肉桂精油抗菌膜的制備及應(yīng)用

成淑君，李秋錚，曾瑤英，劉悅，余倩*

仲愷農(nóng)業(yè)工程學院（廣州 510000）

紅提含豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。隨著人們對紅提需求的增加，紅提的品質(zhì)問題越發(fā)突出，出現(xiàn)易失水皺縮、易腐敗變質(zhì)、不耐儲藏等問題。目前常用的保鮮措施包括SO2熏蒸處理、氣調(diào)儲藏、噴霧保鮮劑處理[1]。

可食性膜是以脂類、蛋白質(zhì)、多糖為主要成膜物質(zhì)，通過添加可食性的增塑劑等物質(zhì)制備而成的[2]。近些年，可食性膜由于具有低碳、綠色的優(yōu)點而走進人們的生活，被應(yīng)用于果蔬保鮮中，成為研發(fā)熱點[3]。可食性膜通過降低果蔬的新陳代謝，抑制呼吸作用和蒸騰作用，減少果蔬水分散失達到保鮮效果。較多食品包裝工業(yè)將此類薄膜運用于果蔬的保鮮[4]。王曉玲等[5]、周秋娟等[6]、羅寧寧等[7]均是為了提高膜的綜合性能制備了復合膜。孫莎等[8]通過以薄荷提取液、殼聚糖、膠原蛋白為原料，制備具有抗菌性強的復合膜；Sánchez-González等[9]制備了佛手柑精油、殼聚糖、羧丙基甲基纖維素復合膜；Wu等[10]研究了銀鯉皮明膠-牛至精油復合膜。

試驗以木薯淀粉和殼聚糖為主要的成膜物質(zhì)，進行木薯淀粉和殼聚糖復合膜工藝的優(yōu)化，并研究肉桂精油的最低抑菌濃度確定肉桂精油的添加量，探討薄膜的抗菌性，最后將制成的可食性抗菌膜運用于紅提的保鮮中，評定制成的膜的保鮮效果，為此膜應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與設(shè)備

金黃色葡萄球菌（菌種來源ATCC6538，上海魯微科技有限公司）；大腸桿菌（菌種來源CMCC（B）44102，上海魯微科技有限公司）；紅提（市售）；乙酸、丙三醇、酚酞、無水氯化鈣、3, 5-二硝基水楊酸、葡萄糖（市售，分析純）；吐溫-80（市售，化學純）；木薯淀粉、肉桂精油、蘋果酸、殼聚糖、營養(yǎng)瓊脂（市售，食品級材料）。

電子萬能材料試驗機（廣州標際包裝有限公司）；雙光束紫外可見分光光計（北京普析通用儀器有限公司）；低速離心機（廣州飛迪生物科技有限公司）；智能烘干箱（鄭州生元儀器有限公司）；立式壓力蒸汽滅菌器（上海申安醫(yī)療器械廠）。

1.2 試驗方法

1.2.1 木薯淀粉-殼聚糖復合膜的制備流程

稱取一定量的木薯淀粉并加熱溶解→加入一定量殼聚糖→加入0.5 mL乙酸→加入甘油→加入蘋果酸→在一定溫度下加熱攪拌30 min→離心10 min（3 000 r/min）→流延于亞克力板→50 ℃烘箱中干燥24 h→揭膜待用

1.2.2 單因素試驗

1.2.2.1 木薯淀粉與殼聚糖質(zhì)量比對膜性能的影響

試驗設(shè)計木薯淀粉與殼聚糖的總質(zhì)量為2.4 g，木薯淀粉與殼聚糖按質(zhì)量比0∶12，3∶9，5∶7，6∶6，7∶5，9∶3和12∶0混合。參考1.2.1的方法制備木薯淀粉膜，研究木薯淀粉與殼聚糖質(zhì)量比對膜性能的影響。

1.2.2.2 甘油的添加量對復合膜性能的影響

改變甘油的添加量（0，10%，20%，30%和40%），參考1.2.1的方法制備木薯淀粉膜，研究甘油添加量對木薯淀粉膜性質(zhì)的影響。

1.2.2.3 蘋果酸的添加量對復合膜性能的影響

改變蘋果酸的添加量（0.5%，0.75%，1.25%，1.5%和1.75%），參考1.2.1的方法制備木薯淀粉膜，研究蘋果酸添加量對木薯淀粉膜性質(zhì)的影響。

1.2.2.4 加熱溫度對復合膜性能的影響

改變制膜的加熱溫度（40，50，60，70和80℃），參考1.2.1的方法制備木薯淀粉膜，研究加熱溫度對木薯淀粉膜性質(zhì)的影響。

1.2.3 正交試驗優(yōu)化可食用膜的最佳工藝

通過單因素試驗，以殼聚糖與木薯淀粉的質(zhì)量比、熱處理的溫度、甘油的添加量、蘋果酸的添加量為因素，采用四因素三水平進行正交試驗設(shè)計，以抗拉強度和斷裂伸長率為測定指標，得出此膜的最佳工藝。

1.2.4 木薯淀粉-殼聚糖-肉桂精油復合膜的制備及性能測定

1.2.4.1 肉桂精油的最低抑菌濃度的測定

選用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為指示菌，以0.05%吐溫-80作為助溶劑，配制0，0.38，0.44，0.50，0.56，0.62，0.68和0.74 mL/100 mL的一系列濃度梯度的肉桂精油溶液。接種200 μL 濃度在106～108CFU/L金黃色葡萄球菌（或大腸桿菌）菌懸液，置于37 ℃的真空培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)24 h，觀察試驗結(jié)果。

1.2.4.2 木薯淀粉-殼聚糖-肉桂精油復合膜抗菌性測定

接種200 μL濃度在106～108CFU/L金黃色葡萄球菌菌懸液，涂布均勻放入牛津杯。用移液槍吸取200 μL蒸餾水于牛津杯中，作為空白組；吸取200 μL木薯淀粉-殼聚糖膜液于牛津杯中，作為試驗組1；吸取200 μL添加木薯淀粉-殼聚糖-肉桂精油膜液于牛津杯中，作為試驗組2。每個樣品做3個平行。置于37 ℃真空培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后觀察試驗結(jié)果。

1.2.4.3 抗菌膜的表征測定

1.2.4.3.1 膜透光率的測定

在25 ℃和65% RH條件下，將膜進行裁剪，貼于比色皿上，用分光光度計在660 nm下測定其吸光度，再將吸光度換算成透光率，以空的比色皿作參照，平行測定3次，求平均值。

1.2.4.3.2 膜的力學性能的測定

a) 厚度測定：隨機選取膜上6個點，用千分尺測其厚度，平行測定3次，求平均值。

b) 機械性能測定：將膜進行裁剪，得到長10 cm、寬1 cm的試樣條，用GBH-1型的電子萬能材料試驗機作拉伸測定，將試驗機的拉伸速度設(shè)為15 mm/min，在25 ℃和65% RH的條件下，測定膜的抗拉強度和斷裂伸長率，平行測定3次，求平均值。

c) 水蒸氣透過性測定：參考GB 1037—1988薄膜的水蒸氣透過率的測定。

d) 掃描電鏡：采用液氮冷卻方法使薄膜斷裂，并對薄膜進行真空噴金處理，最后使用掃描電子顯微鏡對膜的表面形態(tài)進行觀察并拍攝圖片。

1.2.5 可食性抗菌膜對提子保鮮效果的研究

1.2.5.1 涂膜工藝

選擇成熟度、大小均勻、色澤一致的紅提，取1/2紅提浸入膜液中進行涂膜1 min，作為涂膜組。將剩下的1/2紅提浸入清水中1 min，作為空白組。

1.2.5.2 感官評價

將涂膜組和空白組放于室溫中，每隔1 d在相同時間點對其進行觀察，按照表1對紅提的硬度、外觀、氣味進行評分，評分結(jié)果為三者綜合，總分為10分。

表1 紅提感官評分標準

2 結(jié)果和分析

2.1 木薯淀粉與殼聚糖質(zhì)量比對膜的性能影響分析

由表2可知，隨著殼聚糖的增加，復合膜的抗拉強度呈現(xiàn)先增大后減少再增加的趨勢，存在顯著差異（p＜0.05）。在木薯淀粉與殼聚糖的質(zhì)量配比7∶5條件下，薄膜抗拉強度最大，在此質(zhì)量配比下，兩者之間作用力最強，有較多共價鍵及氫鍵，膜內(nèi)分子排列規(guī)則有序，使膜的致密性增大，提高膜的抗拉強度；而其他配比打破了膜中分子排列的有序性，分子之間作用力減弱，減小了膜的致密性，降低了膜的抗拉強度[11]。

復合膜的斷裂伸長率隨殼聚糖量的增加而總體呈現(xiàn)下降的趨勢，存在顯著差異（p＜0.05）。木薯淀粉與殼聚糖之間交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導致形成的分子鏈流動性減弱，使膜的柔韌性降低，膜的斷裂伸長率減小。

隨殼聚糖量的增加，復合膜的水蒸氣透過率先減小后增大，變化存在顯著差異（p＜0.05），當木薯淀粉與殼聚糖淀粉膜的質(zhì)量比為7∶5時，水蒸氣透過率最低。殼聚糖與木薯淀粉分子中含有大量的親水基團，易吸收環(huán)境中的水分，當質(zhì)量比為7∶5混合時，分子間作用力加強，殼聚糖分子中的NH3+與木薯淀粉中的OH-相互作用形成氫鍵[13]，薄膜更加致密，阻濕性能較優(yōu)。通過對復合膜的三項性能進行綜合性分析，選用木薯淀粉與殼聚糖的質(zhì)量比為7∶5。

表2 木薯淀粉與殼聚糖質(zhì)量比對膜性能的影響

2.2 甘油的添加量對復合膜的性能影響分析

由表3可知，甘油添加量增加，薄膜抗拉強度下降，斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)上升。當甘油添加量為10%和20%時，薄膜較為致密且不易脆、阻濕性能好，但膜的柔韌性一般；當甘油量達到30%時，膜致密性高、阻濕性能優(yōu)且柔韌性能好。但當添加至40%時，膜的抗拉性能和阻濕性能極差。原因是甘油是作為一種增塑劑，使膜中分子相互作用力減弱，降低膜的剛性結(jié)構(gòu)，使膜的抗拉性能下降；甘油也是一種潤滑劑，能提高分子鏈的移動性，使膜具有良好的延展性；甘油本身就是多元醇，含有三個親水基團，加入甘油使膜易于吸收環(huán)境中的水分，透濕量增大，阻濕性能下降。因此，綜合考慮，選用添加的甘油量為30%。

2.3 蘋果酸的添加量對復合膜的性能影響分析

由表4可知，當蘋果酸的添加量在0～1.25%時，其抗拉強度和阻濕性能均增強，柔韌性和彈性均下降，殼聚糖分子中含有氨基，隨著蘋果酸添加量的增多，使得殼聚糖中較多的氨基被質(zhì)子化為NH3+，使其與木薯淀粉暴露出的OH-相互作用形成氫鍵[12]，增強了膜的剛性結(jié)構(gòu)、抗拉強度、阻濕性能，由于膜變緊密，使得分子鏈的流動性下降，導致薄膜彈性下降；當蘋果酸的添加量在1.25%～1.75%時，抗拉強度、彈性以及阻濕性能均下降，在酸性環(huán)境下會破壞薄膜結(jié)構(gòu)，從而使膜的性能下降[13]。因此，綜合考慮，選用蘋果酸的添加量為1.25%。

表3 甘油的添加量對膜性能的影響

表4 表蘋果酸的添加量對復合膜的影響

2.4 加熱溫度對復合膜的性能影響分析

由表5可得，當加熱溫度從40 ℃上升至60 ℃時，膜的抗拉強度增大，斷裂伸長率和水蒸氣透過系數(shù)均減少。隨著加熱溫度升高，殼聚糖與木薯淀粉分子之間運動更為激烈，分子間的氫鍵形成的機率增加，使得膜的抗拉強度和阻濕性能均增強；當加熱溫度從60℃上升至80 ℃時，膜的抗拉強度和斷裂伸長率均減少、水蒸氣透過系數(shù)增大。溫度過高時，膜發(fā)生熱變性，使膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，分子間交聯(lián)作用減弱，從而使得膜抗拉強度、柔韌性以及阻濕性能均下降。綜合以上分析，選用50 ℃為加熱溫度。

表5 加熱溫度對復合膜性能的影響

2.5 正交試驗結(jié)果分析

由表7可得，最佳工藝條件是A2B2C2D2，即木薯淀粉與殼聚糖的質(zhì)量比為7∶5，甘油添加量為30%，熱處理溫度為50 ℃，蘋果酸添加量為1.25%。對薄膜的機械性能影響是最大的木薯淀粉與殼聚糖的質(zhì)量比，其次是甘油添加量、熱處理溫度、蘋果酸添加量。

表6 因素水平表

表7 正交試驗表

2.6 木薯淀粉-殼聚糖-肉桂精油復合膜的抗菌性能分析

2.6.1 肉桂精油的最低抑菌濃度分析

由表8可知，隨著肉桂精油濃度的增加，抑菌效果增強。肉桂精油對大腸桿菌的最低抑菌濃度為0.68 mL/100 mL，對金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度為0.62 mL/100 mL。可得肉桂精油對金黃色葡萄球菌的抑菌作用比大腸桿菌強。綜合分析考慮，選用肉桂精油的濃度為0.68 mL/100 mL添加入膜。

表8 不同濃度肉桂精油的抑菌活性

2.6.2 木薯淀粉-殼聚糖-肉桂精油膜抗細菌的驗證試驗

從圖1可知，空白組無抑菌圈，木薯淀粉-殼聚糖膜液的平皿上抑菌圈直徑為1.84 cm，而木薯淀粉-殼聚糖-肉桂精油膜液的平皿上抑菌圈直徑為3.57 cm。表明肉桂精油的添加可顯著提薄膜抗菌性能。

圖1 牛津杯試驗驗證膜的抗菌性

2.7 抗菌膜的表征測定結(jié)果分析

2.7.1 膜透光率的分析

從表9可知，肉桂精油的添加使膜的透光性增大，主要是由于肉桂精油中含有醛基、羥基等基團，可與殼聚糖或木薯淀粉分子中的基團發(fā)生化學反應(yīng)，使薄膜的分子均一化，提高薄膜透明度。

表9 膜的透光率

2.7.2 膜的力學表征分析

從表10可知，肉桂精油的添加，斷裂伸長率上升、抗拉性強度均下降。可能是肉桂精油中的羥基，可減弱分子之間的作用力，提高分子鏈的流動性。

表10 膜的力學表征

2.7.3 膜的水蒸氣透過系數(shù)分析

從表11可知，肉桂精油的添加，膜的水蒸氣透過系數(shù)上升，肉桂精油分子中的羥基是親水基，容易與環(huán)境中的水分相互作用，使膜分子之間的內(nèi)聚力下降，水分子容易透過，阻濕性能下降。

表11 膜的水蒸氣透過系數(shù)

2.7.4 膜的電子掃描電鏡分析

通過電鏡掃描結(jié)果可知，膜的表面結(jié)構(gòu)存在顯著差異，純殼聚糖膜的表面分布著較多小顆粒，表面粗糙；木薯淀粉-殼聚糖復合膜的表面局部雖有少數(shù)細顆粒，表面相對均勻；而木薯淀粉-殼聚糖-肉桂精油膜的表面較為光滑，呈現(xiàn)出均勻、連續(xù)的表面狀態(tài)。由此說明木薯淀粉和肉桂精油的添加，提高了分子間的相容性。從截面觀察，純殼聚糖膜凹凸不平、粗糙，木薯淀粉-殼聚糖膜較為平整，木薯淀粉-殼聚糖-肉桂精油膜截面平整、光滑，與薄膜表面結(jié)果一致。

2.8 可食性抗菌膜對紅提的保鮮應(yīng)用分析

由表12可知，隨時間增加，涂膜組與空白組的紅提評分均下降，且涂膜組紅提較空白組變化較為緩慢。第5天時，空白組紅提出現(xiàn)果色偏沉、霉點較多、皺縮干紋、果實硬度減小等變化，失去食用價值；而涂膜組到第5天時，變化較小，果皮有光澤且鮮紅，果實呈現(xiàn)飽滿的狀態(tài)，硬度較大，氣味較好；直到第9天，果色偏暗、有較多霉點、皺縮干紋等現(xiàn)象。薄膜能降低紅提的呼吸作用和蒸騰作用，減少水分的散失，降低營養(yǎng)物質(zhì)的消耗速率，使紅提仍保持果色較艷麗、果實較飽滿的狀態(tài)，延長紅提的儲存時間。

圖2 電鏡圖（×1 000）

表12 紅提的感官評價

3 結(jié)論

試驗制備的木薯淀粉-殼聚糖-肉桂精油的抗菌膜的方案為：木薯淀粉和殼聚糖質(zhì)量比7∶5，甘油的添加量30%，熱處理的溫度50 ℃，蘋果酸的添加量1.25%，肉桂精油的濃度0.68 mL/100 mL。木薯淀粉-殼聚糖-肉桂精油抗菌膜在紅提保鮮中具有明顯的效果，可延長紅提的貯藏期。