食品包装中功能化箔：表面分析

食品包装中功能化箔：表面分析

适用范围：活性食品包装、壳聚糖、PE/PP功能化、Zeta电位、流动电势、表面电荷、SurPASS3、Litesizer 500、ELS

食品包装保护我们的食品免受氧气、水蒸气和紫外线的侵害，以保持质量。此外，它还创建了一层与产品直接接触的层，以防止化学和微生物污染。一般而言，表面性质和表面电荷在表征食品包装用的“智能”箔方面起着关键作用。配备滴定装置的SurPASS 3仪器通过流动电势测量来确定Zeta电位，以开发、分析和控制表面改性。同时使用电泳光散射(ELS)技术，用Litesizer 500对用于表面改性的涂料悬浮液进行分析。

1介绍

食品保鲜、质量维护和安全是食品工业的根本要求。食品包装的发展是为了保护食品免受氧气、水蒸气、紫外线或化学和微生物污染(1)。其中，智能包装提供了创造可生物降解、活性、人类和环境友好的包装的场所，通过使用例如新鲜度、保质期、温度和泄漏的指标或提供KJ和抗氧化功能的特定活性剂(2)。主动包装背后的概念包含了包装、产品和环境之间的相互作用，以延长产品的保质期或提高产品的安全性，同时保持其质量(1)。使用化学KJ剂、抗氧化剂、酶等生物技术产品、KJ聚合物或天然KJ剂(如提取物)等YZ或灭活微生物生长的KJ剂可以显著减少食源性疾病(2)。

研究表明，含壳聚糖的膜和涂层具有KJ性能和微弱的抗氧化活性，延缓了食品的氧化变质(2)。壳聚糖本身是一种线状多糖，由随机分布的β-(1→4)连接的D-氨基葡萄糖和N-乙酰基-D-氨基葡萄糖组成，N-乙酰基-D-氨基葡萄糖是通过碱性溶液处理虾和其他甲壳类动物的甲壳素而形成的(图1)。

图1：壳聚糖的化学结构

与壳聚糖的KJ性能不同，富含挥发性萜类和/或酚类颗粒的油可能会YZ氧化过程，以及广泛的微生物(3)。将这些精油与生物聚合物(如壳聚糖)相结合，将提高包装材料的抗氧化性能和对微生物的YZ作用。

本应用报告通过测定与pH相关的Zeta电位变化(代表固-液界面电荷密度的变化)，对未经处理和活化的包装箔进行了表面表征和比较。因此，采用大分子壳聚糖溶液和含多酚/提取物的壳聚糖纳米粒子对聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)薄膜进行功能化处理。壳聚糖氨基的质子化和酚基的解离被认为是导致铝箔表面具有KJ和抗氧化活性的原因(图2)(2)。

图2：功能化PE和PP箔的示意图

这些结合的化学差异将导致表面电荷的变化，这些变化可以很容易地通过使用SurPASS 3仪器的zeta电位(ζ)测定来描述。SurPASS 3提供了高度自动化的表面改性分析，这些表面改性在智能食品包装的发展中发挥了关键作用。此外，用于实现表面改性的涂料悬浮液必须并行分析。Litesizer 500采用ELS技术，为优化和开发涂料悬浮液提供了一种快速简便的方法。

表1：用于流动电势测量的样品说明

2实验设计

使用配备可调狭缝样品池和横截面为20 mm x 10 mm的样品架的SurPASS 3仪器(图3)，对未涂抹和涂抹PE和PP的聚合物箔(表1)进行ZETA电位分析。

对于流动电势的测量，使用2 mM KCl溶液作为电解质溶液来测定不同箔的Zeta电位。使用集成在SurPASS 3仪器中的滴定装置，初始pH设置为pH10，并且所有进一步的pH调整也是全自动进行的。

图3：配备滴定装置和可调狭缝样品池的SurPASS 3，样品架横截面为20 mm x 10 mm

ELS实验使用配备了流动模块FM10和滴定系统的Litesizer 500进行，以自动设置PHs并创建pH梯度。所有测量都使用欧米伽样品池。

图4：配备流动模块FM10的Litesizer 500

3结果

图5表示未经处理和UV/O3激活的PE箔以及使用壳聚糖和壳聚糖提取纳米颗粒功能化的PE箔的Zeta电位和pH依赖关系。未经处理的PE的zeta电位与pH的关系表明，等电点（ζ=0 mV的水溶液的pH）大约在pH4。在pH4以上，PE-电解质界面由于氢氧化物离子的吸附而带负电荷，而在低pH时，由于H3O+离子的吸附，界面电荷是正电荷。这些pH依赖的zeta电位变化对于聚合物或其他任何没有官能团(4)的疏水材料而言是典型的。

图5：PE和PE功能化箔的Zeta电位随pH的变化

通过UV/O3处理(PE-UV/O3)对PE膜进行表面活化，导致Zeta电位增大，IEP向更酸性的pH值移动。这表明UV/O3处理引入了极性基团，但也可能去除了非极性污染物。

用2%的大分子壳聚糖溶液(PE-CS2%)包覆的箔的等电点移动到pH8.3，表明壳聚糖大分子完全覆盖了PE(5)。用2%壳聚糖溶液和壳聚糖纳米颗粒(PE-CSNP)涂覆的PE箔也有类似的行为。与PE-CS2%相比，等电点向碱性更强的区域移动非常轻微。纳米颗粒提供了较高的比表面积，从而增加了可用质子化官能团的含量，导致了IEP的微弱位移。

对于壳聚糖和壳聚糖纳米颗粒包埋提取物(PE-CSNP-THY，PE-CSNP-ROS，PE-CSNP-CIN)双层包覆的样品，由于提取物的酸性引入，等电点向比PE-CSNP更低的pH方向移动。此外，随着壳聚糖纳米颗粒提取物的释放，执行降低pH，通过IEP向更酸性区域的移动来监测这些提取物在表面的存在(图4)。负Zeta电位的增加也支持了酸性提取物在较低pH值下的可及性增加。

而PE-CSNP-ROS、PE-CSNP-THY和PE-CSNP-CIN样品的等电点位移与各提取物中酚类物质的含量不一致。这表明壳聚糖纳米颗粒提取物不均一且分布不同。表2总结了各种PE箔的等电点。

表2：未经处理和处理的PE和PP箔以及选定的纳米分散体的IEP值。

作为参考，在Litesizer 500上用ELS技术测定了壳聚糖纳米颗粒(CSNP)和含有迷迭香提取物的壳聚糖纳米颗粒(CSNP-ROS)随pH变化的Zeta电位。

图6显示了两个样品的滴定曲线。两种情况下的等电点都被测定到大约pH9.3，这强调并解释了壳聚糖功能化箔的等电点向碱性区域移动。CSNP和CSNP-ROS的等电点一致，说明迷迭香提取物完全包裹在壳聚糖纳米颗粒的内部。

图6：壳聚糖纳米颗粒(CSNP#1和CSNP#2重复)和包裹迷迭香提取物的CSNP的Zeta电位随pH的变化

图7显示了未经处理、UV/O3活化和功能化的PP箔的Zeta电位随pH的变化。纯PP箔具有典型的聚烯烃特征，等电点为pH3.8，Zeta电位与pH几乎呈线性关系。UV/O3活化对PP的Zeta电位的影响大于PE。PP等电点由pH3.8移至pH2.2。另外，负Zeta电位随着酸性基团的引入和污染物的去除而增大。

在PE方面，壳聚糖大分子(PP-CS2%)吸附后，壳聚糖纳米粒子(PP-CSNP)包覆后，等电点明显向碱性方向移动。Zeta电位的变化再次证明了壳聚糖在PP箔表面引入官能团。较低的等电点(pH7.6)与PE-CS2%(pH8.3)相比，表明表面覆盖不完整，但以壳聚糖为主。

有趣的是，壳聚糖纳米颗粒与迷迭香和肉桂的包埋提取物(PP-CSNP-ROS和PP-CSNP-CIN)吸附后，与PP-CSNP相比，等电点没有明显向较低pH方向移动，在pH>IEP时，也没有相似的负Zeta电位值。

PP-CSNP-THY的等电点略有移动至pH6.5。负Zeta电位值也略低于PP-CSNP的负电位值，从而得出结论，THY提取物也很小程度分布在PP表面上。

图5：PP和PP功能化箔的Zeta电位随pH的变化

综上所述，PP和PE箔的Zeta电位结果都表明CS和CSNP与包埋提取物的功能化是成功的。功能化箔的Zeta电位测定进一步证实了箔表面存在生物活性官能团。在包装应用方面，这些官能团与食品接触，是生物活性的驱动力。Zeta电位表明PP和PE的性能存在差异。与PE相比，UV/O3处理增强了PP的活性，从而影响了壳聚糖多酚纳米颗粒涂层与表面的附着力。

4结论

食品的保存、质量维护和防氧化或化学和微生物污染需要通过包装来保证。具有抗氧化和抗微生物活性的智能箔可能为显着减少食源性疾病提供有希望的起点。

为了分析研发过程中实施的表面改性，保证产品质量，更需要对包装材料进行表面表征。

本应用报告展示了SurPASS 3仪器在分析活化PP和PE薄箔的表面改性以表征涂层行为和表面性能方面的能力。此外，Litesizer 500能够快速准确地测定涂料悬浮液的Zeta电位。这两种仪器都伴随着智能包装的整个开发过程，从涂料悬浮液的分析和优化到表面改性材料的表征。