可食性肉桂精油復合膜的制備及其緩釋性能

周 悅，吳雪輝，謝家星，陳嘉慧，何俊華

（華南農業大學食品學院，廣東廣州 510642）

植物精油是從芳香植物中提取出的具有揮發性、濃郁香味的脂溶性天然混合物，大多具有良好的抑菌、抗氧化活性[1]。近年來，植物精油因其含有多種功能活性物質而成為研究熱點。其中，肉桂精油（cinnamon essential oil, CEO）是指從桂皮、桂枝、桂葉等部位提取的揮發油[2]，其主要成分為反式肉桂醛,此外還含有鄰羥基苯甲酸甲酯、肉桂醇等多種活性成分[3]。CEO具有鎮痛解痙、抗炎、抗腫瘤、增加腸胃蠕動等功效[4]，還具有良好的抗菌[5]、抗氧化活性[6]，在食品、醫藥以及日化產業方面都有巨大的應用前景。

CEO作為一種環境友好型植物添加劑，近幾年在活性包裝領域得到廣泛應用,如保鮮乳劑、涂料、復合膜等，尤其是在復合膜的開發利用方面。張赟彬等[7]利用CEO與吐溫-80、乙醇制備出O/W型復合保鮮微乳液；周強等[1]制備出CEO-殼聚糖涂膜并協同氣調包裝應用于冷鮮肉保鮮中；Saeed等[8]添加CEO制備出的酪蛋白酸鈉納米復合活性薄膜可延長各種易腐食品的保質期；Xu 等[9]制備的摻有CEO的殼聚糖-阿拉伯膠可食用膜，Chen等[10]制備的肉桂醛納米乳液殼聚糖膜，都可作為新型生態友好型生物復合材料并應用在食品保鮮中。

淀粉作為一種天然多糖，因其來源廣泛、價格低廉、易于降解被廣泛應用于薄膜的制備[11?13]。有學者將CEO應用于玉米淀粉和西米淀粉基復合膜的制備中，發現隨著CEO的加入可改善復合膜的機械性、阻隔性能，并增加抑菌效果[14?15]。對于CEO復合膜而言，CEO的有效保留和穩定釋放對復合膜功能活性有極大影響。因此，本研究探討CEO加入改性淀粉中可食性復合膜的制備工藝，以及在不同類型食品中的釋放速度，為拓展CEO的應用途徑提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

肉桂精油（萜烯類：54.96%，醛類：40.71%，其他：4.33%） 廣州百花香料股份有限公司；氧化羥丙基木薯淀粉 食品級，宜瑞安（Ingredion）食品配料有限公司；吐溫-80（化學純）、甘油（分析純） 天津市富宇精細化工有限公司；無水氯化鈣 分析純，購自廣州化學試劑廠。

HWS-24恒溫水浴鍋 上海恒科學儀器有限公司；Jb300-SH數顯恒速強力電動攪拌機 廣東泰宏君科學儀器有限公司；85-2恒溫磁力攪拌器 金壇市城東新瑞儀器廠；FJ-200高速分散均質機 姜堰市銀河儀器廠；101-2A電熱鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；HWS-80智能恒溫恒濕箱 上海比郎儀器制造有限公司；UV-5200紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；5566型力學拉伸測試儀 美國Instron公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 薄膜的制備 稱取淀粉加入蒸餾水中配成不同質量分數的淀粉溶液（m/v，以蒸餾水體積為基準），加熱攪拌30 min使淀粉糊化，冷卻至室溫后，加入不同質量分數的CEO、甘油和吐溫?80（m/v，以淀粉溶液體積為基準），混勻，將成膜液傾倒于平板玻璃皿中，靜置10 min后烘干揭膜，薄膜于相對濕度50%，溫度為25 ℃的環境中平衡48 h即可。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 精油添加量對薄膜性能的影響 設定甘油、吐溫?80、淀粉質量分數分別為1.0%、1.0%和5.0%，糊化溫度為70 ℃，探討CEO質量分數為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%對薄膜性能的影響。

1.2.2.2 甘油添加量對薄膜性能的影響 確定CEO質量分數為1.5%，改變甘油質量分數為0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%，其余條件同上。

1.2.2.3 吐溫?80質量分數對薄膜性能的影響 選擇甘油質量分數為1.0%，設置吐溫?80質量分數為0、0.5%、1.0%、1.5%、2%，其余條件同上。

1.2.2.4 淀粉添加量對薄膜性能的影響 以吐溫?80質量分數為1.0%，淀粉質量分數分別為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，其余條件同上。

1.2.2.5 糊化溫度對薄膜性能的影響 設置淀粉質量分數為5.5%，控制糊化溫度分別為60、70、80、90、100 ℃，其余條件同上。

1.2.3 正交試驗 在單因素實驗基礎上，選擇影響較大的4個因素，以透光率、水蒸氣透過系數、透油系數和斷裂伸長率為指標，通過L9（34）正交試驗優化薄膜的制備工藝條件（表1）。

表1 正交試驗因素水平設計Table 1 Orthogonal test factor level

1.2.4 CEO緩釋試驗 參照Lian等[16]描述的方法，采用三種標準食品模擬物：（1）蒸餾水作為水基食品模擬物；（2）50%乙醇（v/v）作為水包油乳狀液和酒精食品模擬物；（3）95%（v/v）的乙醇作為脂肪食品模擬物。室溫下將薄膜（20 mm×20 mm）浸入含有50 mL食品模擬液的離心管中，每隔一段時間移取1 mL浸泡液加入2 mL蒸餾水中，用紫外分光光度計測定吸光度，每次測量后補充1 mL蒸餾水至初始刻度。對CEO進行全波段掃描后將紫外檢測波長定為286 nm處，并以CEO濃度（nL/mL）為橫坐標X軸，吸光度為縱坐標Y軸，繪制CEO標準曲線回歸方程為：Y = 1.1339X + 0.0142，R2= 0.9996。根據標準曲線回歸方程計算每個時期CEO的釋放量，并以CEO每個時期的釋放量占最大釋放量的百分比繪制釋放曲線。

1.2.5 水蒸氣透過系數 參考GB/T 1037-1988[17]的方法測定。將無水氯化鈣在105 ℃烘箱中烘干至恒重后稱取5 g放入小錐形瓶中，以薄膜封口，稱重記數后放入底部已加有1000 mL蒸餾水的干燥器中（30 ℃，相對濕度100%），平衡2 h后，每間隔一定時間取出稱重，直到前后兩次質量增量相差不大于初始重量的5%，結束試驗。根據公式（1）計算水蒸氣透過系數。

式中：WVP為水蒸氣透過系數，g·cm/cm2·s·Pa；ΔM為透水質量，g；D為薄膜厚度，cm；S為薄膜面積，cm2；T為時間，s；△P為水蒸氣壓差，Pa。

1.2.6 抗拉強度、斷裂伸長率 參考GB/T 1040.3-2006[18]，裁取薄膜（10 mm×100 mm）固定于力學拉伸測試儀上，將初始夾具設置為90 mm，拉伸速率為50 mm/min進行測量。根據公式（2）和公式（3）分別計算抗拉強度和斷裂伸長率。

式中：TS為抗拉強度，MPa；F為薄膜斷裂時承受最大拉力，N；S為薄膜橫截面積，m2。

式中：E為斷裂伸長率，%；L0為薄膜的原長度，mm；L為薄膜斷裂時的長度，mm。

1.2.7 透光率 參考趙丹[19]的方法采用紫外分光光度計于500 nm條件下進行測定。

1.2.8 透油系數 參考汪學榮[20]的方法，將5 mL山茶油放入試管中, 以薄膜封口, 倒置于濾紙上, 放置2 d, 稱量濾紙質量的變化。按照公式（4）計算透油系數。

式中：PO為透油系數，g·mm/m2·d；△W為濾紙質量變化，g；D為薄膜厚度，mm；S為薄膜面積，m2；T為時間，d。

1.3 數據處理

所有試驗重復3次測定，取平均值。試驗數據采用Excel軟件處理，結果采用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析，采用Duncan法進行顯著性檢驗，P＜0.05表示差異顯著，Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 CEO添加量對薄膜性能的影響 由表2可知，隨著CEO含量的增加，薄膜水蒸氣透過系數增大，可能是由于CEO分子中的親水性羥基與環境中水分相互作用，降低薄膜分子間內聚力，使水分子容易透過[21]。透光率隨著CEO含量的增加先降低后升高，其中透光率降低可能由于膜基質中嵌入的精油液滴界面處的光散射所致[22]，繼而添加CEO導致透光率升高可能是由于過量CEO與其他成膜基質的生物相容性較差，膜中CEO分散不均勻，精油散色作用降低。薄膜的透油系數在CEO低濃度范圍內緩慢升高，在1.0%～1.5%CEO范圍內差異不顯著（P＞0.05），而當CEO添加量超過2.0%時又顯著升高（P＜0.05），可能是因為CEO本身具有含有疏油性羥基,少量CEO能夠減緩油脂的滲入，但是當CEO與薄膜基質的結合達到飽和狀態后，過量的CEO滲出顯著增加濾紙質量，最終導致透油系數變化幅度明顯。另外，添加CEO使薄膜斷裂伸長率先升高后降低，在CEO質量分數為2.0%時達到最大值，表明在一定范圍內CEO可以充當增塑劑以增強復合膜的斷裂伸長率[23]，同時添加精油可能會阻礙聚合物鏈之間的相互作用，并在薄膜中形成柔性區域[24]。薄膜的抗拉強度在0%～2.0%CEO的范圍內呈下降趨勢，當CEO添加量為2.5%時卻稍有升高，可能是因為存在精油成分時，薄膜網絡中較弱的聚合物-油相互作用會部分替代較強的聚合物-聚合物相互作用，這可能會降低聚合物網絡的內聚力，從而導致含CEO的薄膜抗拉強度的降低[25]。綜上可知，當CEO質量分數為1.5%時，薄膜的阻隔性能和機械性能較優，并考慮到在制膜過程中精油的揮發損失，CEO添加量過少不利于其作為薄膜中活性成分的應用，因此選CEO質量分數為1.5%時為宜。

表2 CEO含量對薄膜性能的影響Table 2 Effect of CEO content on film properties

2.1.2 甘油添加量對薄膜性能的影響 甘油含量對薄膜性能的影響由表3可知。增加甘油含量，薄膜水蒸氣透過系數增大，是由于甘油的親水性加大了單位體積內親水性羥基數目，增加薄膜通透性[26]。而甘油的塑化作用可以增強淀粉分子的吸水膨脹能力，使其易于糊化，且淀粉糊均勻細膩，成膜后透光率較大[27]，當甘油添加量為1.1%至1.2%時，透光率的變化無顯著差異（P＞0.05）。透油系數先增大后減小再增大，在甘油質量分數為1.0%和1.1%時差異不顯著（P＞0.05），達到1.2%時又顯著上升（P＜0.05）。薄膜抗拉強度降低，斷裂伸長率增加，是因為小分子甘油能進入淀粉分子內部，破壞氫鍵，削弱淀粉分子間作用力，增強淀粉鏈流動性，從而破壞淀粉的剛性結構，使薄膜變得柔軟[28?29]。甘油添加量過少對薄膜達不到塑化效果使薄膜過硬容易脆裂，而甘油過量會減弱淀粉分子的相互作用，降低其力學性能[30]，并且當甘油質量分數超過1.0%時，薄膜過黏不易烘干揭下，故選取甘油質量分數為1.0%。

表3 甘油含量對薄膜性能的影響Table 3 Effect of glycerol content on film properties

2.1.3 吐溫?80添加量對薄膜性能的影響 由表4知，吐溫?80含量的增加使薄膜水蒸氣透過系數逐漸增大，其作為一種非離子型表面活性劑，能使CEO在膜液中分散均勻，降低界面張力，加大水蒸氣的擴散速率[31]。而透光率減小，膜液顏色逐漸加深，表明乳化效果越好。透油系數先減小后增大，在吐溫?80質量分數為1.0%時達到最小值，表明薄膜的阻油性能在一定范圍內能夠得到改善，隨著吐溫?80含量的增加，與淀粉、CEO形成分子間結合，削弱了分子間和分子內的相互作用，破壞了淀粉的內部結構，分子鏈的有序排列被擾亂，因而導致透油系數再次增大。增加吐溫?80含量導致薄膜抗拉強度減小，斷裂伸長率增大，可能是由于加入乳化劑重疊膜的結構，柔韌性增加，導致力學性能下降[32]。綜合以上分析，吐溫?80的加入使薄膜具備良好的機械性能，當吐溫?80添加量為1.0%時，薄膜具有良好的阻隔性，而當吐溫?80添加較少時，CEO在膜液中分散不均勻，影響成膜基材與精油的結合及相互作用，因此適合制備薄膜的吐溫?80的質量分數取1.0%。

表4 吐溫?80含量對薄膜性能的影響Table 4 Effect of Tween?80 content on film properties

2.1.4 淀粉添加量對薄膜性能的影響 如表5所示，水蒸氣透過系數呈先減小后上升的趨勢，當淀粉質量分數在4.5%～5.5%范圍內時，淀粉間的相容作用減少膜骨架間的空隙，提高膜致密性，阻水性增強[33]。當淀粉含量繼續增大，淀粉基團堆積，膜液流動性變差，使得膜厚度不均勻，阻水性減弱[34]。薄膜透光率減小可能是由于添加過多淀粉導致膜厚度的增加而阻礙光線通過[35]。透油系數在淀粉的質量分數為4.5%～5.5%范圍內先呈下降趨勢，是由于淀粉含有疏油性羥基，其含量增加可阻隔部分油分子在淀粉膜表面的吸附[36]，而當淀粉超過一定量時，薄膜厚度不均勻，透油系數又再次升高。薄膜抗拉強度逐漸增大，是因為淀粉分子間氫鍵作用增強，使得薄膜致密性良好[37]。另外，淀粉含量增加會相對降低薄膜含水量，減小分子鏈的活動性，導致薄膜斷裂伸長率的減小[33]，而過高淀粉含量也使薄膜容易脆裂。綜合以上分析，當淀粉質量分數為5.5%時薄膜阻隔性能和機械性能較好，并考慮防止淀粉含量過低使膜厚度過小難以揭膜，過高使膜液過于黏稠并且制得薄膜厚度不均勻且容易脆裂，選用淀粉質量分數為5.5%為宜。

表5 淀粉含量對薄膜性能的影響Table 5 Effect of starch content on film properties

2.1.5 糊化溫度對薄膜性能的影響 由表6知，糊化溫度增加使得薄膜的水蒸氣透過系數先減小后增加，當溫度低于70 ℃時，淀粉糊化不徹底，膜液連續性下降，成膜后缺乏致密性，故薄膜阻水性能較弱[13]；薄膜水蒸氣透過系數在糊化溫度為70～90 ℃范圍內無顯著差異（P＞0.05），超過90 ℃又有所升高，溫度過高使得淀粉溶液的黏度增大，不利于膜的成型。糊化溫度增加，淀粉完全糊化導致透光率增加。透油系數隨著糊化溫度的增加變化不規律，而斷裂伸長率、抗拉強度不存在顯著差異（P＞0.05）。根據淀粉糊化完全且實際生產降低能耗的原則，選糊化溫度為80 ℃為宜。

表6 糊化溫度對薄膜性能的影響Table 6 Effect of gelatinization temperature on film properties

2.2 正交試驗結果與分析

正交試驗結果（見表7）采用極差分析法以及綜合平衡法分析。各因素對薄膜水蒸氣透過系數影響的顯著程度為：A＞D＞C＞B，最優組合為A2B2C2D2。對透光率而言：C＞D＞B＞A，最優組合A3B2C2D3。對薄膜斷裂伸長率為：D＞B＞C＞A，最優組合A2B3C1D1。對透油系數的影響顯著程度為：B＞D＞A＞C，最優組合A2B2C3D2。根據表7中的極差分析，對影響復合膜水蒸氣透過系數、透光率、透油系數和斷裂伸長率的4個因素，分別采用對該指標影響最為顯著的因素作為第一指標。因素A對水蒸氣透過系數影響最為顯著，將其作為第一指標選 A2；因素B的第一指標為透油系數選B2；因素C對透光率影響最大選擇C2；因素D的第一指標為斷裂伸長率故選D1。

表7 正交試驗結果Table 7 Results of orthogonal test

以綜合平衡法分析，本試驗最優組合為 A2B2C2D1，即CEO、甘油、吐溫-80、淀粉的質量分數分別為1.5%、1.0%、1.0%、5.0%時制備的薄膜性能最佳。對優化條件進行驗證試驗，最優條件下制備的CEO復合膜的薄膜斷裂伸長率和抗拉強度分別為27.87%和1.42 MPa，水蒸氣透過系數、透油系數為1.27×10?12g·cm/cm2·s·Pa、0.2131 g·mm/mm2·d，透光率為30.56%，此時薄膜的機械性能和阻隔性能相對較好。

2.3 薄膜中CEO向食品模擬物中的釋放

如圖1所示，常溫下所有薄膜都呈最初的快速釋放隨后趨于平緩，直到一個恒定水平。在釋放的初期，水分子侵蝕薄膜并進入薄膜內部，引起薄膜的膨脹和溶解性，使得薄膜逐漸變得疏松，薄膜基質之間的相互作用被破壞，從而導致精油的最初的快速釋放[16]。

圖1 薄膜中CEO在三種不同食品模擬物中的釋放情況Fig.1 Release of CEO in three different food simulants in the film

如圖1a所示，在蒸餾水中0～100 min時2.0%CEO釋放速率最緩慢，0.5%CEO在90 min釋放量達100%；100 min后2.5%CEO釋放速率最為緩慢，150 min時1.0%、1.5%CEO達到釋放終點，200 min時2.0%CEO已達釋放終點，此時2.5%CEO釋放量為99.58%，直到250 min才達精油的最大釋放量。在50%乙醇中，于0～125 min范圍內2.0%CEO釋放速率明顯最低，2.5%CEO在0～50 min時顯示出最快的釋放速率而后變緩，其他三個濃度CEO于0～125 min時釋放速率差異不顯著（P＞0.05），主要原因可能是在該食品模擬物中的薄膜溶解非常快，掩蓋了釋放差異[16]；100 min時0.5%和1.0%CEO最先達到釋放終點，125 min后2.0%CEO釋放速率快于2.5%CEO，150 min和175 min時1.5%CEO、2.0%CEO分別達到釋放終點，而2.5%CEO于200 min最晚達釋放終點。在95%乙醇中，100 min之前2.5%CEO釋 放 速 率 最 快，0.5%CEO次 之，125 min時0.5%CEO最先達到釋放終點，125 min后2.5%CEO釋放速率最為緩慢，300～450 min時1.0%、1.5%、2.0%CEO陸續達到釋放終點，而2.5%CEO直到550 min最晚到達釋放終點。在同種食品模擬物中，CEO含量越多，越長時間達到最大釋放量，可根據不同食品特點改變CEO添加量從而控制復合膜中CEO的釋放速率使復合膜的生物活性效果最大化。

薄膜中CEO的釋放速率與食品的特性有關，三種食品模擬物中，CEO在95%乙醇中的釋放速率最緩慢，需要550 min達到釋放終點；在50%乙醇中的釋放速率最快，50 min時0.5%CEO和2.5%CEO釋放量為95%乙醇的近2倍，同時1.0%、1.5%和2.0%CEO釋放量為95%乙醇的近3～4倍，并且50 min時50%乙醇中除2.0%CEO以外，其他濃度CEO釋放速率是蒸餾水的近1.5倍，50%乙醇中達到釋放終點的時間為200 min；在蒸餾水中CEO的釋放于250 min達到最大值。Lee等[38]也得到了相似的結果，這種現象可能是由于水分子對薄膜的溶脹以及CEO在乙醇中較高的溶解度所致。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，通過正交試驗優化出CEO可食性復合膜的最佳制備工藝條件為：淀粉、CEO、甘油、吐溫?80的質量分數分別為5.0%、1.5%、1.0%、1.0%，此條件下制備的薄膜各項性能指標最好，斷裂伸長率和抗拉強度分別是27.87%和1.42 Mpa，水蒸氣透過系數、透油系數為 1.27×10?12g·cm/cm2·s·Pa、0.2131 g·mm/mm2·d，透光率30.56%。且薄膜中CEO的釋放效果受食品種類影響，于脂肪食品模擬物中釋放速率最慢，CEO復合膜適應于油脂類食品的包裝從而延長CEO的作用時間；同種食品模擬物中，薄膜中CEO含量越多，達到最大釋放量所需的時間越長，可改變CEO的添加量從而達到CEO的控釋效果。然而，薄膜中CEO的釋放機理仍是不清楚的，需要進行進一步研究。并且，也需要對CEO復合膜應用的具體食品種類以及抑菌和抗氧化效果進行深入探究。本研究為CEO在食品領域的應用途徑和活性包裝的開發利用提供了一定的理論指導。