3種植物精油微膠囊抗菌膜在魚丸保鮮中的應用

歐陽銳，俞俊穎，林淵智，項雷文，施源德*

（1.福建技術師范學院，福建 福清 350300；2.食品軟塑包裝技術福建省高校工程研究中心，現代設施農業福建省高等學校工程研究中心，福建省-印尼海洋食品聯合研發中心，福建 福清 350300）

魚丸等魚糜制品內含脂質和蛋白質等物質容易氧化變質[1]，一般通過保鮮膜包裝并置于冷藏環境，來延長保鮮期，常見包裝膜主要是阻隔氧氣和水分，且基本是石油基衍生材料，存在降解時間長，環境污染大等問題[2]。因此，研究具有生物可降解性和抗菌功能的食品包裝膜，對延長食品貯藏期和減少環境污染具有重要意義。

近幾年，構建抗菌緩釋體系是抗菌包裝材料的研究熱點。其中，將微膠囊技術應用在天然抗菌劑緩釋體系中，具有適用性廣和緩釋效果好的特點[3-4]，該技術通常是以半透性的高分子材料為壁材，將一些易氧化、易揮發的物質包裹，制成微米或納米的小粒子，得到緩釋材料。張家濤等[5]研究茶多酚復合涂膜對美國紅魚魚片的保鮮性能，發現幾種茶多酚微膠囊復合涂膜，都能形成抗菌劑緩釋體系，能有效抑制魚片中微生物的生長。付秋瑩等[6]以百里香精油為芯材，多孔淀粉為壁材，采用銳孔-凝固法成功制備具有優異緩釋效果的微膠囊。

生物可降解包裝材料是指在自然界中的微生物作用下（真菌、細菌等），能逐漸解體，最終降解成CO2、H2O、無機鹽等[7-8]的材料。其中，聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）是一種水溶性可降解高分子，其透明度、光澤度、抗靜電性能較好，但是其阻隔性能較差[9]。而殼聚糖（chitosan，CS）是一種無毒、生物可降解的天然高分子抑菌劑，常用于聚乙烯醇等高分子改性，是一種良好的成膜助劑[10]。課題組在前期研究發現CS和PVA二者共混制備可降解薄膜，能保留薄膜的優良力學性能以及透明度，且能提高薄膜的阻隔性能[11-12]。因此，在此基礎上，通過微膠囊技術包埋不同的天然抗菌劑，并將微膠囊融入生物可降解膜中，有望構建良好緩釋性能的食品保藏抗菌材料。

本文分別以香芹酚、百里香酚、牛至油作為芯材，以 β-環糊精（β-cyclodextrin，β-CD）作為壁材，通過飽和水溶液法來合成精油微膠囊，再將合成的微膠囊添加到CS與PVA復配為基底的抗菌膜中（CS/PVA），制成具有緩釋性能的可降解抗菌膜，分析抗菌膜的力學性能、阻隔性能以及對魚丸的保鮮性能，以期為魚糜制品的新型緩釋包裝材料開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

β-環糊精（分析純）：上海泰坦科技股份有限公司；百里香酚、香芹酚、牛至油、吐溫-80、乙酸、甘油、1799聚乙烯醇（均為分析純）：上海麥克林生化科技有限公司；殼聚糖（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；甲基紅、溴甲酚綠（均為分析純）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.1.2 儀器與設備

紅外光譜儀（Nicolef LS10）、傅里葉紅外光譜儀（Nicolet 380）：美國熱電公司；智能電子拉力試驗機（XLWPC）：濟南賽成有限公司；熱重分析儀（TGS-3A）：廈門紅辰科技有限公司；凱式定氮儀（K9840型）：濟南海能儀器股份有限公司；生化培養箱（SPX-150-B-Z）：上海博迅實業有限公司；手輪立式壓力蒸汽滅菌鍋（LDZX-50KBS）：上海申安醫療器械廠。

1.2 方法

1.2.1 魚丸的制作工藝

魚丸的制作方法參考文獻[13]。

1.2.2 精油微膠囊的制備

采用飽和水溶液法，參考文獻[14]的方法制備β-CD精油微膠囊。

1.2.3 CS/PVA基底膜的制備

將1 g CS加入乙酸溶液（質量分數2%）中，充分攪拌待用；將PVA與蒸餾水以1∶10（質量比）完全溶解待用；將CS乙酸溶液與PVA水溶液以3∶2（體積比）進行共混，并添加適量甘油和吐溫-80后，在60℃下加熱攪拌1 h得到混合成膜液，超聲消泡，取一定量成膜液倒入模具中，在60℃烘箱中干燥9 h，獲得CS/PVA膜[11]。

1.2.4 微膠囊/CS/PVA膜的制備

取一定量微膠囊抗菌劑（PVA干重20%）用無水乙醇溶解后，加入基底混合成膜液，超聲消泡；取一定量成膜液倒在模具中，在60℃烘箱中干燥9 h，獲得抗菌膜[15]。此方法制得以下3種β-CD包埋的微膠囊抗菌膜：香芹酚β-CD微膠囊/CS/PVA抗菌膜（香芹酚膜）；百里香酚β-CD微膠囊/CS/PVA抗菌膜（百里香酚膜）；牛至油β-CD微膠囊/CS/PVA抗菌膜（牛至油膜）。

1.3 試驗分組

用微膠囊抗菌膜封裝品相均一的新鮮魚丸，并在常溫（25.0±0.5）℃下進行感官評價。試驗組：A為魚丸+香芹酚膜；B為魚丸+百里香酚膜；C為魚丸+牛至油膜；對照組：D為魚丸+CS/PVA膜；E為魚丸（無覆膜）。

1.4 測試方法

1.4.1 機械性能測試

參照GB/T 1040.1—2018《塑料拉伸性能的測定第1部分：總則》，測試抗菌膜的拉伸強度和斷裂伸長率。

1.4.2 透氣性能的測試

參照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法壓差法》測試抗菌膜的氣體透過量。

1.4.3 感官指標的評定

參照GB 10136—2015《食品安全國家標準動物性水產制品》，制定評分標準[16]。評價人員由10人組成，對評分結果進行統計分析，感官評分取平均值。魚丸感官評分標準見表1。

表1 魚丸感官評分標準Table 1 Fish balls freshness and sensory evaluation criteria project

1.4.4 pH值測定

參照GB 5009.237—2016《食品安全國家標準食品pH值的測定》，采用酸度計測定其pH值。

1.4.5 抑菌性能測定

參照瓊脂擴散法，研究抗菌膜對革蘭氏陽性菌（大腸桿菌）和革蘭氏陰性菌（金黃色葡萄球菌）的抑菌試驗[17]，其中抑菌圈直徑包含濾紙（直徑16 mm）。

1.4.6 揮發性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVBN）值的測定

參照GB 5009.228—2016《食品安全國家標準食品中揮發性鹽基氮的測定》，采用半自動凱氏定氮儀法測定魚丸的TVB-N值。

1.5 數據分析

采用Origin 9.0軟件繪制曲線，所有數據以平均值±標準差表示。

2 結果與討論

2.1 微膠囊的性能分析

2.1.1 微膠囊的紅外光譜

β-CD、百里香酚和3種微膠囊的傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscop，FTIR），如圖 1所示。

圖1 微膠囊的紅外光譜Fig.1 The FTIR spectra of essential oil microcapsules

如圖1所示，在曲線a中β-CD的-OH和C-O-C伸縮振動峰，分別出現在3 340 cm-1和1 030 cm-1處[18]。在曲線b中百里香酚的FTIR光譜中，可觀察到百里香酚芳香環上的C=C拉伸振動峰和C-O的伸縮振動峰，分別出現在1 870 cm-1左右和1 100 cm-1左右[19]。曲線c為物理混合的百里香酚和β-CD的紅外圖譜，圖中較好地保留了β-CD和百里香酚的特征峰，其峰的振動強度與β-CD和百里香酚相比，峰形變化不大。而紅外光譜圖中百里香酚微膠囊的曲線d，除了有β-CD的特征峰以外，與百里香酚曲線b相比存在一定的差異，主要是1 870、1 100 cm-1處的2個峰強度有所減弱或者消失[20]，這可能是百里香酚的苯環通過疏水作用進入β-CD的空腔中，這表明百里香酚/β-CD微膠囊成功制得。同理可知，牛至油/β-CD抗菌微膠囊和香芹酚/β-CD微膠囊也成功制備。

2.1.2 微膠囊的熱重分析

β-CD、百里香酚和3種微膠囊的熱重曲線，如圖2所示。

圖2 微膠囊的TG圖Fig.2 TG curve of microcapsules

由圖2中可知，曲線a（β-CD）出現2個失重區，第一個區域在100℃附近，可能是β-CD空腔中有少量的水分受熱后損失；第二個區域為β-CD受熱分解，即在315℃時開始發生熱降解，到350℃時基本結束。而曲線b（百里香酚）只有一個失重區，在75℃左右就開始失重，在180℃左右，完全受熱分解。與百里香酚和β-CD相比，曲線c百里香酚/β-CD微膠囊熱重曲線明顯不同，在100℃之前處于緩慢失重狀態，這可能是β-CD空穴中的結晶水被百里香酚占據，導致100℃之前的結晶水失重過程沒有出現，而后緩慢失重可能是百里香酚精油的釋放導致，直至β-CD的熱降解階段，可知β-CD包裹百里香酚揮發時長，熱穩定性更好[21]。香芹酚/β-CD微膠囊在300℃左右開始熱降解，而牛至油/β-CD微膠囊在200℃左右就開始熱降解。綜上，3種精油微膠囊中精油與β-CD作用都較為牢固，能使得精油的揮發性降低，達到良好的緩釋效果。

2.2 抗菌膜的性能分析

2.2.1 抗菌膜的機械性能

圖3為在抗菌微膠囊相同添加量下，3種抗菌膜的拉伸強度和斷裂伸長率對比圖。

圖3 抗菌膜的機械性能Fig.3 Mechanical properties of antibacterial films

由圖3可知，與CS/PVA膜（未添加微膠囊）相比，添加微膠囊后3種抗菌膜的拉伸強度均有所下降，斷裂伸長率都增加。其中牛至油膜和百里香酚膜的拉伸強度下降較多，而香芹酚膜的拉伸強度下降最少，這可能是微膠囊的加入能起到增塑作用，減小了分子間的作用力，柔性增加，拉伸強度降低；同時，百里香酚膜的斷裂伸長率增加最多，這可能與添加的微膠囊顆粒（精油/β-CD）在膜中分散程度不同引起的[18]。因此，精油抗菌膜的斷裂伸長率相對CS/PVA膜有所提高，且百里香酚膜力學性能最佳，說明添加的抗菌微膠囊能提高膜的延展性。

2.2.2 抗菌膜的阻隔性能

圖4為3種抗菌膜和空白對照組的氣體透過系數。

圖4 抗菌膜的氣體透過系數Fig.4 Gas permeability of antibacterial films

由圖4可知，氧氣的透過系數相差不大，表明CS/PVA膜的阻隔性較好，而二氧化碳的透過系數變化比較明顯。與對照組（CS/PVA膜）相比，添加微膠囊后抗菌膜的二氧化碳透過系數都有所下降，這可能是適量微膠囊加入膜中，能延長二氧化碳分子在CS/PVA基底膜中的擴散路徑。其中，牛至油膜二氧化碳透過系數下降最多，其次是百里香酚膜，下降最少的是香芹酚膜，這可能原因是百里香酚/β-CD微膠囊粒徑最小，且在膜中分布更加均勻，使得二氧化碳分子在抗菌膜中的擴散路徑更長，導致二氧化碳分子的透過系數更低[21]。

2.2.3 抗菌膜的紅外光譜分析

圖5為抗菌膜和空白組膜的紅外光譜圖。

圖5 抗菌膜的紅外光譜Fig.5 The FTIR spectra of antibacterial films

由圖5可知，4條曲線在3000cm-1左右出現了PVA的C-H的彎曲振動峰，在3 500cm-1左右的特征峰對應的是PVA的-OH伸縮振動峰。1 422、1 660 cm-1為殼聚糖酰胺的特征吸收峰[22]，983 cm-1附近的吸收峰是PVA與植物精油之間形成的環醚鍵，這種交聯作用限制了CS/PVA分子鏈的運動[23]，會影響抗菌膜的穩定性以及阻隔性能。

2.3 抗菌膜對魚丸的保藏效果影響

2.3.1 貯藏期間感官評分的變化

圖6為不同膜封裝魚丸在常溫（25.0±0.5）℃下貯藏過程中的感官評分曲線。

圖6 貯藏過程中魚丸的感官評分Fig.6 Sensory score of fish balls during storage

由圖6可知，在前2 d，不同膜包裹的魚丸的感官評分幾乎相同，但隨著貯藏時間的延長，不同膜封裝的魚丸的感官評分曲線有明顯差異，在第4天時，無包覆膜和CS/PVA膜的感官評分下降比較明顯，且CS/PVA的感官評分高于無包覆膜，這可能是CS和PVA本身的抑菌官能團的作用。在第5天，3種抗菌膜包裹的魚丸的感官品質相對較為穩定，評分曲線下降較為平緩，感官評分明顯高于無抗菌膜包裹的魚丸，這可能與抗菌膜中微膠囊內抗菌劑的緩釋效果有關[24-25]，即在貯藏后期抗菌劑還能維持較高的濃度，從而延緩魚丸變質。其中，采用香芹酚膜包覆的魚丸的感官評分稍優于另外2種抗菌膜，而無膜包覆的魚丸感官評分最低。制備的3種植物精油微膠囊抗菌膜的緩釋保鮮效果都比較明顯，能延長魚丸貨架期。

2.3.2 貯藏期間pH值的變化

圖7為不同膜封裝魚丸的在常溫（25.0±0.5）℃下貯藏過程中的pH值曲線。

圖7 貯藏過程中魚丸pH值的變化Fig.7 Changes of pH of fish balls during storage

由圖7可知，隨著貯藏時間的延長，pH值呈現先上升后下降的趨勢，這主要是因為魚丸中微生物繁殖并分解蛋白質，產生了堿性化合物，引起pH值上升[11]。從第2天開始pH值下降，這可能與魚丸中淀粉等的水解產物發生無氧降解，以及微生物利用糖類產生乳酸等有關。貯藏時間為4 d～5 d時，有添加微膠囊的抗菌膜的pH值下降幅度較小，這可能是微膠囊中植物精油緩慢釋放，抑制了細菌的生長繁殖，從而減小pH值的降低幅值[21]，其中，香芹酚膜組的pH值變化幅度最小，無包覆保鮮袋組的pH值變化的幅度最大。

2.3.3 貯藏期間TVB-N值的變化

圖8為不同膜封裝的魚丸在常溫（25.0±0.5）℃下貯藏過程中TVB-N的變化曲線。

由圖8可知，前2 d所有試驗組的TVB-N值變化程度都較為接近，在貯藏第2天后，3組精油微膠囊膜包裹的魚丸TVB-N值曲線斜率較小，可能是微膠囊中抗菌劑的緩釋出來抑制了魚丸中微生物的繁殖，減少魚丸TVB-N值的產生[19]，其中香芹酚膜包裹魚丸TVBN值曲線斜率最小，其它TVB-N值的曲線斜率增大順序：百里香酚膜＞牛至油膜＞CS/PVA膜＞無包裹組，這與上述pH值的結果一致，且在貯藏第5天的時候無包裹組保鮮效果超過30 mg/100 g，魚丸已經明顯腐敗。

圖8 貯藏過程中魚丸TVB-N值的變化Fig.8 TVB-N changes of fish balls during storage

2.4 抗菌膜的抑菌性能

圖9分別是抗菌膜對大腸桿菌和革蘭氏陰性菌的抑菌效果圖，表2是抑菌圈直徑的均值。

圖9 大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈Fig.9 The inhibition zone of Escherichia coli and Staphylococcus aureus

表2 抗菌膜抑菌圈數值Table 2 Antibacterial film inhibition zone value

結合圖9和表2可知，4組抗菌膜對金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性菌）的抑菌效果都較好，且都要優于對大腸桿菌（革蘭氏陰性菌）。其中，香芹酚膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制效果最好，而牛至油膜和百里香酚膜對大腸桿菌的抑制效果次之，CS/PVA膜抑制效果最差，這是因為精油微膠囊的在培養基中有效抗菌濃度及其對不同菌的抗菌機理不同有關。

3 結論

本文成功制備了β-CD包裹的香芹酚、百里香酚、牛至油3種微膠囊，并將微膠囊添加到殼聚糖和聚乙烯醇復配的基底膜中，研究添加不同種類的微膠囊對抗菌膜的力學性能和抗菌性能的影響。結果表明，在添加等質量抗菌劑膠囊（PVA干重20%）的情況下，相對CS/PVA膜，3種微膠囊添加到基底膜中，都使得膜的斷裂伸長率增加，拉伸強度下降，阻隔性能增強，其中百里香酚膜力學性能和阻隔性能最佳。此外，3組精油抗菌膜在常溫（25.0±0.5）℃下真空封裝魚丸，由魚丸貯藏期間TVB-N值、pH值和感官評分變化可知，添加香芹酚/β-CD微膠囊的抗菌膜緩釋抑菌效果最好，該研究有望為天然抗菌劑合成微膠囊抗菌膜，并應用在食品保鮮方面提供實踐參考，同時也有利于減少石油基塑料對環境的污染問題。