添加麝香草酚和丁香油的马铃薯淀粉基抗菌膜的制备及性能研究*

王利强，贾超，卢立新，谢甲有

1(江南大学包装工程系，江苏无锡，214122)

2(中国包装总公司食品包装技术与安全重点实验室，江苏无锡，214122)

3(浙江海正药业股份有限公司，浙江台州，318000)

淀粉基复合膜是以淀粉为主要成膜物质，并与其他多糖、蛋白质、脂肪结合在一起，通过不同分子之间的相互作用而形成的具有多孔网络结构的薄膜。与单膜相比，复合膜在性能上不仅能够取长补短，而且可以相互协同，达到单膜所不具备的优异性能。淀粉膜具有良好的拉伸性、透明度、耐折性、水不溶性和低透气率等特点。其中，马铃薯淀粉膜在膜强度、柔韧性、透明度和溶解度等方面都优于谷物淀粉所成的膜［1］。普鲁兰多糖制成的薄膜透明，有光泽，强度高，具有良好的热封性，透气性比其它高分子膜低，氧气、氮气、二氧化碳、香气等气体几乎不能透过，且具有抗油脂的特性［2］。明胶可食性膜具有阻氧性、防止油脂迁移和抗微生物繁殖等作用，可用于包裹水分含量低、含脂量高的食品或药物囊衣［3］。麝香草酚又称百里香酚，最初发现于麝香草、薄荷科芬芳植物和陈皮的精油中，具有防腐杀菌及抗氧化的作用［4］。丁香为桃金娘科植物丁香的干燥花蕾，其性辛温，主要成分是丁香酚，占丁香油含量的80% ～95%。丁香油具有较强的抗菌杀菌能力和抗氧化作用，可用作食品保鲜剂，它的抑菌谱宽，对酵母、细菌、霉菌都有较强的抑制力［5-6］。本文将麝香草酚和丁香油添加到马铃薯淀粉基复合膜中，研究抗菌剂对复合膜机械性能、水蒸气透过率、水溶性、透光率的影响，并采用抑菌圈实验研究添加抗菌剂的复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果，从而为抗菌可食膜的理论研究和实际商业应用提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯淀粉、明胶、甘油、无水CaCl2、牛肉浸膏、琼脂粉、麝香草酚、NaOH，国药集团化学试剂有限公司;普鲁兰多糖，河南所以化学试剂有限公司;丁香油，中国医药(集团)上海化学试剂公司;鱼蛋白胨，北京奥博星生物技术有限公司。

1.2 仪器与设备

YJ501超级恒温水浴锅，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;JB200-S数字显示转速电动搅拌机，上海标本模型厂;恒温恒湿试验机，庆声科技股份有限公司;Q/ILBN2-2006CH-1-S千分手式薄膜测厚仪，上海六菱仪器厂;LRX Plus型万能电子材料试验机，英国LLOYD公司;UV-2802型紫外可见光分光光度计，尤尼柯(上海)仪器有限公司;SYQ-DSX-280B型手提式压力蒸汽灭菌锅，上海申安医疗器械厂;智能人工气候箱，常州诺基仪器有限公司;SW-CJ-1G型单人净化工作台，苏净净化设备有限公司;THZ-85B型台式恒温振荡器，常州诺基仪器有限公司;SPX-150B-Z型生化培养箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂。

1.3 实验方法

用100 mL去离子水溶解3.5 g马铃薯淀粉，80℃水浴糊化20 min，加入1 g普鲁兰多糖和0.5 g明胶，水浴搅拌20 min，加入 0.5 g甘油和 0.1 g CaCl2，随后加入一定质量的麝香草酚或丁香油，用去离子水定容到200 mL，水浴搅拌15 min，制成成膜物质的质量分数为2.5%，抗菌剂的含量(w/v)为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的溶液，在有机玻璃板上流延成膜，在50℃干燥箱中烘干。冷却揭膜，保存备用。

1.3.2 性能测试

1.3.2.1 厚度测定

用千分手式薄膜测厚仪(测量精度为0.001 mm)在被测膜上随机取5点测定，取平均值。

1.3.2.2 机械性能测定

根据 GB1040.3-2006［7］，将薄膜裁成 15 mm ×150 mm的长条，在材料试验机上以50 mm/min的速度测定薄膜的机械性能。

小学数学的教学内容虽然具有一定的理论性，但这些理论知识往往普遍地体现在生活当中，教师在教学过程中，要围绕学生的现实生活展开积极的联想，发掘其中蕴含数学知识的现象或场景，并将其进行加工和设计，合理地引入到课堂教学中来，把理论化的知识通过现实的事物表现出来，易于学生理解和接受。

1.3.2.3 水蒸气透过率(WVP)测定

水蒸气透过率(water vapor permeability，WVP)参照王静平［8］所述的方法进行测定。

1.3.2.4 水溶性测定［9］

将薄膜裁剪成50 mm×50 mm大小，与烧杯一起干燥至恒重，称量薄膜的质量m0及薄膜与烧杯的总质量m1。在烧杯中加入100 mL水，室温下浸泡24 h，倒掉水后将薄膜和烧杯干燥至恒重，称量薄膜与烧杯的总质量m2，计算水溶性(S):

1.3.2.5 透光率测定［10］

将薄膜裁成长100 mm、宽12 mm的矩形，紧贴于比色皿一侧，在600 nm波长下测定其透光率，以空比色皿作为对照。

1.3.2.6 抗菌性能测定

(1)菌种的活化与菌悬液的制备

将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌用牛肉膏蛋白胨琼脂斜面培养基连续培养活化2次，从2次活化的斜面培养基上取1菌环量的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌接种到装有100 mL无菌牛肉膏蛋白胨液体培养基的三角瓶中，于37℃、每分钟振荡120次的往返式振荡器中培养12 h，得测试菌液。用无菌生理盐水对测试菌液做10倍梯度稀释，取浓度为107CFU/mL的菌悬液备用

(2)抑菌圈实验

在超净工作台中，将熔化的牛肉膏蛋白胨琼脂固体培养基倒入无菌培养皿中，每个培养皿中倒15 mL，冷却得到培养基平板，用移液枪吸取0.2 mL菌悬液滴加到培养基平板上，用无菌涂布环将菌悬液涂布均匀，制得含菌培养基平板，干燥10 min。

用打孔器分别将不含抗菌剂的薄膜和含有抗菌剂的薄膜打成直径为6.5 mm的圆片，紫外灯下灭菌30 min，用无菌镊子夹起薄膜放入含菌培养皿中，贴放好后，用无菌镊子轻压膜片，使其紧贴于平板表面。每个培养皿分别放置膜片1片，平行做3个培养皿。盖好培养皿，倒置于37℃生化培养箱中培养18～24 h，观察结果。用游标卡尺测量抑菌圈的直径(包括膜片)并做记录，用抑菌圈面积大小衡量薄膜的抗菌效果。

抑菌面积=抑菌圈整个面积-膜片面积

2 结果与讨论

2.1 抗菌剂对复合膜机械性能的影响

由图1可知，添加麝香草酚的复合膜抗拉强度先减小后增加，而断裂伸长率先增加后减小。未添加麝香草酚的复合膜的抗拉强度和断裂伸长率分别为23.93 MPa和10.51%。

图1 麝香草酚对复合膜机械性能的影响Fig.1 Effect of thymol on the mechanical properties of composite films

随着麝香草酚的添加，复合膜的抗拉强度先减小，当麝香草酚的含量为0.2%时，复合膜的抗拉强度减小到最小，最小抗拉强度为14.96 MPa，与未添加麝香草酚的复合膜相比，减小了37.48%。随着麝香草酚含量的继续增加，复合膜的抗拉强度开始增加。复合膜的抗拉强度减小可能是由于麝香草酚使复合膜的平均孔径增加造成的;随着麝香草酚含量的增加，抗拉强度增加，可能是由于麝香草酚与成膜物质之间形成了交联［11］。随着麝香草酚含量的增加，复合膜的断裂伸长率先增加，当麝香草酚的含量为0.2%时，复合膜的断裂伸长率达到最大，最大断裂伸长率为12.14%，与未添加麝香草酚的复合膜相比，增加了15.51%。随着麝香草酚含量的继续增加，复合膜的断裂伸长率开始减小。薄膜的断裂伸长率代表了薄膜拉伸的能力，通常抗拉强度的增加伴随着断裂伸长率的减小。Jang等［11］的研究结果表明，添加麝香草酚的红藻-明胶复合膜的抗拉强度先减小后增加，而断裂伸长率没有明显变化。

由图2可知，添加丁香油的复合膜抗拉强度先增加后减小，而断裂伸长率呈先减小后增加的趋势。随着丁香油含量的增加，复合膜的抗拉强度先增加，当丁香油的含量为0.2%时，抗拉强度达到最大，最大抗拉强度为25.13 MPa，与未添加丁香油的复合膜相比，增加了5.01%。当添加的丁香油含量大于0.2%时，复合膜的抗拉强度急剧减小，当丁香油含量为0.5%时，减小到了17.07 MPa。丁香油的主要成分是丁香酚，占丁香油含量的80% ～95%［6］。丁香酚含有羟基，在复合膜中添加丁香油后，复合膜的抗拉强度增加，可能是由于丁香酚所含的羟基与成膜物质所含的羟基、氨基或羰基形成氢键，从而增加了成膜物质之间的相互作用。而当丁香油含量较高时，过多的丁香油会造成薄膜网络微观结构的破坏［12］，因而抗拉强度减小。复合膜的断裂伸长率随着丁香油含量的增加先增加，当丁香油含量为0.1%时，断裂伸长率增加到13.24%，随后开始减小，直到丁香油含量为0.3%时，复合膜的断裂伸长率减小到最小，最小断裂伸长率为8.44%，与未添加丁香油的复合膜相比，减小了19.70%。随着丁香油含量的继续增加，复合膜的断裂伸长率开始增加。

图2 丁香油对复合膜机械性能的影响Fig.2 Effect of clove oil on the mechanical properties of composite films

2.2 抗菌剂对复合膜WVP的影响

由图3可知，在复合膜中添加麝香草酚和丁香油，复合膜的WVP均增加。添加麝香草酚，复合膜的WVP增加，可能是由于添加麝香草酚后复合膜的平均孔径增加［11］，从而导致复合膜对水的渗透性提高。添加丁香油，复合膜的WVP增加，可能是由于丁香油的主要成分丁香酚的羟基与水相互作用，增加了复合膜的含水量，从而使复合膜的渗透性增加。

图3 抗菌剂对复合膜WVP的影响Fig.3 Effect of antibacterial agents on the WVP of composite films

Jang等［11］的研究结果表明，添加麝香草酚的红藻-明胶复合膜的WVP增加。而Han等［13］的研究结果却表明，添加麝香草酚的低密度聚乙烯/聚酰胺膜的WVP减小。Wang等［12］的研究结果表明，壳聚糖膜中添加丁香油后，壳聚糖膜的WVP增加。

2.3 抗菌剂对复合膜水溶性的影响

由图4可知，添加麝香草酚的复合膜的水溶性先增加后减小，而添加丁香油的复合膜的水溶性逐渐增加。未添加抗菌剂的复合膜的水溶性为25.55%，随着麝香草酚的加入，复合膜的水溶性逐渐增加，当麝香草酚的含量为0.2%时，水溶性达到最大，最大水溶性为42.27%，与未添加麝香草酚的复合膜相比，增加了65.44%。随着麝香草酚含量的继续增加，复合膜的水溶性开始减小。在复合膜中添加少量的麝香草酚，造成了复合膜平均孔径的增加［11］，因而水溶性增加;随着麝香草酚含量的增加，复合膜的水溶性减小，这可能是由于麝香草酚与成膜物质之间形成了交联［11］，使复合膜的结构变得更加紧密，因而水溶性减小。在复合膜中添加丁香油，复合膜的水溶性增加，这主要是由于成膜物质与多元酚相互作用，从而削弱了成膜物质之间的相互作用［14］。Gómez-Estaca等［14］的研究结果表明，在明胶膜中添加丁香油会显著增加薄膜的水溶性。

图4 抗菌剂对复合膜水溶性的影响Fig.4 Effect of antibacterial agents on the water-solubility of composite films

2.4 抗菌剂对复合膜透光率的影响

由图5可知，在复合膜中添加麝香草酚和丁香油，复合膜的透光率均先减小后增加。未添加抗菌剂的复合膜的透光率为84.66%，随着抗菌剂的加入，复合膜的透光率逐渐减小，当麝香草酚和丁香油的含量分别为0.2%和0.3%时，复合膜的透光率均减小到最小，最小透光率分别为64.40%和64.67%，与未添加抗菌剂的复合膜相比，分别减小了23.93%和23.61%。随着抗菌剂含量的继续增加，复合膜的透光率又有所增加。

图5 抗菌剂对复合膜透光率的影响Fig.5 Effect of antibacterial agents on the light transmission rate of composite films

2.5 抗菌剂对复合膜抗菌性能的影响

由图6可知，添加麝香草酚的复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积均随麝香草酚含量的增加而增加。当麝香草酚的含量为0.1%时，复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积分别为27.63 mm2和36.97 mm2。随着麝香草酚含量的增加，抑菌圈面积逐渐增加，当麝香草酚含量为0.5%时，抑菌圈面积分别达到46.31 mm2和53.46 mm2。

由图6还可以看到，除麝香草酚含量为0.4%外，添加麝香草酚的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积都大于对大肠杆菌的抑菌圈面积，说明添加麝香草酚的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用强于对大肠杆菌的抑制作用。这是由于麝香草酚是疏水的，它能够破坏革兰氏阴性菌外面的膜，使其释放出脂多糖，从而增加细胞质膜对ATP的渗透性［15］。研究认为细菌的细胞膜结构是由两层磷脂分子组成的，麝香草酚具有较强的表面活性和脂溶性，能迅速穿入细胞膜，使其结构发生变化，引起膜的扩张和不稳定，增加膜的流动性，从而破坏细胞的生理代谢，抑制细菌正常的生理活动［16-17］。

图6 麝香草酚对复合膜抗菌性能的影响Fig.6 Effect of thymol on the antibacterial properties of composite films

Jang等［11］的研究结果表明，添加麝香草酚的红藻-明胶复合膜对大肠杆菌有抑制作用，且随着麝香草酚浓度的增加，抑制作用增加。Gniewosz等［18］的研究结果表明，添加麝香草酚的普鲁兰多糖膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用强于对大肠杆菌的抑制作用。Kuorwel等［19］的研究结果表明，用麝香草酚涂层的淀粉基薄膜能够有效地抑制金黄色葡萄球菌的生长，且抑菌效果随着麝香草酚浓度的增加而显著增加。

由图7可知，添加丁香油的复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积均随丁香油含量的增加而增加。当丁香油的含量为0.1%时，复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积分别为28.57 mm2和27.63 mm2。从图中可以发现，当丁香油含量较低时，添加丁香油的复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积相差不大，其对大肠杆菌的抑菌圈面积略大于对金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积。当丁香油含量大于0.3%时，添加丁香油的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积急剧增加，明显大于对大肠杆菌的抑菌圈面积，说明当丁香油含量较高时，添加丁香油的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用强于对大肠杆菌的抑制作用。当丁香油含量为0.5%时，复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积分别达到42.00 mm2和55.39 mm2。丁香提取物的抗菌机理可能是与氨基糖苷类竞争性抑制蛋白质的合成过程有关［20］，而 Wendakoon 等［21］猜测，丁香酚的羟基可能与蛋白质结合，从而阻止酶的作用。Gómez-Estaca 等［14，22］的研究结果表明，添加丁香油的明胶膜和明胶/壳聚糖膜都能够抑制大肠杆菌的生长。Wang等［12］的研究结果也表明，添加丁香油的壳聚糖膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用强于对大肠杆菌的抑制作用。

图7 丁香油对复合膜抗菌性能的影响Fig.7 Effect of clove oil on the antibacterial properties of composite films

由图6和图7可以发现，添加麝香草酚和丁香油的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用都强于对大肠杆菌的抑制作用。大肠杆菌是典型的革兰氏阴性菌，而金黄色葡萄球菌是典型的革兰氏阳性菌，大多数研究表明，精油对革兰氏阳性菌的抑制效果比对革兰氏阴性菌的抑制效果好，这是因为革兰氏阴性菌细胞壁周围有一层外膜，它限制了疏水性化合物通过它的脂多糖覆盖物的扩散［16］。然而，也有一些研究人员得出了相反的结论。Nutcha等［23］证实，添加丁香酚的纤维素基薄膜对大肠杆菌的抗菌效果比对金黄色葡萄球菌的抗菌效果好。李京晶等［5］对丁香油的抗菌试验研究表明，丁香油对大肠杆菌的抗菌活性与对金黄色葡萄球菌的抗菌活性相当。

3 结论

通过研究天然抗菌剂麝香草酚和丁香油对马铃薯淀粉基复合膜性能的影响，结果表明:麝香草酚和丁香油能够显著影响复合膜的机械性能，增加复合膜的水蒸气透过率和水溶性，降低复合膜的透光率。添加抗菌剂的复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有较强的抑制作用，复合膜的抗菌效果随着抗菌剂含量的增加而逐渐增强，且添加这两种抗菌剂的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用均强于对大肠杆菌的抑制作用。

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