海藻酸鈉/玉米醇溶蛋白抗菌復(fù)合膜的制備及其性能

劉新新，劉鐘棟*

河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院（鄭州 450001）

食品包裝是食品工業(yè)中的一道重要工序，包裝材料的性質(zhì)，不僅影響食品的運輸、儲藏以及消費者的購物體驗和產(chǎn)品的品牌價值，而且還影響著包裝食品的安全[1]，由此在現(xiàn)代食品工業(yè)中食品包裝材料的相關(guān)研究極為重要。由目前的研究現(xiàn)狀來看，食品包裝膜已由單一成分制膜，發(fā)展成具有多種功能的、由多種生物大分子和脂類制成的多組分復(fù)合膜，這種復(fù)合膜將成膜基質(zhì)的多種優(yōu)點融合，綜合優(yōu)化了膜的多種特性，因此相比于單一基質(zhì)膜在食品工業(yè)中具有更加廣闊的應(yīng)用前景[2]。文中選用的海藻酸鈉是一種具有良好生物相容性的線性多糖，無毒無味，成本低廉，且具備優(yōu)秀的凝膠性與成膜性，制備成膜后薄膜有一定的抗菌性[3]，在食品包裝材料中的應(yīng)用潛力巨大，然而純海藻酸鈉膜質(zhì)脆，強(qiáng)度和彈性不夠，嚴(yán)重限制了其在包裝領(lǐng)域的發(fā)展。而玉米醇溶蛋白膜因為其良好的耐水性、穩(wěn)定性和機(jī)械性能，在食品包裝工業(yè)中的應(yīng)用研究由來已久，將兩種成膜材料以合適比例混合，可以利用蛋白質(zhì)和多糖的靜電吸收和共價交聯(lián)作用[4]，獲得更加穩(wěn)定且物化性質(zhì)和機(jī)械性能更好的復(fù)合膜，關(guān)于這種復(fù)合材料研究目前還較少。

食品儲藏過程中微生物引起的腐敗是影響食品貨架期的重要因素之一[5]，現(xiàn)階段消費市場上的食品防腐抑菌方法普遍是將食品防腐劑直接添加到食品中，隨著人們對于食品安全關(guān)注度的提升，此方法的潛在風(fēng)險性日益突出，并且添加到食品體系中的防腐劑的活性會因發(fā)生中和、分解等一系列復(fù)雜的反應(yīng)而被消耗殆盡，導(dǎo)致防腐劑的效力降低，無法達(dá)到預(yù)期的防腐效果[6]，利用包裝材料的抑菌效果實現(xiàn)食品防腐保鮮效果是現(xiàn)在的研究重點。近年來，在包裝材料中添加可以改變包裝內(nèi)微環(huán)境的物質(zhì)，可控釋放抗菌物質(zhì)的活性抗菌包裝材料相關(guān)研究被爭相報道[7-8]，此法不僅能夠有效抑菌，而且對于食品本身的影響較小。

百里香精油（Thymus monogliousRomm essiential oil）因成分獨特一直是芳香油中的精品，而且其具有天然較強(qiáng)的抗菌和抗氧化特性[9]，近年來成為食品工業(yè)中抗菌劑的理想替代產(chǎn)品，也可添加于包裝材料中用于食品的保藏，但是其應(yīng)用受限于其難溶于水、易揮發(fā)易氧化的性質(zhì)。賈曉云等[10]報道了利用β-環(huán)糊精（β-Cyclodextrin）外親水內(nèi)疏水的立體空腔結(jié)構(gòu)包合留蘭香，從而保護(hù)其有效成分的相關(guān)研究，研究將此包埋技術(shù)應(yīng)用于百里香精油，從而提高百里香精油的抗菌性能利用率。而且有研究報道了β-環(huán)糊精的緩釋功能，此方法也能大大延長其抗菌作用時間，延長貨架期，為百里香精油在食品抗菌包裝的應(yīng)用擴(kuò)大了范圍[11]。通過添加制得的百里香精油活性抗菌包合物，控制抗菌成分釋放，再加上海藻酸鈉本身即具有一定的抗菌性能，這種復(fù)合活性抗菌膜的抗菌效果具有巨大的研究潛力。

研究將海藻酸鈉和玉米醇溶蛋白制備復(fù)合包裝膜，通過考量不同配比下膜的物化性能、機(jī)械性能和電鏡掃描結(jié)果，選出最佳配比，進(jìn)而運用環(huán)糊精包合技術(shù)對百里酚精油處理制得緩釋抗菌顆粒加入到最佳配比的成膜液中，獲得一種活性抗菌復(fù)合膜，以期開發(fā)出具有活性抗菌和機(jī)械性能較好的復(fù)合食品包裝膜，為食品包裝材料更深入的研究打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海藻酸鈉（天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）；玉米醇溶蛋白（日本昭和產(chǎn)業(yè)株式會社）；百里酚精油（新疆盛瀾香料有限責(zé)任公司）；β-環(huán)糊精、甘油、硝酸鉀（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；大腸桿菌、金黃色葡萄球菌（河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院）；試驗用水為超純水。

SHZ-B水浴恒溫振蕩器、SPX-250B-Z智能型生化培養(yǎng)箱（上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；精密定時電動攪拌器（金壇市華峰儀器有限公司）；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱（成都特思特儀器有限公司）；B-290小型噴霧干燥儀（瑞士BUCHI有限公司）；UV-2600型紫外分光光度計（日本島津公司）；TA.XT Plus物性測試儀（英國Stable Micro Systems公司）；外徑千分尺（日本三豐儀器）；Quanta-250型掃描電子顯微鏡（美國FEI公司）；HVE=50高壓蒸汽滅菌鍋（北京市永光明醫(yī)療儀器公司）；VS-1300超凈工作臺（蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 復(fù)合膜制備及性質(zhì)表征

1.2.1.1 復(fù)合膜的制備

將海藻酸鈉溶解在70℃的熱水中，連續(xù)攪拌直至完全溶解，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的海藻酸鈉溶液；將玉米醇溶蛋白溶解在60℃的體積分?jǐn)?shù)90%乙醇水溶液中攪拌至完全溶解，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的玉米醇溶蛋白溶液。在25℃恒溫條件下，將玉米醇溶蛋白溶液與海藻酸鈉溶液分別以體積比0∶1，1∶1，2∶1，3∶1混合均勻，依次編為1號、2號、3號、4號樣品，同時各添加1 g/100 mL的甘油作為增塑劑，用電動攪拌器（300 r/min）定時攪拌30 min。攪拌均勻后將20 mL的成膜溶液迅速鋪攤在亞克力平板（12 cm× 12 cm）上，于干燥箱（40℃）中放置16～24 h后揭膜，最后將復(fù)合膜置于裝有飽和溴化鈉的干燥器中平衡48 h（相對濕度58%）[12]。

1.2.1.2 物理性能測定

選擇平整、干燥均勻的膜樣品，用千分尺隨機(jī)測量五個點位的膜厚度，取其平均值作為膜樣品的厚度[13]。

透光率的測定參照Weng等[14]的方法。選取厚度均勻的復(fù)合膜樣品，將膜切割成30 mm×10 mm條狀，垂直緊貼內(nèi)壁放入比色皿，膜樣品與比色皿內(nèi)壁無氣泡，比色皿放入紫外-可見分光光度計中，分別測定400，500，600，700和800 nm下的透光率，以不貼膜比色皿為空白對照。

水蒸氣透過率參照Srinivasa等[15]的擬杯式方法測定，并略作修改。室溫條件下，準(zhǔn)確稱取10 g干燥硅膠放入40 mm×20 mm稱量瓶中，以提供相對濕度0%的環(huán)境。選取光滑平整的復(fù)合膜樣品測量其厚度后，緊密覆蓋在稱量瓶口，迅速稱量覆膜后稱量瓶質(zhì)量。將已稱質(zhì)量的稱量瓶放入底部為KNO3飽和溶液（相對濕度90%，25℃）的干燥器內(nèi)，保證膜兩側(cè)的水蒸氣壓差。每隔一定時間取出稱質(zhì)量，直至前后2次的質(zhì)量增加率小于5%為止，稱量3次，計算平均值。以式（1）計算復(fù)合膜的水蒸氣透過率：

式中：WVP為水蒸氣透過率，g·mm·m-2·h-1·kPa-1；Δ為m樣為品穩(wěn)膜定的后面的積質(zhì)，量m增2；加Δ量t為，測g；量d間為隔膜時厚間度，hm；mΔ；p為A膜兩側(cè)的水蒸氣壓差，kPa。

1.2.1.3 機(jī)械性能測定

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率參考劉少博等[16]的方法，選擇均勻，平整，無瑕疵的復(fù)合膜，裁剪成長40 mm×30 mm的長方形樣品，用質(zhì)構(gòu)儀測定采用測定，測定條件：測前速度3.0 mm·s-1；測試速度1.0 mm·s-1；測后速度10.0 mm·s-1。每個樣品測試3次取平均值，以公式（2）和（3）分別計算膜的斷裂伸長率和抗拉強(qiáng)度：

式中：E為斷裂伸長率，%；l0為復(fù)合膜樣品長度，mm；l為復(fù)合膜斷裂時長度，mm。

式中：TS為抗拉強(qiáng)度，MPa；F為復(fù)合膜斷裂時承受的最大拉力，N；d為膜厚度，mm；w為膜寬度，mm。

1.2.2 抗菌復(fù)合膜的制備、表征及抗菌活性檢測

1.2.2.1 抗菌復(fù)合膜的制備

參考Phunpee等[17]和曾張福等[18]的方法，適當(dāng)改良后制備環(huán)糊精-百里香精油抗菌包合物。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.02%的β-環(huán)糊精水溶液；加入百里香精油，精油質(zhì)量與β-環(huán)糊精質(zhì)量比為0.8∶1，恒溫55℃振蕩24 h后噴霧干燥。噴霧干燥的條件：進(jìn)風(fēng)溫度150℃，壓縮空氣壓力0.5 MPa，進(jìn)料速率15 mL·min-1，空氣流量20 m3·h-1。

在25℃恒溫條件下，將3%的海藻酸鈉溶液與1%的玉米醇溶蛋白溶液以體積比1∶1混合均勻，加入1 g/100 mL的甘油作為增塑劑，分別加入0.0%，0.1%，0.3%和0.5%質(zhì)量比抗菌包合物，按1.2.1.1的方法混勻，干燥成膜并保存。

1.2.2.2 抗菌活性檢測

選用最常見的革蘭氏陰性菌-大腸桿菌和革蘭氏陽性菌-金黃色葡萄球菌，測試抗菌復(fù)合膜的抗菌性能，測試方法參考喻弘等[19]的抑菌圈法。樣品膜用打孔器裁剪成直徑3 cm的圓片并進(jìn)行2 h紫外滅菌，配置好的馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基液，培養(yǎng)皿一起放入滅菌鍋中（121℃，20 min）。超凈工作臺中將培養(yǎng)基液倒入培養(yǎng)皿中，半凝固狀態(tài)放入滅菌樣品膜，完全凝固后以涂布方式向培養(yǎng)皿中接入1 mL大腸桿菌懸浮液。分別37℃恒溫培養(yǎng)24 h后，觀察菌體生長情況并測量抑菌圈的直徑記錄。

1.2.3 微觀結(jié)構(gòu)觀察

將樣品固定于銅柱體上，通過濺射器分別對膜的兩面進(jìn)行噴金處理后，利用掃描電子顯微鏡觀察樣品膜的表面微觀結(jié)構(gòu)，加速電壓為3 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白比例對復(fù)合膜物理性能的影響

由表1可知，海藻酸鈉和玉米醇溶蛋白的比例對于復(fù)合膜的厚度幾乎無明顯影響。有研究報道[20]，成膜液的體積與鋪開面積的比例直接影響膜的厚度，此次試驗測試樣品膜是以20 mL成膜液，均勻鋪在12 cm×12 cm的平板上制成。膜的厚度是影響其使用范圍的重要物理性能，通過以上結(jié)果，說明海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白復(fù)合膜可以根據(jù)需求厚度，改變工藝制膜而不受海藻酸鈉與玉米醇溶蛋白比例的影響。通過水蒸氣透過率的變化趨勢可以看出，復(fù)合膜的水蒸氣透過率明顯低于單一海藻酸鈉膜，且隨著玉米醇溶蛋白比例的增加，復(fù)合膜的水蒸氣透過率逐步降低，這可能是由于兩種物質(zhì)共混后發(fā)生反應(yīng)，使得海藻酸鈉有效的親水基團(tuán)減少，從而水蒸氣透過率呈現(xiàn)下降趨勢。水蒸氣透過率越小，說明復(fù)合膜阻隔水蒸氣逸散的能力越強(qiáng)，更能有效保護(hù)食品中的水分，保鮮效果越佳。

表1 海藻酸鈉和玉米醇溶蛋白復(fù)合比例對膜厚度和水蒸氣透過率的影響

由圖1可知，在可見光區(qū)400～800 nm時，隨著波長的增大，所有膜的透光率均增大；純海藻酸鈉膜的透光率范圍在40%～60%之間，復(fù)合膜的透光率在20%～40%之間，復(fù)合膜的透光率普遍低于單一海藻酸鈉膜在各個波長范圍內(nèi)，且隨著玉米醇溶蛋白添加量的增加，透光率略有降低，無明顯差異，這可能是因為玉米醇溶蛋白的加入破壞了海藻酸鈉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了膜的透光率降低，且1號樣品已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的光阻效果，雖然可能會影響膜外觀，但是也增加了其在避光保存中的應(yīng)用可能性。

圖1 海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白復(fù)合膜透光率

2.2 海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白比例對復(fù)合膜機(jī)械性能的影響

食品包裝材料，在應(yīng)用、運輸過程中都需要具有抵抗一定外力的作用，膜的機(jī)械性能在一定程度上可反映其對食品物理保護(hù)的能力。一般情況下，可通過抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率表示其機(jī)械性能強(qiáng)弱，數(shù)值越大其阻隔外力的性能越好。圖2和圖3分別是不同比例海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白4種樣品復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度試驗結(jié)果和斷裂試驗結(jié)果。如圖所示，純的海藻酸鈉膜的抗拉強(qiáng)度為1.39 MPa，斷裂伸長率為16.91%，當(dāng)添加玉米醇溶蛋白比例為1∶1后，膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大3.75 MPa，斷裂伸長率達(dá)到最大42.13%，機(jī)械性能有了大幅度明顯提高，但是繼續(xù)增加玉米醇溶蛋白添加量后，即呈現(xiàn)逐步下降趨勢，但是海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白復(fù)合膜（2號、3號和4號）的機(jī)械性能任然要高于單一海藻酸鈉膜。分析原因可能是因為海藻酸鈉是分子量較大的長鏈多糖，由于糖鏈分子在轉(zhuǎn)動時需要較大的體積從而更容易與其他分子發(fā)生碰撞，從而破壞力學(xué)結(jié)構(gòu)，加入的玉米醇溶蛋白與海藻酸鈉有了交聯(lián)作用，形成更加彈性致密的平面結(jié)構(gòu)，遂更加穩(wěn)定。在兩者添加比例為1∶1時，兩者交聯(lián)作用達(dá)到平衡，繼續(xù)增加玉米醇溶蛋白添加量，反而破壞了平衡，兩者自身的成膜性質(zhì)起了主導(dǎo)作用，遂性能下降。以上結(jié)果說明玉米醇溶蛋白的加入改善了海藻酸鈉基包裝膜的力學(xué)性能，且在兩者混配比例為1∶1時阻隔外力效果最好。

圖2 不同比例海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白膜的拉伸試驗結(jié)果

圖3 不同比例海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白膜的斷裂試驗結(jié)果

2.3 復(fù)合膜掃描電鏡分析

圖4所示為不同比例復(fù)合膜的掃描電鏡微觀形貌圖，通過觀察可知，相比其他復(fù)合膜，1號膜中較多孔隙，這也與上面的水蒸氣透過率數(shù)據(jù)相對應(yīng)，說明純的海藻酸鈉具有一定成膜性，但是結(jié)構(gòu)不夠緊密，這也可能是機(jī)械性能較低的原因。2號膜最為平滑光整無裂痕，孔隙也較少，3號膜和4號膜，出現(xiàn)明顯顆粒粗糙表面，且4號復(fù)合膜出現(xiàn)裂痕，說明過多添加的玉米醇溶蛋白與海藻酸鈉相容性不好。表面光整度大大影響著包裝膜的使用外觀，同時微觀結(jié)構(gòu)也從另一方面呼應(yīng)解釋了復(fù)合膜物理性能和機(jī)械性能的差異，再次說明當(dāng)玉米醇溶蛋白成膜液與海藻酸鈉成膜液配比為1∶1時，膜的綜合性質(zhì)最好，因此選擇此比例膜進(jìn)行后續(xù)抗菌膜的制備試驗。

圖4 不同比例海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白膜的掃描電鏡鏡像

2.4 不同含量抗菌包合物復(fù)合膜掃描電鏡分析

從圖5可以看出，抗菌包合物對膜的表面光整度產(chǎn)生了一定影響，膜表面出現(xiàn)顆粒物，說明β-環(huán)糊精較好的包合了百里香抗菌精油沒有出現(xiàn)溶解破碎在膜表面的情況，這樣更有利于抗菌物質(zhì)的緩慢釋放。在抗菌包合物添加量為0.3%時，膜表面出現(xiàn)了聚合大顆粒，可能是因為抗菌包合物的添加量超過復(fù)合膜的包容性，可能被膜液再次包合，形成更大顆粒，對膜的使用外觀產(chǎn)生較大影響。說明在保證抗菌性能的條件下，適量添加百里香精油抗菌包合物，更有利于保持其平整外觀和抗菌物質(zhì)的活性釋放。

2.5 不同含量抗菌包合物復(fù)合膜抗菌性能分析

抑菌圈的直徑大小與膜的抗菌性能成正比，抑菌圈越大，抗菌性能越好。由圖6可以看出，百里香精油抗菌復(fù)合膜對于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有一定程度的抑菌作用，相同添加量的抗菌復(fù)合膜對于金黃色葡萄球菌效果要略好于大腸桿菌，此結(jié)果與裴海閏等[21]對于百里香精油抗菌效果的研究結(jié)果一致。在最少添加量0.1%時抗菌復(fù)合膜已表現(xiàn)出對2種菌的抑制生長效果，說明其可以在較少添加量下達(dá)到抗菌效果，且隨著抗菌精油包合物含量的增加，膜的抗菌性能呈增加趨勢。實際應(yīng)用中可以根據(jù)抑菌需求制備不同抗菌效用的包裝材料，綜合抗菌包合物對膜表面平整性的影響，0.2%的添加量即可以同時滿足抗菌和良好外觀的要求。

圖5 不同添加量百里香包合物復(fù)合膜的掃描電鏡鏡像

圖6 不同百里香精油包合物復(fù)合膜的抑菌性能

3 結(jié)論與討論

從復(fù)合膜的海藻酸鈉和玉米醇溶蛋白的配比上分析，相比單一海藻酸鈉膜，海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白復(fù)合膜具有更好的水蒸氣阻隔性和避光性，玉米醇溶蛋白的加入改良了海藻酸鈉膜的吸水性和透明程度，隨著復(fù)合膜中玉米醇溶蛋白比例的增加，透光率逐漸升高，從包裝膜的使用上分析，這種性質(zhì)將大大有利于需要避光保存的食物的包裝。兩者之間的交聯(lián)作用也改善了海藻酸鈉膜的機(jī)械性能，抗拉效果和斷裂伸長率均有了明顯提高，由試驗數(shù)據(jù)說明，當(dāng)復(fù)合膜的海藻酸鈉和玉米醇溶蛋白配比為1∶1時，復(fù)合膜具有最佳物理性能和機(jī)械性能，此時的復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大3.75 MPa，斷裂伸長率達(dá)到最大42.13%，在使用感上表現(xiàn)為更加強(qiáng)韌柔軟。從復(fù)合膜的掃描電鏡圖像可以合理解釋這種交聯(lián)作用形成的較為穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對于物理性能和機(jī)械性能的變化及趨勢，并且通過表面平滑程度比較，當(dāng)膜液配比為海藻酸鈉成膜液：玉米醇溶蛋白成膜液為1∶1時，復(fù)合膜具有最佳性能和外觀。在最佳配比制得的復(fù)合膜中加入百里香精油抗菌包合物，對于膜表面的光滑程度產(chǎn)生了一定影響，這與包合物的顆粒大小有關(guān)，隨著抗菌包合物添加量的增加膜表面逐漸粗糙。由其抗菌試驗表明，抗菌效果與添加量明顯的劑量效應(yīng)，且在添加量為0.1%時已經(jīng)對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有一定的抗菌效果，綜合膜外觀和抗菌效能，百里香精油包合物添加量為0.2%時候，膜的綜合性質(zhì)更好，在實際應(yīng)用中應(yīng)也可根據(jù)保鮮防腐食品的具體包裝需求適量改變添加量。