殼聚糖-肉桂醛復(fù)合抗菌降解膜的制備及性能

曾少甫，胡長(zhǎng)鷹,,*，劉 婧

（1.暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632；2.廣東省普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 室，廣東 珠海 519070）

殼聚糖-肉桂醛復(fù)合抗菌降解膜的制備及性能

曾少甫1，胡長(zhǎng)鷹1,2,*，劉 婧2

（1.暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632；2.廣東省普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 室，廣東 珠海 519070）

為改善殼聚糖膜的抗菌效果，將肉桂醛添加到殼聚糖基膜中制成殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜，研究肉桂醛體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜的物理性質(zhì)、力學(xué)性能、水蒸氣透過(guò)系數(shù)、官能團(tuán)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶程度、微觀結(jié)構(gòu)以及抗菌性能的影響。結(jié)果表明：隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合膜的色差、水蒸氣透過(guò)系數(shù)和斷裂伸長(zhǎng)率減小，膜的厚度顯著增加；當(dāng)肉桂醛體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)， 膜的抗拉強(qiáng)度最大，為（15.77±1.13）MPa；根據(jù)傅里葉變換紅外光譜分析，殼聚糖與肉桂醛有較好的相容性；肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)導(dǎo)致膜表面結(jié)晶程度、裂紋、粗糙程度增加；復(fù)合膜的抑菌性能也隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增大而顯著增大。該研究可為 殼聚糖-肉桂醛復(fù)合降解膜的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

殼聚糖膜；肉桂醛；結(jié)構(gòu)表征；抗菌性

基于合成包裝材料所引起的環(huán)境問(wèn)題，生物降解膜在過(guò)去的二十年里備受關(guān)注[1]。在食品包裝領(lǐng)域，生物基膜因其良好的生物相容性、再生性、無(wú)毒、無(wú)污染及可降解性而部分取代傳統(tǒng)的塑料包裝材料，這已成為一種趨勢(shì)[2-3]。

殼聚糖具有無(wú)毒、可降解和生物相容性等生物功能，同時(shí)具有廣譜抑菌性[4-6]，常被用于人工組織和包裝材料等。但是有研究[7-8]表明，殼聚糖的乙酰化程度、分子質(zhì)量及所處環(huán)境條件影響并限制了其自身抗菌能力。因此研究人員添加不同抗菌劑來(lái)增強(qiáng)殼聚糖生物基膜的抗菌效果[9]。肉桂精油具有很好的抑菌作用[10]，其高效抑菌性是由于其存在的大量肉桂醛成分[11]，同時(shí)，肉桂醛是美國(guó)食品和藥物管理局和我國(guó)認(rèn)可的食品風(fēng)味添加劑[12-13]，可以作為一種安全有效的活性抗菌物質(zhì)應(yīng)用于食品包裝。研制一種具有優(yōu)秀物理性能的殼聚糖-肉桂醛復(fù)合高效抗菌膜具有廣泛應(yīng)用前景。Ojagh等[14]制備了加入不同體積分?jǐn)?shù)肉桂精油的殼聚糖基膜，肉桂精油對(duì)膜的機(jī)械、物理和抗菌性能有一定的影響。課題組制備了殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜，初步明確了其具有抑菌效果，并發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜比例為殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、醋酸體積分?jǐn)?shù)0.75%、甘油體積分?jǐn)?shù)3%、吐溫80體積分?jǐn)?shù)0.5%時(shí)，殼聚糖- 肉桂醛復(fù)合膜各項(xiàng)性能均較好。因此本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步具體研究肉桂醛體積分?jǐn)?shù)對(duì)殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的物理性質(zhì)、機(jī)械性能、微觀結(jié)構(gòu)、膜體表征及抗菌性能的影 響，為課題組后期開(kāi)發(fā)殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖（脫乙酰度≥90.0%）、肉桂醛、甘油（均為分析純） 上海泰坦科技股份有限公司；乙酸（分析純） 廣州化學(xué)試劑廠；吐溫80（分析純） 天津化學(xué)試劑廠；LB營(yíng)養(yǎng)瓊脂、LB肉湯 上海致化化學(xué)科技有限公司；大腸桿菌、金黃色葡萄球菌以及沙門(mén)氏菌均由暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系提供。

1.2 儀器與設(shè)備

成膜器（15 cm×25 cm有機(jī)玻璃板） 自制；SWCJ-1B單人單面凈化工作臺(tái) 蘇州凈化設(shè)備有限公司；PYX-250S-B生化培養(yǎng)箱 韶關(guān)市科力儀器有限公司；CMT2203電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司；DRK204A數(shù)顯厚度測(cè)定儀 山東德瑞克儀器有限公司；PERMATRAN-W3/33透濕儀 美國(guó)Mocon（膜康）公司；UV-1800紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 北京瑞利分析儀器公司；SP64便攜式積分球式分光光度儀 Xrite（上海）股份有限公司；EQUINOX55傅里葉紅外光譜儀、D8 FOCUS型X射線衍射儀 德國(guó)布魯克光譜儀器公司；XL30ESEM掃描電子顯微鏡 荷蘭飛利浦公司。

1.3 方法

1.3.1 殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的制備

稱取一定量的殼聚糖，溶于乙酸溶液中，在溫度為25 ℃條件下磁力攪拌器攪拌，4 h后，殼聚糖完全溶解，甘油作為增塑劑加入殼聚糖溶液中，攪拌混合30 min，吐溫80作為乳化劑協(xié)助肉桂醛分散溶解加入溶液中，攪拌混合30 min，接著將不同體積分?jǐn)?shù)（0.5%、1%、1.5%、2%）肉桂醛加入殼聚糖膜液中，攪拌混合30 min形成殼聚糖-肉桂醛溶液，經(jīng)過(guò)真空泵1 h去除氣泡。利用流延法將成膜溶液（100 mL）在平板玻璃板上于鼓風(fēng)干燥箱中干燥成膜（40 ℃，24 h），所成膜保存于25 ℃、相對(duì)濕度53%環(huán)境的干燥器中48 h，等待檢測(cè)，同時(shí)制備空白殼聚糖膜。

1.3.2 殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜性能的測(cè)定

1.3.2.1 膜厚度

取出干燥器中的殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜，用薄膜測(cè)厚儀在待測(cè)膜上任意取5 點(diǎn)，測(cè)厚度，取平均值。

1.3.2.2 透明度

膜透明度的測(cè)定 參照Park等[15]的方法，利用紫外分光光度計(jì)測(cè)量膜在600 nm波長(zhǎng)處的吸光度，每個(gè)樣品5 次重復(fù)。計(jì)算如式（1）所示：

式中：A600nm為600 nm波長(zhǎng)處的吸光度；d為膜厚度/mm。

1.3.2.3 色差

膜的顏色采用便攜式積分球式分光光度儀進(jìn)行測(cè)量。其中L*表示亮度（由白到黑），a*值表示紅度（正值是紅，負(fù)值是綠），b*值表示黃度（正值是黃，負(fù)值是藍(lán)）。標(biāo)準(zhǔn)板L*=94.87、a*=-1.41、b*=-0.93。總色差用ΔE表示，每個(gè)樣重復(fù)5 次，計(jì)算如式（2）所示[16]：

式中：ΔL*、Δa*、Δb*分別表示樣品顏色參數(shù)與作為標(biāo)準(zhǔn)板白色背景之間的差異。

1.3.2.4 拉伸性能

膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定按GB/T 1040.1—2006《塑料拉伸性能的測(cè)定》[17]進(jìn)行。將平衡好的待測(cè)膜裁成長(zhǎng)150 mm、寬15 mm的試樣，測(cè)量試樣的厚度，將標(biāo)準(zhǔn)試樣在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)定，原始標(biāo)距為100 mm，拉伸速率為50 mm/min，記錄膜斷裂時(shí)的抗張力和伸長(zhǎng)的距離。每個(gè)膜樣做5 次平行。計(jì)算如式（3）、（4）所示：

式中：F為試樣斷裂時(shí)承受的最大張力/N；S為試樣的橫截面積/m2；L0為試樣原始標(biāo)線間距離/mm；L為試樣斷裂時(shí)的長(zhǎng)度/mm。

1.3.2.5 水蒸氣透過(guò)性

使用美國(guó)Mocon透濕儀，測(cè)試溫度為25℃，濕度為（50±1）%，參照文獻(xiàn)[18-19]的方法，滲透性以水蒸氣滲透系數(shù)（10-12g/（m·s·Pa））表示，結(jié)果為平行試樣的算術(shù)平均值。計(jì)算如式（5）所示：

式中：Lp為試樣厚度/m；A為水蒸氣通過(guò)復(fù)合膜的面積/m2；t為測(cè)定間隔時(shí)間/s；Δm為t時(shí)間內(nèi)的水蒸氣透過(guò)量/g；ΔP為膜兩側(cè)的水蒸氣壓差/Pa。

1.3.2.6 傅里葉變換紅外光譜分析

用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)殼聚糖膜及不同比例殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜樣品進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜分析，掃描范圍為500～4 000 cm-1。

1.3.2.7 X射線衍射分析

采用X射線衍射儀對(duì)殼聚糖膜及其不同比例殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜進(jìn)行X射線衍射分析，銅靶，入射線波長(zhǎng)0.154 2 nm，Ni濾波片，管壓40 kV，管流40 mA，掃描角2θ為5°～40°，掃描速率為2°/min。

1.3.2.8 掃描電鏡分析

將膜裁成直徑6 mm大小圓片，膜樣用導(dǎo)電膠固定在銅臺(tái)，然后噴鍍上金箔，加速電壓為3 V，采用高倍掃描電子顯微鏡觀察不同比例殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜。

1.3.3 殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的抗菌性

參照Seydim等[20]的方法，通過(guò)濾紙片抑菌圈法判定殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的抑菌作用強(qiáng)弱，挑取受試菌種為典型的食源性細(xì)菌：大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門(mén)氏菌。將不同肉桂醛體積分?jǐn)?shù)復(fù)合膜裁成直徑6 mm的圓片，在紫外燈下備置，用移液管將0.1 mL菌數(shù)量濃度為106CFU/mL的不同菌菌懸液導(dǎo)入BL營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，涂布均勻，將復(fù)合膜置于平板培養(yǎng)基中央，倒置放于37 ℃培養(yǎng)箱中，24 h后取出，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量抑菌圈的直徑。實(shí)驗(yàn)采用5 個(gè)平行樣品，以不添加肉桂醛的殼聚糖膜為空白對(duì)照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19進(jìn)行方差分析，Duncan多重比較檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性分析（P＜0.05）。采用OriginPro 8.0作圖，所有數(shù)據(jù)以±s的形式給出。

2 結(jié)果與分析

2.1 肉桂醛體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜厚度的影響

如圖1所示，相對(duì)于空白殼聚糖膜，復(fù)合膜厚度隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增加而加大，其厚度范圍為0.09～0.12 mm。這可能是由于肉桂醛分子打亂了原有大分子鏈之間緊密的連接，肉桂醛體積分?jǐn)?shù)越大，膜的結(jié)構(gòu)越松散，導(dǎo)致膜厚增加。

圖1 肉桂醛體積分?jǐn)?shù)對(duì)殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜厚度的影響Fig. 1 Effect of cinnamaldehyde concentrations on the thickness of chitosan composite fi lms

2.2 肉桂醛體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜顏色與透明度的影響

表1 肉桂醛體積分?jǐn)?shù)對(duì)殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜顏色及透明度的影響Table 1 Effect of cinnamaldehyde concentration on the color and opacity of chitosan composite fi lms

從表1可以看出，隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增大，殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的a*值、b*值和ΔE值顯著提高（P＜0.05），只有L*值隨肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增加而顯著（P＜0.05）降低。相比較于空白殼聚糖膜，肉桂醛的加入使殼聚糖膜的顏色發(fā)生了變化，a*值的增加說(shuō)明殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜逐漸變?yōu)榈t色，b*值的變化則說(shuō)明殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜由淺黃色向深黃色變化，色差ΔE值的變化說(shuō)明殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的顏色更加鮮艷，而L*值的減小說(shuō)明復(fù)合膜的亮度變低。綜合上述幾種數(shù)值的變化，殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜呈現(xiàn)出黃色外觀，且隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增加，這種顏色會(huì)越來(lái)越重。同時(shí)，殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的不透明度隨肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增加而顯著增加（P＜0.05），透明度逐漸降低，當(dāng)肉桂醛體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的不透明度為2.17 mm-1，是殼聚糖空白膜的6 倍左右，這說(shuō)明肉桂醛的加入對(duì)殼聚糖膜的透明度有很大的影響。

2.3 肉桂醛體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜拉伸性能的影響

如圖2所示，空白殼聚糖膜的抗拉強(qiáng)度為（6.81±0.67）MPa。隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度增加，使得變形抗力增大；斷裂伸長(zhǎng)率減小，導(dǎo)致復(fù)合膜韌性的減小，復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度最大為（15.77±1.13）MPa。抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率通常與膜網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)和分子間力有關(guān)[21]。肉桂醛的加入使得殼聚糖聚合物和肉桂醛間產(chǎn)生交聯(lián)作用，減少了體積空間和殼聚糖聚合物分子的運(yùn)動(dòng)性，從而導(dǎo)致了殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜層排列成片狀疊加形態(tài)，這種多糖網(wǎng)狀內(nèi)部的

結(jié)構(gòu)不連續(xù)性導(dǎo)致了斷裂伸長(zhǎng)率的減小。另一方面，肉桂醛的增加使成膜過(guò)程中親水基增加，應(yīng)力上升，從而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度增加。

圖2 肉桂醛體積分?jǐn)?shù)對(duì)殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig. 2 Effect of cinnamaldehyde concentration on the tensile strength and elongation at break of chitosan composite fi lms

2.4 肉桂醛體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)的影響

圖3 肉桂醛體積分?jǐn)?shù)對(duì)殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)的影響Fig. 3 Effect of cinnamaldehyde concentration on the water vapor permeability of chitosan composite fi lms

如圖3所示，隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增加，膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)增大，但變化趨勢(shì)不明顯。空白殼聚糖膜表面緊密、光滑，并且無(wú)孔洞或裂紋。肉桂醛的加入引起殼聚糖聚合物結(jié)構(gòu)被破壞，原本緊湊的結(jié)構(gòu)變得疏松。雖然肉桂醛的疏水性質(zhì)可能會(huì)降低膜的水蒸氣滲透性，但是膜的結(jié)構(gòu)變疏松為主要的影響因素，使得水分傳遞通過(guò)復(fù)合膜的可能性大大增加，從而使復(fù)合膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)增大。

2.5 傅里葉變換紅外光譜分析

圖4 添加肉桂醛前后殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig. 4 FTIR spectra of the chitosan composite fi lms with and without addition of cinnamaldehyde

如圖4所示，空白殼聚糖膜以及殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的紅外光譜圖間有明顯的 差異，而不同肉桂醛體積分?jǐn)?shù)復(fù)合膜間差異微小。圖4a中，紅外波數(shù)3 276.14 cm-1處較寬的吸收峰歸屬為O—H伸縮振動(dòng)吸收峰和N—H的伸縮振動(dòng)吸收峰疊加的多重吸收峰，這是因?yàn)槟ひ涸谒嵝詶l件下混合使得殼聚糖 的氨基帶上了電荷（NH3+），膜液中大量游離的羥基和氫容易締合形成分子內(nèi)和分子間的氫鍵，由于氫鍵作用的強(qiáng)弱和鍵長(zhǎng)的不同， 吸收峰出 現(xiàn)了一個(gè)較大的頻率范圍，導(dǎo)致該峰形較寬[22]；2 881.08 cm-1處 的較弱吸收峰為C—H的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 63 4.13 cm-1處出現(xiàn)的峰是酰胺C=O伸縮振動(dòng)吸收峰；1 559.40 cm-1的峰則是由于N—H彎曲振動(dòng)所形成的吸收峰[23]；1 411.05 cm-1處是C—N的伸縮振動(dòng)峰；1 030.88 cm-1處的峰則來(lái)自于C—O—C的對(duì)稱伸縮[24]。當(dāng)殼聚糖和肉桂醛復(fù)合時(shí)（圖4b～e），物質(zhì)間產(chǎn)生波譜峰形變化，如添加2%肉桂醛于殼聚糖（圖4e），3 276.14-1處N—H伸縮振動(dòng)峰向高波數(shù)移動(dòng)到了3 284.10 cm-1，這是由于殼聚糖氨基上H+與肉桂醛OH-形成了氫鍵所致；1 632.28 cm-1處為肉桂醛特征鍵C=O的特征峰，其峰值隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)增加而增大，增大主要是由R—CHO拉伸振動(dòng)與一個(gè)雙鍵共軛所引起[25]；748.67 cm-1和684.70 cm-1處所形成的 峰主要是苯環(huán)中C—H的振動(dòng)吸收和烯烴的振動(dòng)吸收[26]，其值隨體積分?jǐn)?shù)增加而增大；1 411.05 cm-1處的峰移動(dòng)到1 380.34 cm-1，2 881.08 cm-1處的峰移動(dòng)到2 875.58 cm-1，在1 559.40 cm-1處的吸收峰變得越來(lái)越弱，表明鍵能減弱，可能會(huì)影響殼聚糖-肉桂醛力學(xué)性能。

2.6 X射線衍射分析

專家權(quán)威系數(shù)為熟悉程度和判斷系數(shù)的平均值,數(shù)值越高表示專家對(duì)所咨詢內(nèi)容的權(quán)威程度越高[3] 。熟悉程度分為很熟悉、熟悉、一般、不熟悉、很不熟悉5級(jí),依次賦值0.9分、0.7分、0.5分、0.3分、0.1分[4]；判斷系數(shù)依據(jù)包括實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、主觀判斷、國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)、理論分析4方面,按大、中、小3個(gè)等級(jí)分別賦值。經(jīng)計(jì)算，本研究中專家權(quán)威系數(shù)為0.81,認(rèn)為有較高權(quán)威性。

圖5 添加肉桂醛前后殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的X射線衍射譜圖Fig. 5 XRD spectra of the chitosan composite fi lms with and without the addition of cinnamaldehyde

從圖5可知，空白殼聚糖膜衍射角2θ=20°附近出現(xiàn)衍射峰，與強(qiáng)志斌等[27]報(bào)道一致，說(shuō)明殼聚糖膜具有晶體結(jié)構(gòu)。加入肉桂醛后，在位于2θ =10.5°出現(xiàn)弱衍射峰，2θ=5°出現(xiàn)陡坡說(shuō)明該處結(jié)晶度增大，并隨體積分?jǐn)?shù)增加而加大。2θ =20°附近衍射峰值和峰寬明顯變大，說(shuō)明復(fù)合膜晶體中的晶粒在這個(gè)方向的排布增多，粒徑的大小增大[28]，殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的結(jié)晶度明顯增加，這一現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)

的增加而減少，結(jié)晶度增加，使得密度增加，但從掃描電鏡（圖6）來(lái)看，肉桂醛的加入，使復(fù)合膜表面形成由多個(gè)平行排列的具有間隙孔徑的疊片狀，所以結(jié)晶度增加對(duì)于已呈現(xiàn)疏松狀態(tài)復(fù)合膜密度的影響較小，這也可以說(shuō)明在添加肉桂醛后水蒸氣透過(guò)率呈先增大后減小的趨勢(shì)，故復(fù)合膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)增大，Wang Lina[25]、Hosseini[29]等也得到過(guò)相似結(jié)果。

2.7 掃描電鏡分析

圖6 添加肉桂醛前后殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的掃描電鏡圖Fig. 6 SEM image of the chitosan composite fi lms with and without the addition of cinnamaldehyde

利用掃描電鏡放大20 000 倍觀察純殼聚糖膜和殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)。空白殼聚糖膜（圖6a）表面質(zhì)地光滑，無(wú)孔洞和裂紋，結(jié)構(gòu)緊湊，肉桂醛的納入使得原本緊湊膜結(jié)構(gòu)變得疏松，肉桂醛體積分?jǐn)?shù)0.5%和1%的復(fù)合膜表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，并有些許粗糙（圖6b、6c），肉桂醛體積分?jǐn)?shù)1.5%的復(fù)合膜表面裂紋更加加深，并伴有凹洞，粗糙度再度加深（圖6d），肉桂醛體積分?jǐn)?shù)2%的復(fù)合膜表面呈疊放的片狀結(jié)構(gòu)，許多空洞出現(xiàn)，凹凸不平，有層次感（圖6e）。Ojagh[14]、Hosseini[29]、Wang Lina[25]等也獲得過(guò)相似的形態(tài)結(jié)構(gòu)。這一現(xiàn)象表明：肉桂醛的添加嚴(yán)重影響膜表面結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，應(yīng)該控制在適當(dāng)比例。

2.8 復(fù)合膜的抑菌效果

圖7 不同肉桂醛體積分?jǐn)?shù)復(fù)合膜對(duì)微生物的抑菌圈圖Fig. 7 Representative pictures of inhibitory zones of chitosan composite fi lms incorporated with different concentrations of cinnamaldehyde

圖8 不同肉桂醛體積分?jǐn)?shù)復(fù)合膜的抑菌效果Fig. 8 Antibacterial effect of chitosan composite fi lms incorporated with different concentrations of cinnamaldehyde

從圖7、8可以看出，空白殼聚糖膜對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門(mén)氏菌3 種菌均無(wú)抑制作用，可能是由于殼聚糖的分子質(zhì)量、質(zhì)量濃度以及擴(kuò)散性的原因[30]。實(shí)驗(yàn)表明沙門(mén)氏菌對(duì)于肉桂醛敏感性較大，金黃色葡萄球菌次之，大腸桿菌較小。肉桂醛體積分?jǐn)?shù)在1%以下無(wú)明顯差異，隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增加，3 種菌的抑菌圈均逐漸增大。肉桂醛體積分?jǐn)?shù)2%的復(fù)合膜對(duì)于沙門(mén)氏菌抑菌效果最好，且3 種菌抑制效果差異明顯（P＜0.0 5）。據(jù)薛京昌等[31]報(bào)道肉桂醛對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最低抑制濃度為0.4 μg/mL，對(duì)沙門(mén)氏菌的最低 抑制濃度為0.2 μg/mL，可見(jiàn)對(duì)于沙門(mén)氏菌抑菌效果略好。肉桂醛的抑菌機(jī)理主要作用于胞膜，損壞了完整的細(xì)胞膜，致使核酸、蛋白質(zhì)大量泄漏，影響細(xì)胞的正常生長(zhǎng)，從而抑制了細(xì)菌的繁殖[32]。

3 結(jié) 論

本研究利用殼聚糖作為主要原料，添加有效活性抗菌物質(zhì)肉桂醛制備生物降解復(fù)合膜。不同體積分?jǐn)?shù)的肉桂醛對(duì)殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜的物理性質(zhì)、力學(xué)性能、水蒸氣透過(guò)系數(shù)、官能團(tuán)的改變、結(jié)晶程度、微觀結(jié)構(gòu)以及抗菌性能都有一定的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增大，復(fù)合膜的厚度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，水蒸氣透過(guò)系數(shù)提高，色差增大，透明度降低，顏色偏黃。而添加肉桂醛在一定程度上降低了斷裂伸長(zhǎng)率，減小了膜的韌性，但提高了復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度，對(duì)變形抗力增大，復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度最大為（15.77±1.13）MPa，比空白殼聚糖膜顯著提高。由于殼聚糖氨基上H+與肉桂醛OH-形成了氫鍵，肉桂醛體積分?jǐn)?shù)增加，導(dǎo)致

3 276.14 cm-1處N—H伸縮振動(dòng)峰向高波數(shù)移動(dòng)，說(shuō)明肉桂醛與殼聚糖有很好的生物相容性。隨著肉桂醛體積分?jǐn)?shù)的增大，復(fù)合膜表面的結(jié)晶程度、裂紋、粗糙程度增加，許多空洞出現(xiàn)，呈疊放的片狀結(jié)構(gòu)。肉桂醛的添加使得復(fù)合降解膜的抗菌活性得到明顯的改善。綜上所述，本研究所制備的殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜具有較好的物理性能，將深入研究其抗菌效果，開(kāi)發(fā)可以應(yīng)用于真實(shí)食品的包裝抗菌體系。

[1] FERREIRA C O, NUNES C A, DELGADILLO I, et al. Characterization of chitosan-whey protein films at acid pH[J]. Food Research International, 2009, 42(7): 807-813. DOI:10.1016/ j.foodres.2009.03.005.

[2] AZEREDO H M C, MATTOSO L H C, WOOD D, et al. Na nocomposite edible films from mango puree reinforced with cellulose nanofibers[J]. Journal of Food Science, 2009, 74(5): N31-N35. DOI:10.1111/j.1750-3841.2009.01186.x.

[3] HAN J H. Antimicrobial food packaging[J]. Food Technology, 2000, 54(3): 56-65. DOI:10.1533/9781855737020.1.50.

[4] ALLAN C R, HADWIGER L A. The fungicidal effect of chitosan on fungi of varying cell wall composition[J]. Experimental Mycology, 1979, 3(3): 285-287. DOI:10.1016/S0147-5975(79)80054-7.

[5] DARMADJI P, IZUMIMOTO M. Effect of chitosan in meat preservation[J]. Meat Science, 1994, 38(2): 243-254. DOI:10.1016/0309-1740(94)90114-7.

[6] JO C, LEE J W, LEE K H, et al. Quality properties of pork sausage prepared with water-soluble chitosan oligomer[J]. Meat Science, 2001, 59(4): 369-375. DOI:10.1 016/S0309-1740(01)00089-4.

[7] ZHENG L Y, ZHU J A F. Study on antimicrobial activity of chitosan with different molecular weights[J]. C arbo hydrate Polymers, 2003, 54(4): 527-530. DOI:10.1016/j.carbpol.2003.07.009.

[8] DUTTA P K, TRIPATHI S, MEHROTRA G K, et al. Perspectives for chitosan based antimicrobial films in food applications[J]. Food Chemistry, 2009, 114(4): 1173-1182. DOI:10.1016/ j.foodchem.2008.11.047.

[9] BAKKALI F, AVERBECK S, AVERBECK D, et al. Biological effects of essential oils: a review[J]. Food and Chemical Toxicology, 2008, 46(2): 446-475. DOI:10.1016/j.fct.2007.09.106.

[10] 李文茹, 施慶珊, 莫翠云. 幾種典型植物精油的化學(xué)成分與其抗菌活性[J]. 微生物學(xué)通報(bào), 2013, 40(11): 2128-2137. DOI:10.13344/ j.microbiol.china.2013.11.016.

[11] UNLU M, ERGENE E, UNLU G V, et al. Composition, antimicrobial activity and in vitro cytotoxicity of essential oil from Cinnamomum zeylanicum Blume (Lauraceae)[J]. Food and Chemical Toxicology, 2010, 48(11): 3274-3280. DOI:10.1016/j.fct.2010.09.001.

[12] TUNC S, CHOLLET E, CHALIER P, et al. Combined effect of volatile antimicrobial agents on the growth of Penicillium notatum[J]. International Journal of Food Microbiology, 2007, 113(3): 263-270. DOI:10.1016/j.ijfoodmicro.2006.07.004.

[13] 衛(wèi)生部. GB 2760—2011 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

[14] OJAGH S M, REZAEI M, RAZAVI S H, et al. Development and evaluation of a novel biodegradable film made from chitosan and cinnamon essential oil with low affinity toward water[J]. Food Chemical, 2010, 122(1): 161-166. DOI:10.1016/ j.foodchem.2010.02.033.

[15] PARK S I, ZHAO Y Y. Incorporation of a high concentration of mineral or vitamin into chitosan-based fi lms[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2004, 52(7): 1933-1939. DOI:10.1021/ Jf034612p.

[16] TONGNUANCHAN P, BENJAKUL S, PRODPRAN T. Physicochemical properties, morphology and antioxidant activity of film from fish skin gelatin incorporated with root essential oils[ J]. Journal of Food Engineering, 2013, 117(3): 350-360. DOI:10.1016/ j.jfoodeng.2013.03.005.

[17] 全國(guó)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 1040.1—2006 塑料拉伸性能的測(cè)定[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.

[18] ASTM. Standard test method for wat er vapor transssion rate through plastic film and sheeting using a modulated infrared sensor[S]. Philadelphia, PA: American Society for Testing and Materials, 1995: 1137-1141.

[19] MALI S, KARAM L B, RAMOS L P, et al. R elationships among the composition and physicochemical properties of starches with the characteristics of their fi l ms[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2004, 52(25): 7720-7725. DOI:10.1021/Jf049225+.

[20] SEYDIM A C, SARIKUS G. Antimicrobial activity of whey protein based edible films inc orporated with oregano, rosemary and garlic essential oils[J]. Food Research International, 2006, 39(5): 639-644. DOI:10.1016/j.foodres.2006.01.013.

[21] ATARES L, BONILLA J, CHIRALT A. Characterization of sodium caseinate-based edible films incorporated with cinnamon or ginger essential oils[J]. Journal of Food Engineering, 2010, 1 00(4): 678-687. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2010.05.018.

[22] XU Y X, KIM K M, HANA M A, et al. Chitosan-starch composite film: preparation and characterization[J]. Industrial Crops and Produc ts, 2005, 21(2): 185-192. DOI:10.1016/j.indcrop.2004.03.002.

[23] BOURTOOM T, CHINNAN M S. Preparation and properties of rice starch-chitosan blend biodegradable fi lm[J]. LWT-Food Science and Technology, 2008, 41(9): 1633-1641. DOI:10.1016/j.lwt.2007.10.014.

[24] BANERJEE T, MITRA S, SINGH A K, et al. Preparation, characterization and biodistribution of ultrafine chitosan nanopar ticles[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2002, 243(1/2): 93-105. DOI:10.1016/S0378-5173(02)00267-3.

[25] WANG L N, LIU F, JIANG Y F, et al. Syner gistic antimicrobial activities of natural essential oils with chitosan films[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2011, 59(23): 12411-12419. DOI:10.1021/jf203165k.

[26] LI Y Q, KONG D X, WU H. Analysis and evaluation of essential oil componen ts of cinnamon barks using GC-MS and FTIR spectroscopy[J]. Industrial Crops and Products, 2013, 41: 269-278. DOI:10.1016/j.indcrop.2012.04.056.

[27] 強(qiáng)志斌, 陳寅生, 郭華文, 等. 殼聚糖膜的制備及膜性能[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 33(2): 212-215.

[28] WANG L, HE X M, SUN W T, et al. Crystal orientation tuning of LiFePO4nanoplates for high rate lit hium battery cathode materials[J]. Nano Letters, 2012, 12(11): 5632-5633. DOI:10.1021/nl3027839.

[29] HOSSEINI M H, RAZAVI S H, MOUSAVI M A. Antimicrobial, physical and mechanical properties of chitosan-based films incorporated with thyme, clove and cinnamo n essential oils[J]. Journal of Food Processing and Preservation, 2009, 33(6): 727-743. DOI:10.1111/j.1745-4549.2008.00307.x.

[30] 荊迎軍, 郝友進(jìn), 渠暉, 等. 殼聚糖的抑菌活性分析及其抑菌機(jī)理的研究[J]. 中國(guó)抗生素雜志, 2006, 31(6): 361-365. DOI:10.13461/ j.cnki.cja.003748.

[31] 薛京昌, 徐曉怡, 鄭海松. 肉桂醛對(duì)4 種常見(jiàn)細(xì)菌的體外抑菌實(shí)驗(yàn)研究[J]. 檢驗(yàn)檢疫學(xué)刊, 2013(4): 50-53.

[32] 張赟彬, 劉笑宇, 姜萍萍, 等. 肉桂醛對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌作用及抑菌機(jī)理研究[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2015(5): 31-35. DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2015.5.006.

Preparation and Properties of Chitosan-Cinnamaldehyde Biodegradable Antibacterial Composite Films

ZENG Shaofu1, HU Changying1,2,*, LIU Jing2
(1. Department of Food Science and Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 2. Key Laboratory of Product Packaging and Logistics of Guangdong Higher Education Institutes, Zhuhai 519070, China)

To improve the antibacterial effect of chitosan fi lm, cinnamaldehyde was added into it. As a result, we obtained an antibacterial composite film. The effects of cinnamaldehyde concentrations on the mechanical properties, physical properties, water vapor permeability, functional group structure, degree of crystallinity, microstructure, and antimicrobial properties of the composite film were studied. The results indicated that the color aberration, water vapor permeability and elongation at break of the film were decreased whereas the thickness of the film was increased significantly with increasing concentration of cinnamaldehyde (P ＜ 0.05). When the cinnamaldehyde concentration was 2%, the lowest tensile strength (15.77 ± 1.13) MPa was obtained. Fourier transform infrared spectroscopic analysis revealed a better compatibility with chitosan and cinnamaldehyde. Increasing the concentration of cinnamaldehyde led to an increases in crystallinity, crack and roughness of the composite fi lm surface. The antibacterial effi ciency of the fi lm was increased with increasing cinnamaldehyde concentration. The results obtained in this study can provide a new reference for the application of chitosancinnamaldehyde antimicrobial biodegradable composite fi lms.

chitosan fi lm; cinnamaldehyde; structure characterization; antimicrobial activity

10.7506/spkx1002-6630-201610002

TS206.4

A

1002-6630（2016）10-0006-06

曾少甫, 胡長(zhǎng)鷹, 劉婧. 殼聚糖-肉桂醛復(fù)合抗菌降解膜的制備及性能[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(10): 6-11. DOI:10.7506/

spkx1002-6630-201610002. http://www.spkx.net.cn

ZENG Shaofu, HU Changying, LIU Jing. Preparation and properties of chitosan-cinnamaldehyde biodegradable antibacterial composite fil ms[J]. Food Science, 2016, 37( 10): 6-11. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201610002. http://www.spkx.net.cn

2015-08-29

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31571762；21277061）

曾少甫（1990—），男，碩士研究生，主要從事食品包裝安全研究。E-mail：287239844@qq.cm

*通信作者：胡長(zhǎng)鷹（1968—），女，教授，博士，主要從事食品包裝安全、功能食品研究。E-mail：hucy0000@sina.com