳定性和耐久性，而通过沉积特定纳米颗粒已被证实可改善上述问题。二氧化钛（TiO₂）是一种典型的金属氧化物化合物，具有化学稳定性高、毒性低以及成本合理等优良特性。这些功能特性使TiO₂在多个研究领域展现出巨大潜力¹⁵。例如，由于其粘附性和杀菌活性，TiO₂颗粒可作为添加剂用于医疗器械和生物材料中。然而，TiO₂颗粒的实际应用在很大程度上受限于其热力学不稳定性和易团聚倾向。因此，将特定功能材料掺杂入TiO₂中，以实现抗菌活性、分散性及热稳定性的协同增强，已成为一种可行策略。

本研究合成了具有抗菌性能的Ag/TiO₂复合材料，并将其应用于壳聚糖涂膜以实现鸡蛋保鲜。采用扫描电镜（SEM）图像分析Ag/TiO₂颗粒及蛋壳的结构与形貌。通过失重率、哈夫单位、蛋清pH值及蛋壳形态等指标，评估并比较涂膜的保鲜效果。本研究证实了纳米复合壳聚糖涂膜在食品保鲜中的可行性与应用潜力。

方案

1. 纳米Ag/TiO₂的合成₂ 复合材料

1. 制备纳米银溶胶：将 100 mL AgNO₃ 溶液、100 mL 保护剂和 50 mL NaBH₄ 加入 500 mL 烧杯中。
   1. 按体积比 1:1 混合乙酸和甲酸（分析纯），得到 100 mL 复合酸溶液，作为保护剂的前驱体。用去离子水（18 MΩ•cm）将该酸溶液稀释至 500 mL，即得保护剂。
   2. 在剧烈搅拌下，将 AgNO₃ 溶液（0.3 mol/L）加入上述制得的保护剂中，直至 AgNO₃ 溶质均匀分散于保护剂溶液中。加入 0.4 g NaBH₄，室温下反应 1 h，得到分散良好的银溶胶。
      注意：纳米银的粒径可通过步骤 1.1.2 中保护剂的浓度和搅拌速率进行调节。
2. 在搅拌条件下，将银溶胶加入四丁基钛酸酯（TBOT）-乙醇溶液中，然后逐滴加入 80 mL 酸催化剂。
   1. 取 500 μL 苯磺酸（BA）与冰乙酸（AA）混合，得到 BA 与 AA 体积比为 1:2 的混合溶液。将该溶液用去离子水（18 MΩ•cm）稀释至 100 mL，制得酸催化剂。
   2. 将上述制得的银溶胶加入预先分散的四丁基钛酸酯（TBOT）-乙醇溶液（2.5 mL TBOT 溶于 100 mL 乙醇溶液）中，搅拌 1 h，得到混合溶胶。随后，将该溶胶逐滴加入 80 mL 酸催化剂中，在 70 °C 下搅拌 4 h。
   3. 室温下持续搅拌混合物 48 h，得到最终的 Ag/TiO₂ 复合材料。
      注意：剧烈搅拌可能导致溶液飞溅。请使用防护设备以确保安全，例如防护口罩、实验服和手套。上述步骤中对搅拌转速无严格标准。

2. 壳聚糖包被的制备

1. 将壳聚糖溶于1%（体积分数）乙酸中，在25 °C下搅拌24小时，以制备涂覆溶液（确保所得溶液中壳聚糖浓度为0.5%（质量分数））。
2. 分别向悬浮液中加入Ag/TiO₂颗粒（将0、0.5、1和1.5 g的Ag/TiO₂分别加入50 g壳聚糖溶液中），得到0%、1%、2%和3%（质量分数）的Ag/TiO₂-壳聚糖溶液，分别记为Ag/TiO₂-CS0、Ag/TiO₂-CS1、Ag/TiO₂-CS2和Ag/TiO₂-CS3。
   注意：上述步骤中对搅拌转速无严格标准。

3. 扫描电子显微镜（SEM）观察

1. 将实验用蛋壳切割成小片（方形尺寸约为 2-3 mm）。
2. 使用导电胶带（例如双面碳导电胶带或其他类似材料）将蛋壳碎片固定在金属样品台上。样品制备过程中应佩戴手套，以避免手部污染样品。标记样品（例如，使用金刚石笔刻出 L 形划痕）。
3. 或者，可对样品溅射涂覆一层导电材料（厚度约 10 nm），以防止电荷积累效应。
4. 从样品的顶视图获取至少三张高分辨率扫描电镜（SEM）显微图像（理想情况下不少于五张）。确保每张图像显示的区域至少为 25 µm × 25 µm，分辨率为 20 μm。避免在具有宏观表面缺陷的区域拍摄图像。
5. 采用以下 SEM 参数：工作电压为 30 kV。在高性能扫描电子显微镜中使用场发射电子枪时，二次电子图像的分辨率可达 2 nm（离子束电流密度约为 10⁵ A/cm²）。
6. 记录每张图像相对于 L 形标记的精确位置。

4. 卵子保存实验

注意：新鲜产出的卵为来自中国深圳当地农场提供的鸡蛋。

1. 通过剔除表面有裂纹、斑点或沙粒的实验用蛋，筛选实验用蛋，以确保获得良好的蛋类保鲜实验过程。
2. 将新鲜产出的蛋分为五组，每组30枚。设计四组涂膜处理组，分别使用壳聚糖及掺杂0%、1%、2%和3%（质量分数）Ag/TiO₂的壳聚糖进行涂膜处理，依次标记为Ag/TiO₂-CS0、Ag/TiO₂-CS1、Ag/TiO₂-CS2和Ag/TiO₂-CS3。
3. 进行涂膜处理，将蛋浸入不同的涂膜液中5分钟，随后在常温下干燥24小时。以水清洗的蛋（WE）作为对照实验。完成上述处理后，将处理后的蛋储存在25 °C条件下。每隔一段时间取五枚标记好的蛋，测定其失重率、哈夫单位、蛋清pH值及蛋壳表面形貌，以评估和比较各组的保鲜效果。
   1. 通过计算蛋相对于第1天重量减少的百分比，获得蛋的失重率（%）。每5天测量一次各组蛋的重量。
   2. 计算哈夫单位，以关联蛋重与浓蛋白厚度（公式1）¹²。
      HU = 100 log (H-1.7W^0.37+7.6) （1）
      其中H表示浓蛋白高度（mm），W表示蛋重（g）。
      1. 根据哈夫单位的数值，将蛋分为AA级、A级和B级：当蛋的哈夫单位大于72、介于71–60之间、低于60时，分别归为AA级、A级和B级（美国带壳蛋质量标准）。
   3. 将蛋清与蛋黄分离，使用数字pH计测定蛋清的pH值。
   4. 对样品进行铂溅射后，利用扫描电子显微镜观察蛋壳表面的形貌。
      注意：蛋壳为脆性物质，不能承受剧烈冲击，因此需小心操作以避免蛋壳破损。此外，步骤4.3.4的操作与步骤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：不同分辨率下（500 nm）Ag/TiO₂复合颗粒的扫描电子显微镜图像。 请点击此处查看此图的放大版本。

不同蛋样在贮藏期间的失重情况如表1所示。失重持续增加是由于蛋清中的CO₂和水蒸气通过蛋壳上的孔隙逸出所致，这会导致蛋品质下降。WE组蛋样的失重明显高于其他组，表明壳聚糖基涂层对蛋品质具有保护作用。经壳聚糖涂膜处理后，蛋壳上的裂纹明显减少，从而限制了CO₂和水蒸气的流失。

贮藏时间（天）	失重率（wt%）
	WE	Ag/TiO2-CS0	Ag/TiO2-CS1	Ag/TiO2-CS2	Ag/TiO2-CS3
6	0.78±0.09c	0.69±0.09c	0.53±0.12a	0.49±0.21a,b	0.48±0.06a
11	1.85±0.13b	1.54±0.18c	1.34±0.15a	1.28±0.13a,b	1.26±0.21a
16	2.53±0.21b	2.34±0.27c	1.95±0.21b	1.93±0.35a	1.89±0.38a
21	4.01±0.25c	3.63±0.32b	3.21±0.09b	3.18±0.22a	3.09±0.16a
26	4.86±0.34b	4.18±0.25b	4.09±0.39b	4.05±0.29a	3.98±0.21a,b
31	5.62±0.41a	5.01±0.51b	4.76±0.48a	4.69±0.17a	4.58±0.35a
同行中具有不同上标字母的数据之间差异显著。

表1：不同鸡蛋在储存期间失重变化。

此外，掺杂 Ag/TiO₂ 颗粒的壳聚糖涂层在封闭孔隙和形成致密层方面效果更佳，从而显著抑制重量损失。Ag/TiO₂ 颗粒的用量越高，相应涂层在减少 CO₂ 和水蒸气流失方面的效果越强（图 2）。

图2：第0、11、16和31天原始蛋壳表面与壳聚糖处理蛋壳表面的扫描电镜图像。(A) 原始蛋壳表面；(B) 壳聚糖处理的蛋壳表面。请点击此处查看该图的放大版本。

哈夫单位（Haugh unit）根据蛋清蛋白质随存放时间发生的老化变化计算得出，反映蛋清变稀的程度，该变化与蛋白质的蛋白水解作用及卵清蛋白的pH密切相关。与壳聚糖涂膜组相比，去壳蛋（WE）组的哈夫单位下降更快且数值始终较低，表明壳聚糖具有有效的保护能力。经壳聚糖处理的鸡蛋可维持A级品质达26天，而WE组在第6天后即降为B级。在所有处理组中，Ag/TiO₂-CS1组的哈夫单位值始终最高，说明：（i）添加Ag/TiO₂纳米颗粒与壳聚糖产生协同效应，更有利于涂膜稳定和抑菌；但（ii）过量的Ag/TiO₂颗粒会破坏壳聚糖涂膜的层状结构，导致保鲜能力下降。根据表2的结果，掺杂1%（wt）Ag/TiO₂颗粒的壳聚糖处理效果最佳，能最有效地延缓蛋清蛋白质的劣变，从而将货架期延长至最多30天。

储存时间（天）	哈夫单位（Haugh Unit）
	WE	Ag/TiO2-CS0	Ag/TiO2-CS1	Ag/TiO2-CS2	Ag/TiO2-CS3
6	73.23±0.68c	80.32±0.59b	83.34±0.12a,b	81.60±1.41a	77.06±0.35a
11	69.86±3.25c	75.64±1.27b	77.18±2.45a,b	76.05±3.13a,b	74.32±1.41a
16	67.31±2.43b	73.88±2.06b	75.36±1.34a	75.61±2.15a	71.53±2.18a
21	62.93±5.32c	71.06±3.88c	73.20±3.09a	72.94±3.52a	69.35±1.34a,b
26	58.55±2.89b	69.85±1.53c	71.85±2.39a	70.34±4.19a,b	66.21±2.10a
31	55.24±3.04a	65.26±0.51a	69.31±3.18a	68.96±1.17a	62.64±4.03a
同行中具有不同上标字母的数值之间差异显著

表2：不同鸡蛋在贮存期间哈夫单位的变化。

蛋清pH值的变化是由CO₂的逸出引起的，导致pH值随储存时间延长而缓慢上升。WE组鸡蛋的蛋清pH值在10天内迅速升高，至第30天时高达9.5。蛋白质降解为脂肪和胨会导致pH值下降。经壳聚糖涂层保护后，蛋清pH值在20天内呈现相似趋势，稳定在约pH 8.0–8.2。第20天后，Ag/TiO₂-CS0和Ag/TiO₂-CS1组的pH值在pH 8.2左右出现轻微波动，而Ag/TiO₂-CS2和Ag/TiO₂-CS3组则稳定在pH 7.5–8.0之间。与WE组相比，处理组蛋清pH值相对稳定，表明壳聚糖涂层有效减少了蛋清中CO₂的流失（图3）。添加Ag/TiO₂颗粒可增强壳聚糖的稳定性，使其良好稳定性维持至31天（图4）。

图3：不同鸡蛋在储存期间蛋清pH值的变化。 请点击此处查看此图的放大版本。

图4：涂覆Ag/TiO₂-CS的蛋壳表面在第0、11、16和31天的扫描电镜图像。(A) Ag/TiO₂-CS1；(B) Ag/TiO₂-CS2；(C) Ag/TiO₂-CS3。请点击此处查看该图的高清版本。

讨论

壳聚糖涂膜已被证明是延长鸡蛋保质期的有效方法，可缓解鸡蛋蛋白质质量保存方面的问题。然而，单一壳聚糖涂膜存在诸如稳定性差等若干问题，限制了其保鲜周期以及壳聚糖基涂膜的实际应用。值得注意的是，已有研究提出将特定抗菌纳米颗粒掺杂入壳聚糖中，以进一步延长保鲜时间。本研究成功合成了Ag/TiO₂颗粒并将其掺杂到壳聚糖涂膜中，可将保鲜期延长至至少30天。

扫描电子显微镜（SEM）图像用于分析 Ag/TiO₂ 颗粒的结构与形貌，以及涂覆后蛋壳的形貌。通过测定样品的失重率、哈夫单位、蛋清 pH 值和蛋壳形态，评估复合涂层的保鲜性能。采用 Ag/TiO₂ 复合材料可与壳聚糖产生协同效应，进一步延长保鲜期。

Ag/TiO₂ 复合材料的粒径范围为 100–300 nm（由合成条件控制），可堵塞蛋壳顶部的孔隙，从而增强保鲜性能。然而，过量的 Ag/TiO₂ 颗粒会破坏壳聚糖涂层的层状结构，导致保鲜能力下降。

然而，目前本研究中壳聚糖涂层的性能受限于现有的颗粒种类和浓度，未来研究中需要对其进行优化。

本研究中的方法展示了新型涂层材料，可通过将特定纳米颗粒掺入涂层前驱体中，实现纳米颗粒与前驱体的协同效应，从而制备出用于食品保鲜领域的新型多功能涂层。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
乙酸盐	Aladdin	64-19-7	GR, 99.8%
苯磺酸	Aladdin	03/11/1998	98%
壳聚糖	Aladdin	9012-76-4	<200 mPa•s
去离子水	自制	-	18 MΩ•cm
电子精密天平	Sartorius	BSA124S-CW
乙醇	Aladdin	64-17-5	≥99.8%
甲酸盐	Aladdin	64-18-6	气相色谱标准品，>99%
pH计	HeYi	PHS-25
扫描电子显微镜	Hiatchi	SU8010
硝酸银 (AgNO3)	Aladdin	7761-88-8	≥99.9%
硼氢化钠 (NaBH4 )	Aladdin	16940-66-2	98%
温湿度箱	YiHeng	LHS-50CH
钛酸丁酯 (TBOT)	Aladdin	5593-70-4	CP,98%