（一） 项目简介
本项目以采用自主知识产权技术制备出的不同纳米粒径的纳米淀粉为基材，通过与花青素、纳米纤维素等复合，制备不同特性的pH值响应的纳米淀粉基膜；基于响应面优化设计理论，优化制备工艺，构建机械强度、阻隔性能和pH值响应性都较好的pH值响应功能膜；并研究其在食品新鲜度的检测，评估其在检测肉类、鱼类食品新鲜度智能包装的应用性能，优化其响应特性，为纳米淀粉基pH值响应功能膜在食品新鲜度检测领域应用提供新思路和新方法。
（二） 研究目的
从发展新型高效生物基纳米功能膜技术的需求出发，充分利用淀粉可再生资源，围绕纳米淀粉独特的结构和理化性能，制备对pH值响应的纳米淀粉基功能膜，并将其应用于食品新鲜度的检测，构筑高质量纳米淀粉基pH值响应的功能膜，发展生物基纳米功能膜的新技术和新方法。
（三） 研究内容
1）纳米淀粉基pH值响应功能膜的制备
研究纳米淀粉、花青素、甘油、纳米纤维素等的复配相容性，采用流延法制备纳米淀粉基pH值响应功能膜，并研究不同粒径纳米淀粉、不同用量花青素、不同用量塑化剂、不同的膜增强剂（纳米纤维素）等对膜性能的影响。基于响应面优化设计理论，优化制备工艺，构建机械强度、pH值响应性都较好的纳米淀粉基膜。
2）纳米淀粉基pH值响应功能膜的表征
对制备的纳米淀粉基膜，采用傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射分析等进行表征，探讨成膜性质和机理。
3）纳米淀粉基pH值响应功能膜的应用
将制备的纳米淀粉基pH值响应功能膜应用于猪肉、鱼的新鲜度的检测，评估其在检测肉类、鱼类食品新鲜度智能包装的应用性能，优化其响应特性。
（四） 国、内外研究现状和发展动态
淀粉是一种取之不尽、用之不竭的可再生资源，淀粉基膜材料绿色环保、生物可降解，可缓解合成材料的不可降解性对环境的污染及原料日益枯竭的压力，有益于资源的可持续发展，是生物基多功能膜的主要基材[1]。纳米淀粉是指采用化学、机械或生物等方法将淀粉的粒度降至纳米量级，粒径在1-1000nm[2]，纳米淀粉因其非凡的超分子结构和特殊的特点，如高纯度、高分子量、高结晶度、颗粒粒径小、比表面积大、表面羟基丰富、成膜性能好等[3]，已应用在纳米复合材料、纳米膜、药物载体、造纸等领域[4]。纳米淀粉可分为淀粉纳米晶（starch nanocrystal, SNC）和淀粉纳米颗粒（starch nanoparticle, SNP)，制备纳米淀粉的方法主要有：酸水解法、机械研磨法、高压均质法、超声分散法、化学沉淀法、反相微乳液法、反应挤出法等[5-8]。Angellier等[9]通过添加纳米淀粉提高了热塑性淀粉基膜的强度和阻隔性能；González等[10]研究大豆分离蛋白和纳米淀粉混合制备的纳米淀粉基膜的透明度、均匀性、机械强度和阻水性能均有很大改善；Mukurumbira等[11]研究淀粉膜中添加芋头淀粉纳米晶可显著改善膜的水蒸气透过性和抗张强度；Condés等[12]研究了玉米淀粉纳米晶对苋菜蛋白质膜的增强作用，添加淀粉纳米晶后膜的水蒸气透过性、表面疏水性和力学性能得到了显著改善；Li 等[13]研究向豌豆淀粉膜中添加蜡质玉米淀粉纳米晶能显著增强膜的抗张强度；Abreu等[14]用纳米银颗粒、季氨酸盐和淀粉制备纳米银淀粉基复合膜，该复合膜包装袋抗菌抑菌效果显著；Silva-Pereira等[15]用壳聚糖、玉米淀粉、苔藓提取物制备环境感应型淀粉基复合膜，该膜能根据pH的变化推测出被包装鱼肉的腐败程度；Liu等[16]利用聚乙烯醇、淀粉、花青素、柠檬酸制备淀粉基智能复合膜，该包装膜能智能检测巴氏消毒牛奶的腐败程度，抑制枯草芽孢杆菌、黑曲霉和金黄色酿脓葡萄球菌的生长。
近年来，pH值响应功能膜对环境的响应特性成为膜材料领域研究的热点，在现代食品、药品包装等传统和新兴产业中发挥越来越大的作用[17]。智能包装是一个新兴的食品技术领域，因为受天气，温度等外在条件的影响，食物会变质，而食物变质主要是因为食品pH值发生了变化。pH响应膜的颜色变化可以为检测食品质量变化提供一种简便、直观的方法，智能食品包装膜方面的应用也越来越引起人们的关注。Cláudia Leites Luchese等[18]通过浇铸法用玉米淀粉、甘油和蓝莓粉制成指示膜，在不同pH值的缓冲溶液中浸泡后，发现薄膜的颜色从粉红色(酸性pH)到蓝绿色(中性pH)到黄色(碱性pH)，最后得到指示膜的颜色是受pH影响的；邹小波等[19]利用玫瑰花青素提取物制备可以检测猪肉新鲜度的智能指示膜，采用流延干燥法用淀粉，聚乙烯醇和花青素制成指示膜，通过对指示膜的颜色和猪肉新鲜度的测量，发现随着猪肉的变坏，指示膜的颜色也相应的发生变化，到最后指示膜变成褐色，发现此时猪肉已经完全变坏。说明指示膜在检测肉类食品新鲜度的智能包装上具有比较好的应用潜力；Xiaodong Zhai等[20]利用浇铸/溶剂蒸发法将淀粉，玫瑰花青素和聚乙烯醇制成指示膜，通过用X射线衍射和扫描电镜发现淀粉，聚乙烯醇和玫瑰花青素的相容性好，通过对指示膜的稳定性测量和鱼类新鲜度的测量发现，随着鱼类的变坏，指示膜发生颜色变化，主要是因为鱼类在变坏过程中会不断释放出氨蒸汽，导致指示膜发生颜色变化；Inyoung Choi等[21]用琼脂、马铃薯淀粉和从紫薯、甘薯中提取的天然染料花青素，研制了一种比色pH指示剂膜，通过傅里叶变换红外(FT-IR)和紫外-可见区光谱发现琼脂、淀粉和花青素提取物之间的相容性比较好，通过pH指示膜颜色变化显示猪肉样品的pH变化和腐败点，即pH指示膜的颜色由红色变为绿色，说明研制的这种pH指示剂膜可作为检测食品腐败的诊断工具；Claudia Leites Luchese等[22]利用木薯淀粉、甘油、蓝莓渣和蒸馏水为原料，研制出可生物降解的智能型薄膜，通过在不同pH值的缓冲溶液、模拟物和食品中建立样品浸没后的颜色变化，发现粒径较小的蓝莓渣粉的薄膜比粒径较大的具有更好的变色性能和力学性能，说明研制含农业工业废渣的可生物降解材料作为pH指示剂具有潜在的应用前景。
新型高效生物基纳米功能膜技术及应用是当今功能膜领域研究的热点。本课题采用双螺杆挤压技术成功制备出纳米淀粉，并已获国家发明专利4项（专利号201310468623.7，201310398219.7，201310468497.5，201310398145.7），性能独特，国内首创，以可再生的纳米淀粉生物基材料为基点，制备不同特性的pH值响应的纳米淀粉膜；基于响应面优化设计理论，优化制备工艺，构建机械强度、阻隔性能和pH值响应性都较好的pH值响应功能膜；并研究其在食品的新鲜度的检测，评估其在检测肉类、鱼类食品新鲜度智能包装的应用性能，优化其响应特性，为纳米淀粉基pH值响应功能膜在食品新鲜度检测领域应用提供新思路和新方法。
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（五） 创新点与项目特色
以采用自主知识产权的双螺杆挤压技术制备出的不同纳米粒径的纳米淀粉为基材，通过与花青素、纳米纤维素等复合，制备出成膜性好、强度好、具有pH值响应的功能性膜材料，应用在食品的新鲜度的检测，为纳米淀粉基pH值响应功能膜在食品新鲜度检测领域应用提供新思路和新方法。
（六） 技术路线、拟解决的问题及预期成果
技术路线：
拟解决的主要问题：
（1）如何有效优化各种工艺，制备出强度好，阻隔性好，pH值响应的纳米淀粉基功能膜，是拟解决的主要问题之一。
（2）如何调控纳米淀粉基pH值功能膜的响应机制，使其成功用于猪肉、鱼的新鲜度的检测，是拟解决的主要问题之二。
预期成果：
（1）公开发表学术论文至少1篇。
（2）申请国家发明专利1项。
（3）本实验研究项目涉及纳米淀粉、复合成膜及相关的现代仪器分析表征，能够进一步巩固加深学生所学的基础知识，在此基础上进行创新性实验，进一步培养了学生思考问题、解决问题的能力和提高其创新和实践能力。
（七） 项目研究进度安排
1） 2019.05-2020.04 研究纳米淀粉基pH响应功能膜的制备，并对其进行表征，优化各种工艺条件。
2） 2020.05-2021.05 纳米淀粉基pH值响应功能膜在食品新鲜度检测的应用，公开发表论文一篇，进行项目结题验收。
（八） 已有基础
1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
本项目学生积极参加老师的助研项目，有较好的实验技能基础，并积极参加挑战杯和节能减排大赛，具有一定的创新能力。
本项目学生积极参加“纳米淀粉在涂布纸中的应用研究”“纳米纤维素在绝缘纸板中的应用”，对纳米淀粉性质有较好的理解和掌握，一直在陈启杰老师的课题组开展实验研究，为本实验研究的顺利进行奠定了很好的基础。
2. 已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
（中国）股份有限公司官网拥有湖南省特种纸及纸板工程技术研究中心，湖南省水生资源食品加工工程技术研究中心，实验室拥有先进的实验设备和实验条件，如元素分析仪（德国）、电子显微镜、傅立叶红外光谱仪（日本岛津）、原子力显微镜、高效液相色谱仪、气相色谱仪、凝胶渗透色谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱等大型分析检测设备。UV-2550紫外-可见分光光度计（日本岛津）、Mütek Zeta电位仪（德国AFG）、Mütek胶体电荷测定仪（德国AFG）、恒温恒湿检测室、激光粒度测定仪（济南微纳）、抗张强度测定仪(日本)、水蒸气透过率测定仪、透氧率测定仪、透光率测定仪等实验仪器。为本项目的研究将提供了有利的条件，具备了开展该项目研究的工作条件。
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