聚乙烯醇活性薄膜中紫薯花青素和納米二氧化鈦的釋放動力學分析

唐智鵬謝 晶陳晨偉

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心， 上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺，上海 201306; 4. 食品科學與工程國家級實驗教學示范中心﹝上海海洋大學﹞，上海 201306)

隨著食品商業化的發展，傳統的食品包裝方法并不總能提供所需的保質期，特別是易腐爛和最低限度加工的食品[1]。目前，具有抗菌或抗氧化特性的釋放型活性包裝薄膜材料作為一種可以改善新鮮食品的穩定性,并延長食品保質期的包裝技術已經受到國內外研究者的廣泛關注[2]。

聚乙烯醇(poly-vinyl alcohol, PVA)是一種合成的水溶性聚合物，具有優異的成膜性、乳化性和黏合性，并且還具有良好的拉伸強度和生物降解性，因此已被廣泛用于包裝材料、生物醫學、家庭和建筑等領域[3-5]。美國農業部[6]還批準PVA用于包裝肉類和家禽產品。國內外研究者[7-9]通過以PVA為基材，并結合不同類型的活性物質，如殼聚糖、納米蒙脫土和天然提取物等，制備具有高物理性能、抗菌和抗氧化性能的活性包裝薄膜。然而，食品是一個多成分的復雜體系，國內外研究者們[7-9]對于活性物質從PVA薄膜中向不同食品體系的釋放情況并未涉及全面，且對于活性物質的釋放規律并未使用嚴謹的數學模型進行擬合表征。

納米二氧化鈦(nanometer Titanium Dioxide, nano-TiO2)由于具有高穩定性、無毒無害性、抑菌性和熱穩定性等優點，已被廣泛地應用于化妝品、建筑、醫藥和食品包裝材料等領域[10-11]。紫薯花青素(purple potato anthocyanins, ANT)是從紫薯的塊根和莖中提取的一種類黃酮化合物，具有優秀的抗氧化活性、抗炎活性、降血壓及抑制肥胖等生理功能[12]，且紫薯花青素的主要成分之一為矢車菊素，其對環境變化的感應較少，性質更加穩定，其成苷化和?；芸梢姽庾V的影響不大[13-14]，故本研究以矢車菊素為參考依據，通過紫外分光光度法判定薄膜中紫薯花青素的釋放情況。

本研究基于PVA材料，并結合納米TiO2和紫薯花青素，通過溶液流延法制備活性包裝薄膜，以紫薯花青素主要成分之一的矢車菊素衡量薄膜中紫薯花青素的釋放情況，通過釋放試驗研究了PVA薄膜中納米TiO2和矢車菊素向水性食品模擬液、酸性食品模擬液、親脂性食品模擬液和油性食品模擬液中隨時間變化的釋放情況，并通過Fickian+一級動力學模型揭示其釋放動力學規律，此項結合數學模型的活性物質釋放研究還未有相關報道。本試驗通過結合釋放動力學模型研究上述2種活性物質在4種食品模擬液中的釋放規律，旨在為今后研發釋放型活性包裝薄膜過程中掌握其活性物質的釋放規律提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 材料和試劑

PVA：聚乙烯醇樹脂，型號100-27(1799)，醇解度為99%，上海精析化工科技有限公司；

納米TiO2：平均粒度為(30±5) nm，銳鈦型納米顆粒，上海邁特化工有限公司；

紫薯花青素(ANT)：純度為30%，西安全奧生物科技有限公司；

甘油、鹽酸、檸檬酸、亞硫酸鈉、硫酸銨、無水乙醇、乙酸、二安替比林甲烷：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

分析天平：BSA224S型，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：HWS28型，上海一恒科學儀器有限公司；

真空干燥箱：DZF-600A型，上海一恒科學儀器有限公司；

紫外可見分光光度計：UV-2100型，尤尼柯(上海)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 包裝薄膜的制備

(1) PVA膠液、PVA-納米TiO2共混膠液和ANT溶液的制備：參考Chen等[15]的方法，并稍作修改。于燒杯中放入22 g PVA樹脂顆粒和200 mL蒸餾水，并置于95 ℃ 恒溫水浴鍋中加熱，持續攪拌溶液直至PVA樹脂顆粒完全溶脹，加入1 mL甘油作為增塑劑并持續攪拌30 min，最終得到PVA膠液。于PVA膠液中加入納米TiO2(相對于PVA干質量的1%)，持續攪拌溶液2 h直至納米TiO2均勻分散于溶液中，最終制備得到PVA-納米TiO2共混膠液。于100 mL錐形瓶中加入紫薯花青素(相對于PVA干質量的3%)和50 mL 鹽酸(pH=3)，于室溫下磁力攪拌2 h，最終制備得到ANT溶液，使用鋁箔紙包裹錐形瓶并置于陰涼處保存。

(2) 純PVA薄膜和ANT-PVA-TiO2活性薄膜的制備：將恒溫加熱器上的玻璃板溫度調至60 ℃，并將制備的PVA膠液倒在玻璃板上。使用間隙高度相同的拉桿均勻涂覆膠液，于室溫下烘干50 min(經預試驗得出該時間)后揭膜，所制備得到的純PVA薄膜放入高阻隔鋁箔袋中備用。將制備的PVA-納米TiO2共混膠液和ANT溶液倒入燒杯中混合，于40 ℃下使用磁力攪拌器攪拌20 min，然后將制備的ANT-PVA-TiO2共混膠液放置于真空干燥箱中1 d以除去共混溶液中的殘余氣泡。將恒溫加熱器上的玻璃板溫度調至60 ℃，并將制備的ANT-PVA-TiO2共混膠液倒在玻璃板上。使用間隙高度相同的拉桿均勻涂覆膠液，于室溫下烘干40 min(經預試驗得出該時間)后揭膜，將所制備的PVA活性包裝薄膜放置于高阻隔鋁箔袋中備用，標記為ANT-PVA-TiO2。

1.3.2 釋放試驗

(1) 薄膜中矢車菊素含量的測定：將厚度均勻的薄膜裁剪成3 cm×3 cm大小，取一片置于250 mL錐形瓶中，加入100 mL 0.1 mol/L檸檬酸水溶液，在40 ℃條件下超聲處理30 min，取5 mL待測液于10 mL容量瓶，并用0.1 mol/L 檸檬酸水溶液定容至刻度線。對照空白組同樣取5 mL待測液于10 mL容量瓶，定容前加入1 mL 10% 亞硫酸鈉溶液。使用錫箔紙包裹，并置于陰涼處靜置10 min。使用UV2100型紫外—可見分光光度計在最大吸收波長518 nm下測定待測樣品的吸光度，基于毛建霏等[16]的研究，參考所得矢車菊素標準曲線，線性方程y=0.055 97x(R2=0.999 75；y為吸光度；x為矢車菊濃度，μg/mL)，最后將測得含量經計算得到薄膜中矢車菊素的總含量。

(2) 薄膜中矢車菊素在食品模擬液中釋放量測定：分別以10%乙醇作為含水食品模擬液、3%乙酸作為酸性食品模擬液(pH≤4.5)、50%乙醇作為親脂性食品模擬液和橄欖油作為油性食品模擬液[17]。取6片厚度均勻的3 cm×3 cm薄膜浸泡入100 mL食品模擬液中，密封，使用鋁箔紙包裹后放于4 ℃環境條件下靜置一段時間后(同時準備19組，0～0.5 h，每隔10 min取一組；0.5～3.0 h，每隔30 min取一組；3～8 h，每隔1 h取一組；往后每隔24 h取一組，連續取5 d)，將薄膜取出并瀝干，按上述測定薄膜中矢車菊素含量的方法，測定浸泡后薄膜中所剩矢車菊素的總含量，經計算得出每個時刻矢車菊素在模擬液中的釋放量。每種食品模擬液做3個平行，取平均值。

(3) 薄膜中納米TiO2向食品模擬液釋放量的測定：基于上述測定薄膜中矢車菊素向食品模擬液中釋放量的試驗，依次從19組浸泡有薄膜的食品模擬液中以相同間隔時間(0～0.5 h，每隔10 min取樣；0.5～3.0 h，每隔30 min 取樣；3～8 h，每隔1 h取樣；往后每隔24 h取樣，連續取5 d)抽取5 mL待測液。參考GB 5009.246—2016 《食品安全國家標準 食品中二氧化鈦的測定》的二安替比林甲烷比色法，制備鈦標準工作液，于紫外分光光度計420 nm 波長處測量其吸光度以得出鈦標準曲線。結合鈦標準曲線，根據二安替比林甲烷比色法測定5 mL待測液中的二氧化鈦含量。最后通過計算得出每個時刻納米TiO2在模擬液中的釋放量。每種食品模擬液做3個平行，取平均值。

1.3.3 釋放動力學模型 參考國內外學者[18-19]關于菲克定律—釋放動力學模型的研究，并基于陳晨偉等[17]和Wang等[20]所建立的釋放動力學模型，采用Fickian結合一級動力學模型模擬材料中活性物質接觸食品后的釋放行為。相對于僅用于描述由濃度梯度而引起布朗運動的Fickian模型，Fickian+一級動力學模型能夠在此基礎上描述薄膜由于局部系統的距離松弛而引發的結構松弛現象[21]。由于本試驗采用食品模擬液浸泡活性包裝薄膜，薄膜存在結構松弛溶脹現象，故采用Fickian+一級動力學模型描述，方程：

M(t)=MF(t)+MR(t)，

(1)

(2)

式中：

M(t)——在t時刻，活性物質從薄膜中釋放到食品模擬液中的量，μg；

MF(t)——在t時刻，活性物質因濃度梯度的影響而從薄膜中釋放到食品模擬液中的量，μg；

MR(t)——在t時刻，活性物質因薄膜結構松弛溶脹的影響而從薄膜中釋放到食品模擬液中的量，μg；

Mp,0——薄膜中活性物質的總量，μg；

MF,∞——薄膜在食品模擬液中達到釋放平衡后，食品模擬液中活性物質的量，μg；

XF——活性物質的釋放機制偏離Fickian定律的衡量參數；

qn——方程tanqn+αqn=0的非零正根；

α——薄膜在食品模擬液中達到釋放平衡后，食品模擬液中活性物質的量與薄膜中活性物質的剩余量的比值；

D——薄膜中活性物質的擴散系數，cm2/s；

L——薄膜厚度，mm；

τ——薄膜彈性形變消失的時間，s。

當XF=1時，方程(2)為Fickian動力學模型，表明當XF接近1時，活性物質的擴散偏向于隨機擴散；當XF=0時，方程(2)為反常擴散，表明當XF接近0時，活性物質的擴散偏向于由于薄膜結構松弛引起的擴散。

1.4 數據處理

試驗數據顯著性分析采用SPSS軟件，釋放動力學模型的擬合和作圖采用Origin 8.5軟件。

2 結果與分析

2.1 薄膜中矢車菊素和納米TiO2向不同食品模擬液中的釋放規律

釋放型活性包裝薄膜的作用機理是將摻入的活性物質釋放到食品或周圍的頂部空間中，其活性物質的釋放程度是衡量釋放型活性包裝薄膜抗菌和抗氧化性能效率的關鍵參數。圖1為薄膜中矢車菊素和納米TiO2在4種食品模擬液中的隨時間變化的釋放規律曲線。由圖1可知，薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液中的釋放速率呈先快后逐漸平緩的趨勢。薄膜中矢車菊素和納米TiO2在95%乙醇(油性食品模擬液)中達到釋放平衡狀態時(約8 h)的釋放比最高，分別為0.966和0.357。當乙醇濃度下降到50%(親酯性食品模擬液)時，薄膜中矢車菊素和納米TiO2的平衡釋放比分別下降到0.833和0.229，這主要是因為隨著乙醇濃度的升高，可使PVA活性薄膜產生最高程度的塑化，增加了PVA分子鏈的移動性，降低了PVA分子鏈的結晶性和削弱了分子之間的范德華力，從而增加了PVA活性薄膜中的矢車菊素和納米TiO2向食品模擬液中的釋放量。這也與乙烯/乙烯醇共聚物薄膜中活性物質向高濃度乙醇溶液中的釋放原理相類似[9]。薄膜中矢車菊素和納米TiO2在3%乙酸(酸性食品模擬液)中達到釋放平衡狀態時的釋放比分別為0.517 和0.159，相對于在10%乙醇(含水食品模擬液)中的釋放比0.25和0.121，有較明顯的增強，這主要是由于薄膜在這兩種食品模擬液中溶脹程度不同引起的，當薄膜與含水量多的食品模擬液接觸時，水分子不斷地向薄膜中擴散，導致薄膜的結構變得松弛，使活性物質更多地從薄膜中逐漸釋放出來。這也與呂飛等[22]和Buonocore等[23]制備的海藻酸鈉薄膜和PVA活性薄膜中的活性物質釋放原理相類似，活性薄膜因浸泡入液體后表現出不同程度的溶脹效果，因此增大了活性物質從薄膜內部釋放出來的機會和途徑，并且在面對不同屬性的食品模擬液時，其釋放比也會相應的進行變化。

圖1 PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2在4種食品模擬液中的釋放規律曲線

2.2 薄膜中矢車菊素和納米TiO2向不同食品模擬液中的釋放動力學模型表征

為了表征薄膜中矢車菊素和納米TiO2的釋放規律，使用了考慮到薄膜溶脹因素的Fickian+一級動力學模型。根據PVA活性薄膜在4種食品模擬液中的釋放試驗數據，使用Fickian+一級動力學模型分別對薄膜中矢車菊素和納米TiO2在4種食品模擬液中的釋放規律進行擬合，表1為經Fickian+一級動力學模型擬合后的模型參數和擬合精度，圖2為薄膜中矢車菊素和納米TiO2在4種食品模擬液中，經Fickian+一級動力學模型擬合后的曲線。

由表1可知，使用Fickian+一級動力學模型擬合薄膜中矢車菊素和納米TiO2的釋放動力學，擬合精度R2均在0.98以上，表明試驗數據和理論Fickian+一級動力學模型的擬合度極高，該模型可以很好地模擬PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液中的釋放規律。采用Fickian+一級動力學模型擬合得到的PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2在4種食品模擬液中的擴散系數均處于同一量級，且數值上呈現95%乙醇(油性食品模擬液)中的D值最大，然后依次為50%乙醇(親酯性食品模擬液)、3%乙酸(酸性食品模擬液)和10%乙醇(含水食品模擬液)。這主要是由于PVA活性薄膜與不同食品模擬液接觸時，薄膜發生了不同程度的塑化和溶脹現象，其活性物質的擴散系數與薄膜的塑化和溶脹程度成正相關。使用Fickian+一級動力學模型擬合得到的偏離參數XF均處于0.87～0.95和0.86～0.92，表明薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液中的釋放以隨機擴散為主導，而因薄膜結構變化導致的釋放為輔。在陳晨偉等[17]的研究中，也發現采用Fickian+一級動力學模型擬合PVA/茶多酚活性薄膜在水中的釋放規律也呈現相類似的結果，且Fickian+一級動力學模型中的擴散系數D能夠很好地定量表征活性物質的釋放速率。

表1 PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液中釋放的Fickian+一級動力學模型參數和擬合精度

圖2 PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液釋放的Fickian+一級動力學模型擬合曲線

3 結論

PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液釋放的速率均呈先快后逐漸平緩的趨勢。對比4種食品模擬液，薄膜中矢車菊素和納米TiO2的擴散系數和釋放比，在95%乙醇(油性食品模擬液)中最高，然后依次為50%乙醇(親酯性食品模擬液)、3%乙酸(酸性食品模擬液)和10%乙醇(含水食品模擬液)。通過Fickian+一級動力學模型擬合PVA活性中矢車菊素和納米TiO2的釋放規律，其擬合精度均高于0.98，說明該動力學模型能夠很好地對PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液的釋放進行表征。

本試驗研究的是在4 ℃貯藏條件下，PVA活性薄膜中活性物質隨時間變化在不同食品模擬液中的釋放規律，但可能也會有其他的條件能影響到活性物質的釋放規律，如溫度、壓力和制備方式等因素，對于如何能夠更好地研究釋放型活性薄膜的釋放規律，還需進一步研究。