聚乳酸/曲酸抗氧化活性包裝膜的制備及性能研究

張子墨,王月嬌,王夏楠,裴令棟,徐娜,彭勇

(山東農業大學 食品科學與工程學院,山東 泰安,271000)

食品包裝是防止外界污染,減少食品不良反應的外部保護,相對于傳統食品包裝而言,活性包裝是一種全新意義上的包裝,是通過提高食品包裝的功能以延長食品貨架期或改善食品質量的包裝技術[1-3]。向包裝基質中添加天然的抗氧化活性物質,而不是直接添加到食品本身,可以減少活性物質的損失、增強使用效果[4]。

在食品包裝領域,可降解類的生物基食品包裝材料天然、安全、不造成環境污染,一直都是研究的熱點。聚乳酸(polylactic acid,PLA)是一種應用較為廣泛的生物基食品包裝材料,可完全由玉米淀粉、土豆等可再生資源加工制成,在微生物的作用下被完全分解為水和CO2,具有良好的安全性、機械性能、生物相容性和較高的透明度[5-6]。以PLA為基質生產的食品包裝具有出色的阻隔性,通常用于貯藏食物[7]。向基質中加入抗氧化物質[8]、抑菌物質[9],通過活性成分的釋放控制食品中有害物質的生長,可以達到延長食品保質期的目的。

曲酸是由曲霉菌、醋酸桿菌等多種微生物經好氧發酵產生的一種弱酸性代謝物,它能通過螯合酶活性部位的Cu2+使酪氨酸酶失活從而抑制黑色素的形成[10]。曲酸安全無毒,對人體無刺激[11],作為一種抗生素,曲酸對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的生長具有一定的抑制作用[12]。劉波[13]通過研究發現曲酸對蘋果汁的抗褐變效果優于抗壞血酸和檸檬酸,在較低的濃度下就能達到抑制蘋果多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性的目的。LIU等[14]研究殼聚糖-曲酸復合膜發現,殼聚糖中加入曲酸后,薄膜的力學性能明顯提高且具有顯著的抗菌效果。呂艷芳等[15]研究不同濃度曲酸對蘑菇PPO的抑制作用,發現0.3 mmol/L的曲酸可以使蘑菇PPO活性降至原酶活性的7.12%。近年來,曲酸及其衍生物在化妝品和醫藥行業的研究與應用較為廣泛,然而,將曲酸用于聚乳酸食品包裝的研究卻鮮有報道。

本文以曲酸為天然抗氧化劑添加到聚乳酸基材中,制備抗氧化的食品活性包裝膜,探索曲酸對活性包裝膜的物理性能、抗氧化性能、化學結構等的影響,以期為基于聚乳酸的新型食品活性包裝膜的研發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

聚乳酸,寧波志展新材料有限公司；曲酸,濟南允誠生物科技有限公司；三氯甲烷、無水乙醇、甲醇、無水氯化鈣、氯化鈉(均為分析純),天津市凱通化學試劑有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical,DPPH)(分析純),華藍化工科技有限公司；蘋果,泰安市泰山區大潤發超市。

1.2 主要儀器設備

AL204型電子天平,梅特勒-托利多儀器有限公司；0～25 mm螺旋測微器,南京蘇測計量儀器有限公司；WSC-S色差儀,上海精密科學儀器有限公司；UV-5100B紫外分光光度計,上海元析儀器有限公司；SHB-Ⅲ型循環水式真空泵,鄭州長城科技工貿有限公司；78-1磁力加熱攪拌器,常州國華電器有限公司；IX73倒置熒光顯微鏡,日本奧林巴斯有限公司；Nicolet iS5型FTIR傅里葉紅外光譜儀,賽默飛世爾科技有限公司；XLW拉伸試驗機,濟南蘭光機電技術有限公司；JSM-6610掃描電子顯微鏡,日本電子株式會社。

1.3 實驗方法

1.3.1 曲酸抑制蘋果汁褐變的實驗設計

取新鮮蘋果,洗凈去皮后快速切分,液氮冷凍粉碎、裝袋,置于冰箱中備用。取4支離心管,依次加入0.5 g蘋果凍粉,再分別加入0、0.01、0.1和1 mg/mL曲酸,靜置觀察其顏色變化。

1.3.2 聚乳酸/曲酸膜的制備

參照ROY等[16]的方法并作適當修改,稱取一定量的曲酸粉末,用無水乙醇溶解后得到曲酸溶液,將4 g聚乳酸顆粒溶于100 mL的三氯甲烷溶液中,并與曲酸溶液混合,室溫下磁力攪拌1 h后得到適宜質量分數的聚乳酸/曲酸膜溶液。攪拌結束后將膜溶液轉移至真空抽濾瓶中,借助真空泵將氣泡除去后倒在提前調平的水平玻璃板上,于通風櫥中室溫干燥5～6 h后成膜,揭膜后放在干燥器中備用。成膜組分的配比設計如表1所示。

表1 聚乳酸/曲酸成膜組分配比Table 1 Polylactic acid/kojic acid film forming component ratio

1.3.3 膜的厚度、顏色及不透明度測定

膜厚度的測定采用精度為0.001 mm的螺旋測微器,在膜上隨機選取6個點測定,取平均值。

用WSC-S色差儀測定膜的顏色,白板作色差測定參比,每個處理重復測定6次,取其平均值,得到膜的L*、a*、b*。

不透明度的測定參照HU等[17]的方法,將薄膜切成矩形,置于比色皿內一側,以空白比色皿為對照,使用紫外分光光度計測定其在600 nm處的吸光度值,按公式(1)計算不透明度：

O=A600/L

(1)

式中：O,不透明度；A600,薄膜在600 nm下的吸光度值；L,膜的厚度,mm。

1.3.4 膜的含水量、膨脹程度、水溶性、水蒸氣透過率(water vapor permeability,WVP)的測定

參照孟文博等[18]的方法,將膜切成20 mm×20 mm的方形,記錄膜的初始質量為m0。將切好的薄膜放入105 ℃的烘箱中干燥24 h后取出,冷卻后稱量,記錄質量為m1,以[(m0-m1)/m0]×100表示膜的含水量。之后將薄膜分別放入30 mL的蒸餾水中,浸泡24 h后取出稱重,記錄為m2,以[(m2-m1)/m1]×100表示膜的膨脹度。最后再放入70 ℃的烘箱中干燥24 h,得到膜的最終質量,記為m3,膜的水溶性用[(m1-m3)/m1]×100表示,每個處理重復3次。

水蒸氣透過率的測定參照LIAN等[19]的方法,將薄膜(60 mm×60 mm)固定在裝有無水氯化鈣的稱量皿上,氯化鈣與稱量皿口的間隙小于6 mm,記錄此時稱量皿的質量m1。之后將稱量皿放入裝有飽和NaCl溶液的干燥器中,每隔24 h記錄稱量皿質量,直至前后2次之差<0.001 g,得到稱量皿質量m2,每個處理重復3次。按公式(2)計算水蒸氣透過率:

(2)

式中：m2-m1,通過膜的水的質量,g；L,膜的厚度,m；A,薄膜的有效面積,m2；t,時間,s；ΔP,薄膜兩側的水蒸氣壓差,Pa。

1.3.5 膜的力學性能測定

力學性能的測定參照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的測定 第3部分：薄膜和薄片的試驗條件》的方法并適當調整。將樣品切成15 mm×150 mm的矩形,在23 ℃、相對濕度為53%的條件下放置2 d,用XLW拉伸試驗機測定膜的抗拉強度、斷裂伸長率和彈性膜量,以10 mm/min的恒定速度進行拉伸直到膜斷裂。

1.3.6 膜的抗氧化性能測試

參照彭勇等[20]的方法,將膜樣品切成20 mm×20 mm的方形,在100 mL蒸餾水中放置1 h,取膜溶液1 mL與3 mL的DPPH甲醇溶液(150 μmol/L)混合,搖勻,以1 mL蒸餾水作為對照組,在25 ℃下的黑暗中反應30 min,用紫外分光光度計測定其在516 nm下的吸光度,按公式(3)計算DPPH自由基清除率:

(3)

式中：AS,樣品的吸光值；AC,對照組的吸光值。

1.3.7 膜中曲酸的釋放測定

參照LIAN等[19]的方法并適當調整,室溫下將膜樣品(20 mm×20 mm)浸泡在含有30 mL的蒸餾水中,每隔一段時間用移液槍吸取1 mL溶液和4 mL蒸餾水混合后放入離心管中,用紫外分光光度計測定其在269 nm處的吸光度,每個處理重復3次測定。實驗前采用全波段掃描確定曲酸的最大吸收峰,并在此波長下測定溶液的吸光度,以某時間點曲酸的釋放量占總釋放量的百分比計算該時間點曲酸的釋放率,并制作釋放曲線。

1.3.8 膜的傅里葉紅外光譜

參照YE等[21]的方法,并作適當調整。將膜切成20 mm×20 mm的方形,置于干燥器中干燥2周后取出,采用傅里葉變換紅外光譜儀的全反射模式進行紅外掃描。光譜分辨率為4 cm-1,在4 000～650 cm-1掃描32次。

1.3.9 膜的表面形態與截面結構

將薄膜用雙面膠固定于載玻片上,使用IX73倒置熒光顯微鏡觀察膜的表面形態,調整適當的焦距和光源強度觀察并拍照記錄。

將薄膜樣品干燥后在液氮中淬裂,適宜大小的膜粘貼在金屬板上,將淬裂的截面進行噴金處理,使用掃描電鏡在15 kV的電壓下放大1 000倍進行觀察。

1.4 數據處理

結果以平均值±標準差表示,所有數據采用SPSS 22.0軟件中ANOVA程序的Duncan法進行分析,P<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 曲酸對蘋果汁褐變的影響

不同濃度的曲酸對蘋果汁褐變的影響見圖1,可以看出,不添加曲酸的對照組褐變現象最為嚴重,加入曲酸的蘋果汁液顏色明顯變淡,曲酸濃度越高抑制效果越好,當曲酸含量達到1 mg/mL時,能明顯抑制蘋果汁的褐變。蘋果汁發生褐變的主要因素是多酚氧化酶,而曲酸可以競爭性抑制PPO活性,螯合Cu2+以及還原形成黑色素的底物醌類化合物[22],此外,曲酸還可以清除一定量的氧自由基來阻止酶促反應中對氧的吸收從而抑制褐變的發生[13]。

圖1 曲酸濃度對蘋果凍粉褐變的影響Fig.1 Effect of kojic acid concentration on browning of apple frozen powder

2.2 曲酸濃度對膜厚度、顏色及不透明度的影響

膜的厚度與構成薄膜的組成成分和物質含量有關[17],如表2所示,未添加曲酸的純PLA膜厚度最小,加入2%的曲酸后,膜的厚度略有增加,但無顯著差異。添加4%和6%曲酸的薄膜厚度顯著增加,PK4膜的厚度比純PLA膜增加了9.11%,PK6膜比純PLA膜增加了18.24%,膜厚度的增加可能是聚乳酸與曲酸相互作用的結果[14]。

薄膜的顏色可以影響消費者對產品的選擇和認可,對照組純聚乳酸膜的L*、a*、b*值分別為92.93、0.04、3.29。加入曲酸后,復合膜與純聚乳酸膜相比都表現為L*、a*值降低,b*值顯著增加,即亮度下降、黃色增加,這與LIU等[14]將曲酸添加到殼聚糖膜的結果相似。但PK6薄膜的b*值更大,達到31.23,表明高濃度的曲酸會造成聚乳酸膜顏色的明顯變化。

薄膜具有一定的遮光性能可以減輕外界光照及輻射對食品產生不良影響,所以不透明度是決定食品質量的一個重要指標[17]。由表2可以看出,加入曲酸后,薄膜的不透明度降低,其中PK4和PK6處理組分別比對照組下降了5.40%和9.61%,不透明度的差異主要與膜的內部結構有關[23]。

表2 曲酸濃度對聚乳酸膜厚度、顏色及不透明度的影響Table 2 Effect of kojic acid concentration on thickness, color and opacity of polylactide film

2.3 曲酸濃度對膜含水量、膨脹度、水溶性及水蒸氣透過率的影響

如表3所示,純PLA膜的含水量最低,為9.51%,隨著曲酸濃度的增加,含水量逐漸上升,各處理間差異顯著,復合膜含水量增加的原因可能與曲酸的加入使復合膜形成了更多的氫鍵有關[7]。膨脹度和水溶性取決于膜中氫鍵的增減、氨基或羧基的離子化及膜結構的再松弛,反映了薄膜對外界水分的抵制能力[19,23],表3中PK2膜的膨脹度最大,為10.38%,而PK6膜的膨脹度最小,兩者差異顯著,這可能由于少量的曲酸干擾了聚乳酸膜的氫鍵作用,但過量的曲酸重排了復合膜的氫鍵,使得復合膜抵制水分的能力增強。

食品包裝膜能有效地避免食品與周圍環境的水分轉移,防止食品中水分的流失,從而保持較長的貨架期,這要求薄膜的WVP應盡可能低[17]。由表3可知,對照組純PLA膜的WVP最高,加入曲酸后,薄膜的WVP顯著下降,WVP的下降可能是PLA與曲酸結合后導致親水基團減少,從而限制了水分子的移動所致。

表3 膜的含水量、膨脹度、水溶性和水蒸氣透過率Table 3 Water content,swelling degree,water solubility and water vapor permeability of films

2.4 膜的力學性能

一定的延展性和適當的機械強度是生物基可降解薄膜在運輸過程中保持完整性和阻隔性的關鍵[14]。圖2和圖3顯示了薄膜的抗拉強度、斷裂伸長率及彈性模量。

由圖2、3所示,對照膜的拉伸強度為18.99 MPa,斷裂伸長率為16.97%,彈性膜量為1 468.29 MPa,具有一定的脆性。PK2膜的抗拉強度與彈性膜量較對照膜差異不大,這可能取決于曲酸在PLA基質中良好的分散性。而PK4膜和PK6膜的抗拉強度較對照膜顯著增加,這可能是因為PLA基質與曲酸發生了分子間的強相互作用。與對照膜相比,PK4膜和PK6膜的彈性膜量也顯著增加。薄膜的斷裂伸長率隨著曲酸濃度的增加而逐漸增加,這與在殼聚糖膜中添加曲酸[14]和在聚乳酸膜中添加木質素[6]的效果類似,表明曲酸增加了分子鏈的移動性。

圖2 曲酸濃度對薄膜抗拉強度和斷裂伸長率的影響Fig.2 Effect of kojic acid concentration on tensile strength and elongation at break of films

圖3 膜的彈性膜量Fig.3 Elasticity of films

2.5 曲酸濃度對膜抗氧化活性的影響

由圖4可以看出,樣品的DPPH自由基清除率與薄膜中曲酸的濃度呈正比關系,純PLA膜抗氧化能力極低,幾乎檢測不到,隨著曲酸濃度的增加,薄膜的DPPH自由基清除率顯著上升,曲酸濃度為4%和6%時分別達到51.75%和64.21%,抗氧化性的提高與薄膜中曲酸的釋放有關。

圖4 曲酸濃度不同的薄膜的自由基清除率Fig.4 Free radical scavenging rate of kojic acid films with different concentrations

2.6 膜中曲酸的釋放動力學曲線

如圖5所示,所有處理組中曲酸的釋放呈現先快后慢的趨勢,在0.5 h內釋放較快,而后釋放變慢(由于對照膜中沒有檢測到曲酸,作圖時未列出),這與百里香、姜黃素及其他抗氧化成分在聚乳酸膜中的釋放規律是相似的[4,16]。從3個濃度的曲酸處理比較來看,PK2膜中曲酸的釋放速率最慢,在0.5 h時PK2處理組釋放率達到57.13%,隨著膜中曲酸濃度的增加,其釋放速率逐漸增加,但PK4和PK6膜的釋放率差異并不明顯。復合膜中活性物質的釋放可能與膜在蒸餾水中的溶解、膨脹以及膜的成分組成、氫鍵數量、功能基團相互作用有關[19]。所有處理的釋放速率均呈現先快后慢的趨勢,這可能是因為膜剛浸入蒸餾水時,膜表面的曲酸直接溶解在蒸餾水中,導致前期檢測到的曲酸釋放速率快；中后期曲酸的釋放速率逐漸變慢,可能是由于復合膜的溶脹,內部的曲酸逐步遷移造成的,姜黃素構建的聚乳酸復合膜在蒸餾水中也表現出類似的釋放規律[16]。

圖5 不同復合膜中曲酸在蒸餾水中的釋放結果Fig.5 Release rate of kojic acid from different composite membranes in distilled water

2.7 膜的傅里葉紅外光譜分析

圖6 曲酸濃度不同的薄膜的傅里葉紅外光譜圖Fig.6 FTIR spectra of kojic acid films with different concentrations

2.8 曲酸濃度對膜表面形態與截面結構的影響

圖7顯示了含不同濃度曲酸的聚乳酸薄膜的表面和截面形態,通過IX73倒置熒光顯微鏡可以觀察到,純PLA膜的表面光滑、平整,而加入2%的曲酸后,薄膜表面變得粗糙,有明顯的顆粒狀結構,曲酸均勻地分布在PLA基質中；當曲酸濃度為4%和6%時,薄膜的表面外觀發生顯著變化,PK4膜表面可以觀察到明顯的波紋,PK6膜的表面紋理減少,這可能與曲酸和PLA基質的相互作用有關。

從截面圖中也可以看出,對照的聚乳酸膜截面結構致密均勻、無裂紋,有蜂窩狀孔隙,這與PHAECHAMUD等[25]對聚乳酸結構的研究結果是相似的,聚乳酸做成的薄膜會通過分子鏈交聯形成網絡結構。當加入曲酸時,膜的結構不再均勻一致,隨著曲酸濃度的增加,膜的孔隙減少,膜更致密緊湊,顆粒狀明顯。ROY等[16]研究表明曲酸的官能團可與殼聚糖的羥基和氨基相互作用,從而影響膜的結構,本實驗也表明曲酸可以通過分子間相互作用影響聚乳酸膜的微觀結構。

3 結論

曲酸對蘋果汁液的褐變具有一定的抑制作用,1 mg/mL的曲酸就可以觀察出明顯的效果。膜溶液中加入曲酸后顯著提高了復合膜的DPPH自由基清除率,抗氧化能力顯著提高。由于曲酸本身顏色及復合膜內部結構的影響,膜的不透明度、亮度下降,黃色顯著增加。4%和6%曲酸可以使復合膜的膨脹度及WVP同時降低。與純PLA膜和加入2%曲酸的復合膜相比,4%和6%曲酸使膜的抗拉強度、斷裂伸長率及彈性膜量同時增加,提高了膜的力學性能。此外,加入曲酸后薄膜在1 750 cm-1處的峰值減弱,表明分子間的相互作用增強,4%曲酸使薄膜產生了新的化學鍵,增強了復合膜組分分子鏈之間的相互作用,導致復合膜表面出現明顯的波紋,表現出明顯的曲酸濃度響應,但曲酸和PLA基質的作用機理還有待進一步研究。

a-CK；b-PK2；c-PK4；d-PK6注：上圖,薄膜的表面形態；下圖,截面結構圖7 曲酸濃度不同的薄膜的表面形態和截面結構Fig.7 Surface morphology and cross section structure of films with different kojic acid concentration