茶多酚@沸石咪唑酯骨架材料/殼聚糖/海藻酸鈉活性包裝膜的制備及表征

蔡 月，王夢軍，年琳玉，程抒劼，曹崇江,*，黃志剛

（1.中國藥科大學工學院，江蘇 南京 211198；2.北京工商大學化學材料與工程學院，中國輕工業(yè)綠色塑料成型技術(shù)與質(zhì)量評價重點實驗室，北京 100048）

果蔬食品活性包裝是果蔬食品產(chǎn)業(yè)的重要一環(huán)，合適的包裝不僅可以提高客戶的購買力，還可以使產(chǎn)品盡可能維持在高營養(yǎng)與品質(zhì)狀態(tài)下。初級包裝是指直接包裹果蔬食品表面的涂層/薄膜。目前的初級包裝主要由高分子聚合物如聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯等材料制成。一般來說，有效的初級包裝有助于果蔬保藏，但只是防止化學、物理和微生物損傷的非功能性物理屏障。這類難降解的包裝膜不僅對環(huán)境造成了嚴重污染，而且還會因為其中有害物質(zhì)和化學物質(zhì)與食品直接接觸，造成食品的質(zhì)量安全隱患和營養(yǎng)價值損失。通過在初級包裝中加入可生物降解的材料、納米顆粒、天然活性提取物以開發(fā)活性食品包裝，能夠同時保持食品的質(zhì)量和營養(yǎng)，延長食品的保質(zhì)期，并減少食品包裝對環(huán)境造成的影響，是目前食品包裝研究的大趨勢。

天然聚合物如殼聚糖（chitosan，CS）、海藻酸鈉（sodium alginate，SA）、淀粉、明膠等由于其天然來源和較高的降解特性而引起了相關(guān)研究者的廣泛關(guān)注。已有許多研究將CS制備成涂膜、納米微粒、復(fù)合膜等形式用于食品包裝。而單獨使用SA制備成的薄膜機械性能較差，通常使用其他生物聚合物如CS、纖維素等進行改性，來提高SA的機械性能和阻隔性能。

目前最重要的食品安全問題之一是由各種微生物（如病毒、細菌和真菌）引起的食源性疾病。除了微生物生長外，氧化是各種類型食物變質(zhì)的重要原因，它會導致食物的營養(yǎng)和感官質(zhì)量的損失，甚至可能導致有毒醛的形成。因此集抗氧化和抗菌功能于一體的活性包裝是重要的研究方向。

茶多酚（tea polyphenols，TP）是一類從茶葉中提取的天然酚類物質(zhì)的統(tǒng)稱。因其獨特的抗氧化和抗菌特性而受到醫(yī)藥和食品行業(yè)的廣泛關(guān)注。然而，TP在加工和貯藏過程中非常不穩(wěn)定，對溫度、光照、pH值等環(huán)境因素非常敏感。因此，TP的利用需要有效的保護機制以維持其活性。

金屬有機框架（metal-organic frameworks，MOFs）又稱多孔配位聚合物（porous coordination polymers，PCPs），是由無機節(jié)點（金屬離子/簇）與有機配體通過自組裝的方式構(gòu)成的一類多孔晶體材料，具有較高的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。先前的研究表明，MOFs與生物分子之間的相互作用可以有效地影響生物分子的物理化學性質(zhì)，從而改善生物分子的性能，例如MOFs可以作為載體封裝酶、藥物、納米材料、天然活性產(chǎn)物等從而提高這些物質(zhì)的穩(wěn)定性，并達到緩釋的效果。目前已經(jīng)合成了數(shù)以萬計的MOFs材料，沸石咪唑酯骨架材料（zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs）是其中的一種。ZIFs是利用Zn或Co與咪唑配位自組裝形成的一類金屬有機骨架材料，其中，ZIF-8是一種典型的ZIFs材料，其通過Zn與2-甲基咪唑配位組裝后具有方鈉石拓撲結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性可達420 ℃。已有文獻報道，敏感型天然活性物質(zhì)姜黃素被封裝到納米晶體ZIF-8后，其水溶性和穩(wěn)定性都得到了改善。

由于目前鮮見將TP封裝于MOFs材料中并制備成包裝的應(yīng)用，因此本實驗以CS和SA為成膜基質(zhì)，并以TP@ZIF-8納米復(fù)合材料為功能性成分，通過層層組裝的方式制備TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜。考察復(fù)合膜的形貌、阻隔性能、抗氧化性能以及抑菌性能，以期為果蔬保鮮提供新思路。

1 材料與方法

1.1 菌株、材料與試劑

革蘭氏陽性菌（美國模式培養(yǎng)物集存庫（American Type Culture Collection，ATCC）6538）和革蘭氏陰性菌（ATCC 25922）ATCC。

CS（脫乙酰度≥95%，黏度100～200 MPa·s）上海麥克林生化科技有限公司；SA、TP 上海源葉生物科技有限公司；六水硝酸鋅、2-甲基咪唑（均為分析純） 阿拉丁試劑（上海）有限公司；冰醋酸、甘油（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SU8020場發(fā)射掃描電子顯微鏡（field emission scanning electron microscope，SEM） 日本日立公司；UV-2600紫外-可見分光光度計、DTG-60熱重分析儀（thermal gravimetric analyzer，TGA） 日本島津公司；Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR）儀、MULTISKAN GO酶標儀 美國賽默飛世爾科技有限公司；ME204電子天平 瑞士梅特勒托利多儀器有限公司；SW-CJ-1FD超凈臺、SPX-100B-Z生化培養(yǎng)箱上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司；THZ-C-1搖床蘇州培英實驗設(shè)備有限公司；TA-XT質(zhì)構(gòu)儀英國Stable Micro Systems公司；CS-280色差儀 杭州彩譜科技有限公司；DSC 204 F1差示掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC） 德國耐馳儀器制造有限公司；數(shù)字千分尺 東莞市三量五金器械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 ZIF-8的制備

ZIF-8的合成參考文獻[21]的方法并稍作修改。首先將Zn(NO)溶液加入2-甲基咪唑溶液，混合溶液中Zn與2-甲基咪唑濃度比為1∶70，室溫下劇烈攪拌10 min；然后10 000 r/min離心10 min收集白色粉末狀沉淀，用純水洗滌3 次后在60 ℃的烘箱中干燥24 h，得到ZIF-8備用，常溫避光貯藏。

1.3.2 TP@ZIF-8的制備

分別將40 mL不同質(zhì)量濃度（0.625、1.250、1.875、2.500、3.125、3.750 mg/mL）的TP溶液加入10 mL 0.197 mol/L Zn(NO)溶液中。超聲攪拌30 min使其均勻分散后，在室溫下快速加入40 mL 3.456 mol/L 2-甲基咪唑水溶液中，用頂置電動攪拌器劇烈攪拌20 min，轉(zhuǎn)速為500 r/min，混合溶液中Zn與2-甲基咪唑的濃度比為1∶70。然后10 000 r/min離心10 min，收集上清液（后續(xù)用于測定TP質(zhì)量濃度）和灰色粉末沉淀，用純水洗滌沉淀3 次，然后在40 ℃的烘箱中干燥24 h，得到TP@ZIF-8后稱量質(zhì)量，常溫避光貯藏備用。

1.3.3 TP@ZIF-8的表征

采用TGA對TP、ZIF-8、TP@ZIF-8（用3.125 mg/mL的TP溶液制備的樣品）的熱穩(wěn)定性進行分析。加熱速率為20 ℃/min，熱分解溫度為30～800 ℃。對2 mg樣品在25～300 ℃范圍內(nèi)進行DSC分析，加熱速率為20 ℃/min。利用Nicolet iS50 FT-IR儀分析TP、ZIF-8、TP@ZIF-8（用3.125 mg/mL的TP溶液制備的樣品），掃描波數(shù)范圍為300～4 000 cm。采用SU8020場發(fā)射SEM觀察ZIF-8、TP@ZIF-8（用3.125 mg/mL的TP溶液制備的樣品）微觀形貌，加速電壓15 kV。并進行復(fù)合材料的包封率、裝載率、TP釋放率、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除能力的測定。

1.3.3.1 裝載率及包封率測定

根據(jù)文獻[22]的方法進行裝載率和包封率的測定并稍作修改。采用福林-酚法測定1.3.2節(jié)上清液中TP的質(zhì)量濃度。取0.5 mL 0.25mol/L的福林-酚試劑與0.5 mL的各樣品液充分混合并靜置3 min，再加入1 mL質(zhì)量分數(shù)15% NaCO溶液，靜置30 min后，通過酶標儀在760 nm波長處測定吸光度。同時配制2 mg/mL的沒食子酸標準溶液，并依次稀釋至0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/mL，與福林-酚溶液和質(zhì)量分數(shù)15% NaCO反應(yīng)，在760 nm波長處測定吸光度，繪制標準曲線。TP的包封率及納米粒子的裝載率分別按式（1）、（2）計算。

式中：為加入TP質(zhì)量/g；為將樣品吸光度代入標準曲線中計算出的TP質(zhì)量濃度/（mg/mL）；為上清液的體積/mL；為1.3.2節(jié)最終干燥后的TP@ZIF-8質(zhì)量/g。

1.3.3.2 緩釋行為模擬及TP釋放率測定

根據(jù)文獻[22]的方法并稍作修改進行緩釋行為的模擬及TP釋放率的測定。將50 mg TP和TP@ZIF-8（用3.125 mg/mL的TP溶液制備的樣品）分別溶于20 mL蒸餾水中，然后將混合溶液分別裝入透析袋中，將2 個透析袋分別放入盛有400 mL pH 7.4、0.04 mol/L（后同）磷酸鹽緩沖液（phosphate buffered saline，PBS）的燒杯中，并在37 ℃、120 r/min的水浴振蕩器中持續(xù)振蕩。分別在2、4、6、8、10、12、24、36 h從燒杯取出5 mL PBS（即緩釋液），然后在兩個燒杯中分別補充等體積新鮮PBS。將取出的PBS通過福林-酚法測定TP質(zhì)量濃度。TP釋放率按式（3）進行計算。

式中：、分別為TP緩釋液、TP@ZIF-8緩釋液的中TP質(zhì)量濃度/（mg/mL）。

1.3.3.3 DPPH自由基清除能力的測定

DPPH自由基清除率實驗根據(jù)文獻[23]的方法并稍作修改。用50%（體積分數(shù)）乙醇配制5×10mol/L DPPH-乙醇溶液備用。分別將0.100 0 g TP、ZIF-8、TP@ZIF-8溶于1 mL蒸餾水中配制成樣品溶液。分別向200 μL各樣品溶液中加入200 μL上述DPPH-乙醇溶液，靜置避光反應(yīng)20 min后用酶標儀測定517 nm波長處的吸光度，以50%（體積分數(shù)）乙醇作為空白對照測定吸光度。DPPH自由基清除率按式（4）計算。

式中：為樣品溶液與DPPH溶液的吸光度；為空白對照的吸光度。

1.3.4 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的制備

采用層層組裝的方法制備CS/SA雙層復(fù)合膜。首先在100 mL超純水中加入1.0 g CS，然后加入0.50 mL冰醋酸（純度≥99.5%）使其溶解，再加入0.4 g甘油作為增塑劑。CS溶解后，利用超聲波消除泡沫，然后將CS溶液倒入25 cm×25 cm的模具中，在40 ℃烘箱中干燥4 h。之后將1.0 g SA加入100 mL超純水，再加入0.4 g甘油作為增塑劑，攪拌溶解后50 Hz超聲去除泡沫。再將SA溶液倒在CS膜表面，在40 ℃烘箱中干燥12 h，直到CS/SA復(fù)合膜完全干燥即得到CS/SA復(fù)合膜。

類似地，采用層層組裝的方法制備TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜。首先，將100 mL CS溶液（質(zhì)量濃度為0.01 g/mL）溶解后加入模具中干燥4 h，得到CS膜，然后分別在100 mL超純水中加入0.010 0、0.025 0、0.050 0 g TP@ZIF-8納米復(fù)合材料，50 Hz超聲分散處理30 min，再向上述溶液中加入1.0 g SA和0.4 g甘油。待SA完全溶解后，將溶液倒在CS膜上，在40 ℃烘箱中干燥12 h，待TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜完全干燥，得到添加量分別為1%（質(zhì)量分數(shù)，后同）、2.5%、5% TP@ZIF-8復(fù)合材料的TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜（以CS/SA復(fù)合膜作為添加量0%的TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜）。

1.3.5 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的表征

1.3.5.1 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的SEM表征

取TP@ZIF-8添加量分別為0%、5%的TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜樣品參考1.3.3節(jié)方法采用SEM觀察其微觀形貌。

1.3.5.2 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的厚度、色澤測定

利用數(shù)字千分尺對復(fù)合膜的厚度進行測量。用CS-280色差儀測定復(fù)合膜的*（亮度）、*（紅/綠度）值，以標準白板為背景，在每個膜表面隨機選取10 個點進行測定。

1.3.5.3 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性表征

參考1.3.3節(jié)方法，采用TGA和DSC對剪碎的薄膜樣品的熱穩(wěn)定性進行分析。

1.3.5.4 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的FT-IR表征

取剪碎的TP@ZIF-8添加量為5%的TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜、SA固體粉末、CS固體粉末參考1.3.3節(jié)方法進行FT-IR分析。

1.3.5.5 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的穿刺強度

根據(jù)Kurek等的方法并稍作修改測定TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的穿刺強度。首先，將復(fù)合膜切成長2.5 cm×2.5 cm的正方形，穿刺速率設(shè)置為50 mm/min，薄膜樣品平展于夾具中并夾緊，測定穿刺強度，每組5 個平行。

1.3.5.6 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的氧氣透過率

氧氣透過率的測定參考文獻[25]并稍作修改。用薄膜將裝有脫氧劑的50 mL離心管密封，稱量離心管初始質(zhì)量后，放入盛有飽和氯化鋇溶液（相對濕度85%）的干燥器中48 h。氧氣透過率按式（5）進行計算。

式中：Δ為離心管增加的質(zhì)量/g；為測定時間/h；為離心管口的面積/m。

1.3.5.7 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的二氧化碳透過率

二氧化碳透過率參考文獻[26]進行測定。在50 mL離心管中加入濃氫氧化鈉溶液（10 mol/L），然后將薄膜固定在50 mL離心管的管口并稱量質(zhì)量/g，48 h后稱量離心管的質(zhì)量/g。二氧化碳透過率按式（6）進行計算。

式中：為測定時間/h；為離心管口的面積/m。

1.3.5.8 透光率和不透明度

透光率是影響消費者對食品質(zhì)量敏感度的重要因素，而不透明度是決定活性包裝膜質(zhì)量的重要因素。透光率和不透明度的測定參考文獻[27]。將待測復(fù)合膜裁成50 mm×6 mm的長條，利用UV-2600紫外-可見分光光度計測定200～800 nm波長范圍內(nèi)的透光率以及600 nm波長處的吸光度，以空的比色皿作為空白對照。每個試樣重復(fù)3 次，取平均值。透光率越大表明膜的透光性越強。膜不透明度按式（7）進行計算，數(shù)值越大表明試樣的不透明度越高。

式中：為600 nm波長處的吸光度；為膜的厚度/mm。

1.3.6 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜抑菌實驗

以和為模型細菌驗證TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的抑菌效果。將貯藏于-80 ℃的菌種取出，置于37 ℃的恒溫水浴鍋中10 min，再分別取500 μL和菌種接種至200 mL新鮮LB液體培養(yǎng)基（含10 g/L胰蛋白胨、5 g/L酵母提取物、10 g/L NaCl，pH 7.0），在搖床中37 ℃培養(yǎng)24 h后10 000 r/min離心10 min，分別收集和菌體沉淀。加入生理鹽水重懸細菌，調(diào)整菌體濃度為1×10CFU/mL。然后稱取200 mg的不同復(fù)合膜，并將其剪碎，分別加入30 mL和菌液中，孵育12 h，以不添加復(fù)合膜的菌液作為對照。然后將上述處理的菌液稀釋1 000 倍，取50 μL的菌液均勻涂布于平板上，在培養(yǎng)箱培養(yǎng)12 h后，用Image J軟件進行計數(shù)，按式（8）計算抑菌率。

式中：為對照組平板上的菌落數(shù)/個；為添加復(fù)合膜樣品組平板上的菌落數(shù)/個。

1.3.7 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜抗氧化活性測定

TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜DPPH自由基清除率的測定參考1.3.3.3節(jié)方法并略作修改，將樣品剪切成50 mm×50 mm的正方形，然后放入盛有100 mL 50%（體積分數(shù)）乙醇的燒杯中，溶解成透明的膠狀體。然后通過抽濾系統(tǒng)獲得洗脫液備用。將1.0 mL的洗脫液與2.0 mL的60 μmol/L DPPH-50%（體積分數(shù)）乙醇溶液混合制成DPPH測定液。將混合物置于室溫（25 ℃）黑暗環(huán)境下孵育1 h。然后使用紫外-可見分光光度計測定混合溶液在517 nm波長處的吸光度。以50%（體積分數(shù)）乙醇作為空白對照。按式（4）計算DPPH自由基清除率。

2,2’-聯(lián)氮-雙-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（2,2’-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)，ABTS）陽離子自由基清除率測定參考文獻[23]方法并稍作修改。將1.0 mL洗脫液和2.0 mL ABTS反應(yīng)溶液混合，以50%乙醇作為空白對照，室溫黑暗處反應(yīng)1 h。用紫外-可見分光光度計測定混合溶液在734 nm波長處的吸光度。按式（9）計算ABTS陽離子自由基清除率。

式中：為樣品液體與ABTS反應(yīng)液在靜置避光條件下反應(yīng)1 h后在734 nm波長處的吸光度；為空白對照的吸光度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有實驗重復(fù)3 次，結(jié)果以平均值±標準差表示。采用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析，采用鄧肯檢驗進行顯著性分析，＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 TP@ZIF-8的形貌表征結(jié)果

首先通過一鍋法合成了ZIF-8，通過類似的方法合成TP@ZIF-8納米復(fù)合材料，即將TP分散到含有Zn和2-甲基咪唑的溶液中，Zn可與2-甲基咪唑中的N原子配位形成ZIF-8，ZIF-8直接包裹TP形成TP@ZIF-8納米復(fù)合材料。ZIF-8和TP@ZIF-8在SEM下的微觀形貌和粒徑分布如圖1所示。ZIF-8呈規(guī)則的十二面晶體，與管靖瑋的研究結(jié)果一致；且ZIF-8大小較均一，平均粒徑為（55.79±8.18）nm；添加TP后，TP@ZIF-8的尺寸增大，平均粒徑為（82.79±11.95）nm，且TP@ZIF-8顆粒的表面較ZIF-8粗糙。

圖1 ZIF-8和TP@ZIF-8的微觀形貌（A）及粒徑分布（B）Fig. 1 Microstructure (A) and particle size distribution (B) of ZIF-8 and TP@ZIF-8

2.2 TP@ZIF-8納米復(fù)合材料的DPPH自由基清除能力

DPPH自由基清除能力是評價物質(zhì)抗氧化能力的常用指標之一。由圖2可知，隨著TP@ZIF-8納米復(fù)合材料中TP添加量的逐漸增加，TP@ZIF-8的DPPH自由基清除能力呈先升高后降低的趨勢，當TP溶液的質(zhì)量濃度為3.125 mg/mL時，TP@ZIF-8的DPPH自由基清除能力最高。TP@ZIF-8復(fù)合材料的DPPH自由基清除能力介于ZIF-8和TP之間。以上結(jié)果說明TP@ZIF-8具有優(yōu)異的抗氧化能力，同時側(cè)面證明TP@ZIF-8納米復(fù)合材料合成成功。

圖2 TP@ZIF-8的DPPH自由基清除能力Fig. 2 DPPH radical scavenging capacity of TP@ZIF-8

2.3 TP@ZIF-8納米復(fù)合材料的包封率及裝載率

不同TP質(zhì)量濃度下形成的TP@ZIF-8納米材料的包封率和裝載率如圖3所示，當TP質(zhì)量濃度逐漸增加時，包封率呈現(xiàn)出先增加后逐漸變緩的趨勢，當TP質(zhì)量濃度達到2.500 mg/mL時，包封率不再增加，原因可能是TP的—OH與Zn形成的配位鍵已達到飽和。而裝載率與TP質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，原因可能是隨著TP質(zhì)量濃度的增加，TP@ZIF-8的產(chǎn)量增長緩慢，速率遠不及TP質(zhì)量濃度增加速率，因此裝載率依次遞增。

圖3 不同質(zhì)量濃度TP溶液制備TP@ZIF-8納米材料的包封率和裝載率Fig. 3 Encapsulation rates and loading rates of TP@ZIF-8 nanomaterials formed with different concentrations of tea polyphenol

2.4 TP@ZIF-8納米復(fù)合材料的TP釋放率

純TP溶液和TP@ZIF-8溶液在37 ℃、pH 7.4的PBS中釋放TP的效果如圖4所示，純TP溶液釋放速率快，在透析6 h時釋放率即達到22.40%，這可能是由于TP分子質(zhì)量較低，因而在沒有其他作用力的情況下便很快地擴散。而通過ZIF-8搭載的TP在透析開始的前2 h出現(xiàn)爆發(fā)釋放，釋放率達2.10%，然后釋放速率逐漸變緩，在透析4 h及6 h時的釋放率分別為2.67%和3.05%，之后釋放率變化較小。說明ZIF-8載體可以實現(xiàn)TP的緩慢釋放，達到延長TP釋放時間的效果。TP@ZIF-8最初以近乎恒定的速率釋放TP，該釋放行為遵循零級動力學模型。隨后是持續(xù)穩(wěn)定的釋放，這種行為可歸因于初始爆發(fā)釋放后CS納米粒溶脹形成凝膠，其對TP的釋放起控制作用。

圖4 純TP溶液和TP@ZIF-8納米復(fù)合材料溶液的TP釋放率Fig. 4 TP release rates of pure TP solution and TP@ZIF-8 nanocomposite solution

2.5 TP@ZIF-8納米復(fù)合材料的FT-IR分析結(jié)果

ZIF-8、TP、TP@ZIF-8的FT-IR分析結(jié)果如圖5所示。ZIF-8和TP@ZIF-8在600～1 500 cm之間都出現(xiàn)特征吸收峰，歸因于咪唑環(huán)的振動。421 cm處的吸收峰歸因于Zn-N振動。3 135 cm處的吸收峰歸因于ZIF-8和TP@ZIF-8中不飽和烴C-H的輕度伸縮振動。ZIF-8中2 962 cm處的吸收峰歸因于飽和烴的C-H（CH）反對稱伸縮振動，2 966 cm處的吸收峰歸因于TP@ZIF-8中飽和烴的反對稱伸縮振動。與ZIF-8相比，在TP和TP@ZIF-8中可以觀察到苯環(huán)的伸縮振動峰，TP的吸收峰位于1 629、1 610 cm處，TP@ZIF-8的吸收峰位于1 597、1 565 cm處，表明TP可通過自組裝法封裝到ZIF-8中。綜上所述，在TP@ZIF-8中觀察到ZIF-8和TP的特征峰，證明TP@ZIF-8合成成功。

圖5 ZIF-8、TP、TP@ZIF-8的FT-IR圖Fig. 5 FT-IR spectra of ZIF-8, TP and TP@ZIF-8

2.6 TP@ZIF-8納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性

通過TGA對制備材料的熱穩(wěn)定性進行分析，如圖6所示，TP和TP@ZIF-8在200 ℃前質(zhì)量都輕微降低。ZIF-8在300 ℃左右時出現(xiàn)第1個質(zhì)量損失階段，是由于孔外溶劑分子的失去。300～646 ℃是質(zhì)量逐漸損失的階段，幾乎沒有平臺期，原因可能是ZIF-8的結(jié)構(gòu)被破壞，ZIF-8的框架開始崩塌，說明其具有良好的熱穩(wěn)定性；而TP@ZIF-8在595 ℃開始分解，雖然與ZIF-8相比分解溫度降低，但是總體上保留了ZIF-8較好的熱穩(wěn)定性。

圖6 ZIF-8（A）、TP（B）、TP@ZIF-8（C）的TGA曲線Fig. 6 TGA curves of ZIF-8 (A), TP (B) and TP@ZIF-8 (C) nanocomposite

2.7 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的形貌、色澤、不透明度、穿刺強度、透光率、FT-IR、TGA、DSC分析結(jié)果

薄膜的透光性影響消費者對食品的感官評價，由于TP@ZIF-8納米復(fù)合材料呈現(xiàn)紅灰色，因此，含有TP@ZIF-8納米材料的復(fù)合膜亦呈現(xiàn)紅灰色。由圖7可知，不含有TP@ZIF-8納米材料的CS/SA復(fù)合膜具有較高的透明度，而且隨著TP@ZIF-8納米材料添加量的增加，復(fù)合膜的透明度逐漸降低。圖8A是TP@ZIF-8添加量分別為0%、5%時復(fù)合膜的表面形貌圖，不含有TP@ZIF-8納米材料的復(fù)合膜表面較為平滑，而TP@ZIF-8 納米材料添加量為5%的復(fù)合膜表面變得粗糙。圖8B為TP@ZIF-8添加量分別是0%、5%時復(fù)合膜的橫截面圖，可以看出復(fù)合膜明顯的雙層結(jié)構(gòu)，兩種復(fù)合膜之間的厚度相差較大，與表1的厚度數(shù)據(jù)相互印證。利用CS-280色差儀對復(fù)合膜的色澤進行定量分析，*值越大，代表膜的透光性越好。由表1可知，隨著TP@ZIF-8納米材料的含量增加，*值逐漸降低，表明復(fù)合膜的透光性在逐漸降低。*值為負代表色澤偏綠色，*值為正代表色澤偏紅色，*值的絕對值越大表示膜的顏色越深，由表1可知，復(fù)合膜的顏色偏紅色。復(fù)合材料的添加量越大，膜的顏色越深。隨著TP@ZIF-8納米材料添加量的增加，復(fù)合膜的厚度也逐漸增加。薄膜的機械強度是評價復(fù)合膜品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，利用質(zhì)構(gòu)儀對復(fù)合膜進行了薄膜穿刺實驗，隨著TP@ZIF-8復(fù)合材料添加量的增加，薄膜的穿刺強度也逐漸增加。

圖7 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的外觀照片F(xiàn)ig. 7 Photographs of TP@ZIF-8/CS/SA composite films

圖8 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的表面圖（A）及截面圖（B）Fig. 8 Surface (A) and cross-sectional (B) observation of TP@ZIF-8/CS/SA composite films

表1 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的相關(guān)性能表征Table 1 Properties of TP@ZIF-8/CS/SA composite films

紫外線會破壞食物中的抗氧化劑、脂類、營養(yǎng)素、色素和維生素等成分，并形成異味，對果蔬和其他食品的品質(zhì)造成不利的影響，因此，制備具有抗紫外線輻射作用的食品包裝是當前的重要研究方向之一。圖9為復(fù)合膜對紫外-可見光的吸收光譜，圖10為復(fù)合膜對紫外-可見光的透光率，可以看出各復(fù)合膜在紫外波長區(qū)（200～300 nm）內(nèi)有吸收，對紫外光有一定的阻隔性能，且隨著TP@ZIF-8納米材料添加量的增加，對紫外光的吸收強度也越大，紫外光的透過率總體也越來越低。因此，該復(fù)合膜可以保護食品免受紫外線的傷害。

圖9 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的紫外-可見吸收光譜Fig. 9 Ultraviolet absorption spectra of composite films

圖10 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的透光率Fig. 10 Transmittance of composite films

進一步利用FT-IR對復(fù)合膜中的官能團變化進行分析。如圖11所示，在所有的薄膜中3 200～3 600 cm范圍內(nèi)的寬峰歸因于-O-H的拉伸或分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用。除此之外，觀察到各組薄膜在1 650 cm處出現(xiàn)特征吸收峰，可能歸因于-C＝O的伸縮振動；還觀察到SA和復(fù)合膜在1 143 cm和1 148 cm處存在特征吸收峰，可能歸因于-C-O-C-的振動。在TP@ZIF-8復(fù)合膜中可以觀察到CS、SA和TP@ZIF-8特殊官能團的存在，表明復(fù)合膜制備成功。熱穩(wěn)定性也是生物可降解復(fù)合膜的性能的重要指標，由圖12可知，各組復(fù)合膜都出現(xiàn)3 個質(zhì)量損失的過程，在30～200 ℃范圍內(nèi)的質(zhì)量損失可能是由于水分的蒸發(fā)；在200～300 ℃處觀察到第2次質(zhì)量損失，這可能是由于甘油以及SA和CS的降解，300～500 ℃各組復(fù)合膜的質(zhì)量損失趨于平緩，為生物聚合物的炭化過程。對復(fù)合膜進行DSC分析，從圖13中可以看出，0%的復(fù)合膜在200 ℃左右出現(xiàn)熔化峰，而1%、2.5%、5%復(fù)合膜組在225℃左右出現(xiàn)熔化峰，總體上，加入TP@ZIF-8納米材料的熔化峰對應(yīng)的溫度高于沒加TP@ZIF-8納米材料組，說明材料的加入可以改善膜的熱穩(wěn)定性。

圖11 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的FT-IRFig. 11 FT-IR spectra of the composite films

圖12 復(fù)合膜的TGA曲線Fig. 12 TGA curves of composite films

圖13 復(fù)合膜的DSC曲線Fig. 13 DSC curves of composite films

2.8 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的阻隔性能

氧氣透過率是評價生物可降解薄膜的重要指標，氧氣可以使包裝中的食物發(fā)生氧化反應(yīng)而變質(zhì)，食品包裝的氧氣透過率低會對食品品質(zhì)的維持發(fā)揮有益作用。由圖14可知，隨著TP@ZIF-8納米材料添加量的增加，復(fù)合膜的氧氣透過能力在逐漸地降低。通常，CS膜的氧氣透過能力與氧氣和CS中的NH的結(jié)合有關(guān)，而TP@ZIF-8納米材料的加入降低了CS/SA復(fù)合膜的氧氣透過率，可能是由于TP@ZIF-8納米材料可以改變SA和CS的結(jié)構(gòu)，從而降低了氧氣透過率。同時，還可以看出TP@ZIF-8納米材料的加入也顯著降低了CO透過率，且其添加量越高，復(fù)合膜對二氧化碳的阻隔性能越好。綜上，TP@ZIF-8納米復(fù)合材料添加量為5%時對復(fù)合膜阻隔氧氣和二氧化碳性能改善效果較好，這可能是由于TP@ZIF-8納米材料與SA和CS發(fā)生了相互作用，提高了復(fù)合膜的O和CO阻隔性能。

圖14 復(fù)合膜的阻隔性能Fig. 14 Barrier properties of composite films

2.9 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜對細菌的抑制效果

抑菌食品包裝膜的研究近年來引起了極大的關(guān)注。抑菌食品包裝膜可以作為防止細菌入侵的有效物理屏障，延長食品保質(zhì)期。因此，包裝材料的抑菌性能也是評價其性能的較為重要的指標。如圖15所示，各組復(fù)合膜對與的抑菌效果基本一致，復(fù)合材料添加量為5%的復(fù)合膜抑菌率將近100%。抑菌性能的顯著提高，一方面是因為TP從ZIF-8緩慢地釋放，促進了細菌細胞內(nèi)活性氧含量的增加從而發(fā)揮抑菌性能；另一方面是因為ZIF-8在與細菌共同孵育的液體中發(fā)生降解，釋放Zn和2-甲基咪唑。許多研究表明，鋅基顆粒中Zn的釋放是ZIF-8發(fā)揮抑菌性能的重要原因。Zn使細菌的細胞質(zhì)膜變形，細胞的形狀發(fā)生變化，離子滲入細胞壁導致細胞質(zhì)泄漏，這些因素導致細胞的最終死亡，因此，ZIF-8能夠發(fā)揮顯著的抑菌作用。綜上，TP@ZIF-8納米材料的加入改善了CS/SA復(fù)合膜的抑菌性能。

圖15 復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌性能Fig. 15 Antibacterial performance of composite films against Escherichia coli and Staphylococcus aureus

2.10 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的抗氧化活性

由圖16可知，當復(fù)合材料的添加量為5%時，復(fù)合膜的DPPH自由基清除能力和ABTS陽離子自由基清除能力最高。主要是因為其主要活性成分TP作為供氫體與自由基發(fā)生反應(yīng)，終止了自由基的鏈式反應(yīng)，使DPPH溶液和ABTS溶液明顯褪色。復(fù)合膜在與水接觸的同時，水分子會逐步侵入到復(fù)合膜中，該過程會導致復(fù)合膜溶脹溶解，使得TP從ZIF-8中逐步被釋放出來，從而起到清除DPPH自由基和ABTS陽離子自由基的作用。而當溶液達到平衡狀態(tài)時，TP含量最高，清除DPPH自由基和ABTS陽離子自由基的能力也隨之提高。

圖16 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的抗氧化活性Fig. 16 Antioxidant activities of composite films

3 結(jié) 論

TP@ZIF-8納米材料的加入對CS/SA復(fù)合膜的外觀有一些影響，使膜的顏色變深（變?yōu)榧t色），并使膜的表面變得粗糙；TP@ZIF-8納米材料的加入對復(fù)合膜的機械性有明顯的改善作用，TP@ZIF-8納米材料的添加增加了復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性能；此外，與CS/SA復(fù)合膜相比，TP@ZIF-8納米材料的添加量為5%時復(fù)合膜的阻隔性能（紫外線、氧氣、二氧化碳等）顯著提升（＜0.05）。TP@ZIF-8納米材料的加入賦予了復(fù)合膜良好的抑菌性能和抗氧化性能，因此，本實驗制備的TP@ZIF-8/CS/SA活性包裝膜有望應(yīng)用于食品保鮮。