铋基纳米材料的构筑及其对食品中有害重金属和微生物的清除研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ghw0531
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近年来,我国的食品工业飞速发展,但随之而来的食品安全问题日趋严重。食品在原料、生产、加工、运输和储存等阶段都可能受到各种污染物的侵害,食源性疾病成为对人类健康危害最大的一类疾病。有效去除食品中的污染物成为一项重大紧迫的任务。而传统的污染物清除技术,由于设备造价高,耗能大或效果差等原因,逐渐无法满足生产者的生产需求。因此,研发低成本、高效、环保的处理清除食品污染物的新型技术实现可持续发展,具有很重大的意义。近年来,纳米科学技术迅猛发展,纳米材料由于大比表面积和高表面活性而表现出明显优于其对应的传统材料的性质,给清除食品污染物技术的革新带来机遇。而铋基纳米材料由于其可调的化学形态,具有稳定性、吸附能力、光热转换能力和催化活性等多种优异的性能,很适合食品工业中主要污染物的清除。基于此,本论文根据食品中重金属和微生物两种污染物的特点,研发了一系列性能独特的铋基功能纳米材料,结合所研发纳米材料的优异吸附性能和光学特性,实现了对食品污染物中的重金属和微生物的高效去除。论文主要研究内容和结果如下:(1)海胆状硫化铋空心纳米吸附剂的制备及其对重金属吸附技术研究通过简单的硬模板结合多元醇工艺,制备出高质量海胆状硫化铋(Bi2S3)空心纳米吸附剂。首先通过多种表征技术证明海胆状Bi2S3空心纳米粒子的成功合成。随后通过间歇实验研究吸附剂对Ag+的吸附随时间、溶液p H、温度和Ag+初始浓度的变化规律,对吸附过程进行吸附动力学、吸附平衡等温线和吸附热力学的评价。探究吸附剂在去除过程中结构组成的变化,明确其吸附机理。结果表明,所制备的海胆状Bi2S3空心纳米吸附剂具有良好的比表面积、化学稳定性和吸附性,具有高吸附速率、大吸附容量(1172.25 mg/g)和p H广泛适用(0.4~8)的优势,可以快速有效地移除液态食品中的重金属Ag+,且不会对其他有益离子造成影响,在食品的重金属污染物控制方面表现出了巨大的潜力。(2)芳樟醇/硫化铋复合纳米缓控释抗菌体系的构建及其杀菌性能研究利用海胆状Bi2S3空心纳米粒子的内部空腔,使用热敏相变材料十四醇(1-tetradecanol,TD)将天然抗菌剂芳樟醇(C10H18O,Linalool)载入其中,构建精确控制的抗菌纳米平台(TD/Linalool@Bi2S3复合纳米抗菌剂),并采用多种表征手段证明该复合纳米抗菌体系的构建成功。随后对TD/Linalool@Bi2S3复合纳米抗菌剂的光热性能、光热转换效率、不同温度下抗菌剂的释放以及抗菌剂的响应性缓控释分别进行评价。接着以革兰氏阴性的大肠杆菌和革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌这两种食源性细菌为代表模型,测定TD/Linalool@Bi2S3分别对它们的最小抑菌浓度和最小杀菌浓度,利用梯度稀释法和涂布平板法研究TD/Linalool@Bi2S3的杀菌效率,探究细菌死亡前后的状态变化。结果表明,在近红外(near infrared,NIR)光驱动下,TD/Linalool@Bi2S3复合纳米抗菌剂可有效将近红外能量转化为热能,同时有效释放Linalool,对食源性细菌具有快速有效的体外杀灭效果,在浓度分别为320μg/m L和360μg/m L时,可以对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌达100%的杀灭。此外,该抗菌剂具有低细胞毒性和良好的生物安全性,可以安全快速地杀灭液态食品中的金黄色葡萄球菌,杀菌率可以达到92.87±5.67%,这种TD/Linalool@Bi2S3复合抗菌剂的研发可以为后续开发新型纳米抗菌剂和在食品微生物污染领域应用奠定了基础。(3)金纳米棒/硫化铋核壳纳米抗菌剂的制备及其杀菌性能研究通过中间层转化策略,硬模板结合多元醇的方法制备金@硫化铋(Au@Bi2S3)核壳纳米抗菌剂,并采用多种表征手段证明其成功制备。对Au@Bi2S3核壳纳米抗菌剂的光热性能和光热转换效率进行测定,采用多种探针对产生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)进行评价。随后测定TD/Linalool@Bi2S3分别对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度和最小杀菌浓度,利用梯度稀释法和涂布平板法研究Au@Bi2S3核壳纳米抗菌剂的杀菌效率。结果表明,在近红外光驱动下,具有良好的光热转换性能,同时这种典型的肖特基结构可以提高近红外光触发的电子-空穴对的分离效率,产生可观的ROS,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有协同的光热/光动力抗菌性能,在浓度为140μg/m L和120μg/m L时可以实现彻底灭活。此外,细胞体外实验和小鼠体内实验证明了该纳米抗菌剂的低毒性、良好的生物安全性,可以快速、有效地杀灭液态食品中的食源性细菌,杀菌率达到98.34±6.74%,为解决食品污染物问题提供了新思路与手段。
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