铜/碳纳米复合材料在食品保鲜中的应用
阅读说明：本技术 铜/碳纳米复合材料在食品保鲜中的应用 (Application of copper/carbon nano composite material in food preservation ) 是由 连崑 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了铜/碳纳米复合材料在食品保鲜中的应用,所述铜/碳纳米复合材料包括具有多孔结构的碳壳以及包裹于所述碳壳中的铜纳米粒子。本发明提供的铜/碳纳米复合材料,具有抑菌和抗病毒的功效,可将食品上的细菌、真菌、病毒和其它微生物总量控制在一定范围内,降低了这些微生物对食品的影响,从而延长了食品保鲜的时间。这种铜/碳纳米复合材料可以对包括肉类、蔬菜、水果、鲜活水产品等多种类的食品进行保鲜,并且能够通过多种形式对食品进行保鲜,适用范围广,且保鲜效果优于同类产品。(The invention discloses an application of a copper/carbon nano composite material in food preservation, wherein the copper/carbon nano composite material comprises a carbon shell with a porous structure and copper nanoparticles wrapped in the carbon shell. The copper/carbon nano composite material provided by the invention has antibacterial and antiviral effects, can control the total amount of bacteria, fungi, viruses and other microorganisms on food within a certain range, and reduces the influence of the microorganisms on the food, thereby prolonging the time for keeping the food fresh. The copper/carbon nano composite material can keep freshness of various foods including meat, vegetables, fruits, fresh and live aquatic products and the like, can keep freshness of the foods in various forms, has a wide application range, and has a fresh-keeping effect superior to that of similar products.)
技术领域
本发明涉及食品保鲜技术领域，具体涉及铜/碳纳米复合材料在食品保鲜中的应用。
背景技术
环境中无处不存在微生物，食物在生产、加工、运输、储存、销售过程中，很容易被微生物污染，进行导致食物腐败。因此，鲜肉、鲜活水产品、水果和食品的无公害保鲜是目前急需解决的一大难题。目前，传统的保鲜方法分为物理保鲜法与化学保鲜法。物理保鲜法，如低温冰冻保鲜、盐渍保鲜等，只能用于短期保鲜，而且不可避免地会改变水产品原有的风味。而常用的化学保鲜法，如添加化学保鲜剂、抗生素，则因不同程度的加入了化学成分越来越受到消费者的排斥。相对而言，生物保鲜剂不但对人体的健康无害，且不改变食品的风味。有些生物保鲜剂的效果甚至超过了化学保鲜剂。因此，研制新型、安全、高效的生物保鲜剂成为了食品研究工作者关注的重点。但是生物保鲜剂往往存在保鲜效果差，使用范围窄等缺陷。涂膜保鲜剂相对于液态保鲜剂在食品表面停留时间更长，可更大程度延长食品的货架期，主要应用于果蔬、肉制品、蛋类等生鲜食品的防腐保鲜。但涂膜保鲜剂对厌氧菌的抑制效果较弱，所以保鲜效果有局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种铜/碳纳米复合材料在食品保鲜中的应用。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供了铜/碳纳米复合材料在食品保鲜中的应用，所述铜/碳纳米复合材料包括具有多孔结构的碳壳以及包裹于所述碳壳中的铜纳米粒子。
进一步地，所述铜/碳纳米复合材料中，铜元素和碳元素的质量比约为1:2-20。其中所述碳壳优选为多孔炭黑。
本发明中，所述铜/碳纳米复合材料优选为铜/碳纳米复合材料。这种铜/碳纳米复合材料在申请日为2007.2.8日，国际申请号为PCT/US2007/061862，国际公布号为WO/2007/095454，发明名称为“CARBON-ENCASED METALNANOPARTICLES AND SPONGES，METHODS OF SYNTHESIS，AND METHODS OF USE”(碳包裹的金属纳米粒子和海绵及其制备方法和使用方法)的专利申请文件中已经公开，其是以植物纤维为模板，金属铜离子为原料，通过加温碳化还原方法制备而成的。这种铜/碳纳米复合材料中，纳米铜均匀镶嵌在多孔炭黑中，且表面具有铜及氧化亚铜的平衡体系，具有独特的可再生功能。这使得该添加剂的铜离子溶出率低，进而生物毒性低，并且即使被代谢排出体外后对环境的污染也小于其他铜源添加剂。
另外，铜/碳纳米复合材料还具有良好的安全性。经过实验证明，铜/碳纳米复合材料符合中国食品安全标准，在FDA推荐的人体微量元素的用量内可以达到控菌、防霉、抑病毒、吸附有机物质，光催化等优异性能。并且无急性毒性，对皮肤和阴道粘膜组织无刺激，铜离子溶出量符合国家饮用水标准。生物毒性低，并且即使被代谢排出体外后对环境的污染也小于其他铜源添加剂，符合中国食品安全标准。
铜/碳纳米复合材料具有抑菌和抗病毒的功效，可将食品上的细菌、真菌、病毒和其它微生物总量控制在一定范围内，降低了这些微生物对食品的影响，从而延长了食品保鲜的时间。
铜/碳纳米复合材料可以通过多种形式对食品进行保鲜，例如，铜/碳纳米复合材料直接添加到食品中作为食品保鲜剂，对食品进行保鲜；同时，铜/碳纳米复合材料还可作为人体必需的铜微量元素的补充剂。优选地，铜/碳纳米复合材料在所述食品中的添加量为0.1wt％-5wt％。
铜/碳纳米复合材料还可以配制成保鲜浸泡液，采用所述保鲜浸泡液浸泡食品以实现保鲜。优选地，所述保鲜浸泡液中，铜/碳纳米复合材料的添加量为0.1wt％-50wt％。经过实验证明，采用铜/碳纳米复合材料处理过的草莓，在10-15℃室温条件下，5天后还没有出现霉菌生长，但对照组草莓出现霉菌斑的时间为两天。
铜/碳纳米复合材料还可以对鲜活水产品进行保鲜，具体的，铜/碳纳米复合材料可以直接添加到鲜活水产品的运输水体中，能够除去水体中的多种水产致病菌和病毒(比孔雀石绿的效果要佳)，同时减少水体中氨氮和磷的含量，增加氧气含量，因此可以提高鲜活水产品在长途运输过程中的存活率。优选地，铜/碳纳米复合材料在所述运输水体中的添加量为0.1wt％-5wt％。
此外，铜/碳纳米复合材料还可以加入到PC、PE等塑料中，制备成保鲜膜，这种保鲜膜覆盖在食品上，也能够起到杀菌、延长保鲜时间的作用。优选地，保鲜膜中铜/碳纳米复合材料的添加量为0.3wt％-10wt％。实验数据表明，这种保鲜膜具有良好的保鲜能力。按国家鲜肉评价标准(GB-ffff)评价，用含铜/碳纳米复合材料的保鲜膜包覆保存的鲜肉，在4℃条件下，保持在一级鲜肉的时间比常规保鲜膜包覆的鲜肉要增加至少7天。用含铜/碳纳米复合材料的保鲜膜包覆保存的水蜜桃，其保鲜效果是目前市场上类似功能保鲜膜中效果最好的。
另外，铜/碳纳米复合材料还可以加入到塑料、纸板箱中制备成保鲜容器，同样也可以对其中的食品起到保鲜的作用。优选地，所述保鲜容器在制作过程中添加的铜/碳纳米复合材料的量为0.3wt％-10wt％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的铜/碳纳米复合材料，含80％左右的生物碳，具有相对大的比表面积(1000-3000m2/g)，可以有效地吸附水果和鲜肉在存储期间分解和释放出的有机分子(通常这些分解产物会加速物品的腐败过程)；同时，本发明的铜/碳纳米复合材料独特的材料结构所生成的Cu-CuO体系为可见光光催化和电化学催化的复合体系，可以及时、有效地分解掉这些物品腐败过程中产生的有机分子，减少、阻断了腐败过程中的自催化过程。因此，与其他的保鲜材料相比，本发明的铜/碳纳米复合材料在保鲜方面具有显著的优势。
2.本发明提供的铜/碳纳米复合材料，可以对包括肉类、蔬菜、水果、鲜活水产品等多种类的食品进行保鲜，并且能够通过多种形式对食品进行保鲜，适用范围广，且保鲜效果优于同类产品。
3.本发明提供的铜/碳纳米复合材料，无毒、对人体无刺激，保鲜使用时在物品上的残留极少，残留材料所含的铜元素量在人体必需的微量元素范围内。
附图说明
图1为实施例1中的草莓在0天、3天和5天的状态图，其中上方为实验组草莓，下方为对照组草莓；
图2为实施例3中的冷鲜肉分别在实验组和对照组的聚乙烯膜的包装下的pH值测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明以下实施例中，所使用的铜/碳纳米复合材料包括具有若干小孔的碳壳以及包裹于碳壳中的铜纳米粒子，铜元素和碳元素的质量比为1:3。具体地，其为申请日为2007.2.8日，国际申请号为PCT/US2007/061862，国际公布号为WO/2007/095454，发明名称为“CARBON-ENCASED METAL NANOPARTICLES AND SPONGES，METHODS OF SYNTHESIS，ANDMETHODS OF USE”(碳包裹的金属纳米粒子和海绵及其制备方法和使用方法)中以植物纤维为模板，金属铜离子为原料，通过加温碳化还原方法制备而成的材料，其中，其制备方法也为该专利中公开的方法。
实施例1：铜/碳纳米复合材料用于草莓的保鲜
1.从市场上购买单个由泡沫网格袋包装的新鲜草莓，从中随机选择8个外观无明显损伤和霉点的用于实验。
2.从8个草莓中随机选择4个作为实验组，剩余4个作为对照组。实验组草莓采用5‰的食品级铜/碳纳米复合材料溶液浸泡5分钟，对照组草莓采用清水浸泡5分钟。
3.将两组草莓分别放入透明塑料盒中，盖上盖子，在10℃～15℃下放置观察。
图1为实施例1中的草莓在0天、3天和5天的状态图。从图中可以看出，第0天时，实验组和对照组的草莓状态良好，新鲜饱满，表面无损伤、无霉点。第3天时，实验组的草莓仍保持良好的状态，而对照组的部分草莓表面已经出现了酶斑。第5天时，实验组的草莓新鲜度仍然良好，未出现霉点，而对照组的部分草莓已经完全霉变。这表明铜/碳纳米复合材料对于草莓具有良好的保鲜效果，能够延长草莓的保存时间。
实施例2：铜/碳纳米复合材料的光催化性能研究
表1铜/碳纳米复合材料光催化分解水体中罗丹明B
表1为自然光条件下，铜/碳纳米复合材料光催化分解水体中罗丹明B的效果。从表中的结果可以看出，在自然光条件下，添加1000ppn纳米铜-碳复合材料在3天内就可以将10ppm罗丹明催化分解到原有浓度的40％，显示出很强的光催化性能。
氧化亚铜也是光敏半导体材料，其禁带宽度为2.2eV，可以被波长小于580纳米的光激发，其光利用效率要比氧化钛高。由于以前很难得到稳定的氧化亚铜(氧化亚铜会很容易继续氧化成氧化铜而失去光催化性能)，因此基于氧化亚铜的光催化一直难以工程化。而本发明独特的纳米铜/碳复合材料可以形成稳定的铜-氧化亚铜平衡体系，该材料可以得到稳定的氧化亚铜，所以其具有效率更高的光催化性能。
本发明的纳米铜/碳复合材料中含有约78％的碳黑，具有较高的比表面积，可以有效地吸附水果和鲜肉在存储期间分解和释放出的有机分子，并通过光催化作用将其分解，因此具备良好的保鲜效果。
实施例3：铜/碳纳米复合材料保鲜膜用于冷鲜肉的保鲜
真空包括冷鲜肉在储存和运输的过程中，由于微生物的接触和入侵，逐渐变质，其肉质本身的pH值发生改变，从而可以通过检测肉质pH值变化对肉的变质腐败做出直观的判断。
本实施例中，分别向聚乙烯中加入0.5wt％、3.5wt％、5.0wt％的铜/碳纳米复合材料，制成聚乙烯保鲜膜，作为实验组(3组)，以普通聚乙烯包装膜作为对照组。取等量的、新鲜度一致的鲜肉，真空包装于上述聚乙烯膜中，并于4℃条件下放置。分别于第0d、2d、5d、6d、7d、10d、17d、21d、27d、35d、42d、47d和51d测试包装膜中鲜肉的pH值，测试标准参照GB/T9695.5-2008，所得结果如表2所示。评价标准为：1级鲜度5.8-6.2，2级鲜度6.3-6.6，变质肉＞6.7。
表2实验组和对照组的pH值测试结果
从表2和图2的结果可以看出，采用普通聚乙烯包装膜包装的冷鲜肉，仅能在17d内保持1级鲜度，在21d内保持2级鲜度，超过21d后会发生变质。而添加0.5wt％Cu/C复合材料的聚乙烯保鲜膜，其包装的鲜肉在21d内保持1级鲜度，在27d内保持2级鲜度。添加3.5wt％Cu/C复合材料的聚乙烯保鲜膜，其包装的鲜肉能够在42d内保持1级鲜度，在47d内保持2级鲜度。添加5.0wt％Cu/C复合材料的聚乙烯保鲜膜，其包装的鲜肉能够在42d内保持1级鲜度，在47d内保持2级鲜度。
由此可知，添加Cu/C复合材料的保鲜膜，能够显著地延长冷鲜肉的保鲜时间，防止其发生变质。其中，Cu/C复合材料的添加量以≥3.5wt％为宜。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。