淀粉基纳米复合食品包装材料中微结构变化对小分子传质规律的影响

Biodegradable nanocomposite for food packaging is a novel packaging material and stands for the development in the area of international food and biochemical engineering. Nanoparticles could effectively change the microstructure of the material and thus enhance the barrier properties, preventing the small molecules, such as water vapor and oxygen etc., from diffuse through the film matrix. Therefore, the effects should be thoroughly studied of nanoparticles, polymer structures and the interaction between nanoparticles and polymer chain segments on the microstructure of the film material and on the mass transfer of the small molecules, which could provide the theoretical basis for the design for this novel material. The biodegradable starch-based nanocomposites material will be focused on in this project with different aggregation structures via adujusting the microstructure of starch supramolecular system with dispersed nanoparticles. The influences of nanoparticles and starch structures on the aggregation structure and/or polymer chain structure of the packaging materials will be investigated. The mass transfer regulaty describing typical small molecules diffusing within the nanocomposites based on different microstructure will be further elaborated. Finally, based on supramolecular theory, free volume theory and molecular dynamics, the transfer characteristics and control mechanism of these small molecules within this novel packaging material will be analyzed on the molecular, mesoscopic and macroscopic aspects, with the establishment of corresponding models for the purpose of guiding the rational designs for the packaging material.

生物降解纳米复合食品包装材料是国际食品与生物化工领域未来发展的新型包装材料。由于借助纳米粒子能够改变材料的微结构而明显提高该材料对水蒸气、氧气等小分子的阻隔性能，因此，必须深入探讨这类新型材料中纳米粒子与高分子结构特征、纳米粒子与高分子链段等的相互作用对其微结构的影响以及对小分子传质过程的作用规律，为这类新型包装材料的理性设计提供理论依据。本项目选择淀粉基生物降解材料为研究对象，通过调控纳米粒子分散在淀粉超分子体系的微观结构，构建不同聚集态结构的淀粉基纳米复合食品包装材料，探讨纳米粒子结构、淀粉大分子结构等对所构建的新型包装材料聚集态结构和/或高分子链结构的影响，系统研究水蒸气、氧气等典型小分子在这些不同微结构的新型材料中质量传递规律，借助超分子理论、自由体积理论和分子动力学等，从分子、介观及宏观等多尺度解析这些小分子在这类新型包装材料中的传递及其控制机制，建立可以指导理性设计的相关模型。

食品包装材料的阻隔性能由于决定着保障食品品质与安全而备受关注。因此，设计具有良好阻隔性能的食品包装材料，已成为当今食品科学领域中所亟待解决的关键科学问题之一。食品包装材料的阻隔性能是由小分子在食品包装材料中的传质过程所决定的。调节水分子与氧气的阻隔性能，对食品包装材料至关重要。.针对影响水分子与氧气的阻隔性能传质过程和影响机制，采用纤维素纳米晶与棕榈蜡纳米颗粒，通过改变纳米粒子的化学成分、粒径以及长径比构建了不同的淀粉基纳米复合薄膜材料。采用现代分析技术，系统分析了纳米粒子化学成分、粒径、长径比对淀粉基纳米复合薄膜材料中淀粉分子间相互作用、短程有序结构、结晶结构、有序微区结构和水蒸气与氧气的相对透过率的影响规律，构建淀粉基纳米复合薄膜材料多层次结构变化与阻隔性能之间的物理模型，从分子水平研究两者之间的相互影响关系进而揭示调控淀粉基纳米复合薄膜材料阻隔性能的分子机制。研究结果表明，多层次结构对水蒸气与氧气阻隔性能影响的关键结构因素不同。水蒸气为典型极性分子，能够与有序微区结构中非结晶淀粉分子形成氢键结合而进一步塑化淀粉分子。淀粉结晶结构排列密实，水分子不能通过与结晶区中的淀粉分子发生氢键结合而进一步塑化该区域中的淀粉分子。淀粉相对结晶度增大有助于提高复合膜材对水蒸气阻隔性能。但是氧气为典型非极性分子，其无法直接穿越内聚能密度相对较高的有序微区，因此有序微区结构尺寸增大能够增强复合膜材对氧气传递的阻隔性能。.通过该项目的实施，从影响水分子与氧气在生物降解包装材料中传质的材料多层次结构变化出发，获得了采用纳米粒子化学成分、粒径以及长径比作为复合薄膜材料多层次结构为调控手段，调控淀粉基纳米复合薄膜材料的阻隔性能的新方法，并明晰了影响阻隔性能的淀粉基纳米复合薄膜材料多层次结构变化机制，对实现不同阻隔性能的淀粉基纳米复合薄膜材料的理性设计具有重要的学术价值和指导意义。