牛至精油聚乙烯醇抗菌薄膜的制备及其抑菌活性研究

刘光发，刘志茹，张 拯，刘 娜，王 猛，王 楠

(天津科技大学包装与印刷工程学院，天津 300222)



牛至精油聚乙烯醇抗菌薄膜的制备及其抑菌活性研究

刘光发，刘志茹，张 拯，刘 娜，王 猛，王 楠

(天津科技大学包装与印刷工程学院，天津 300222)

[目的] 制备一种以聚乙烯醇为基材，以牛至精油为抑菌剂的新型抗菌薄膜。[方法]采用气相色谱-质谱(GC-MS)分析鉴定了牛至精油的化学成分，将其与聚乙烯醇、玉米淀粉等制备抗菌薄膜，并且研究其力学性能、透光率、雾度及抗菌效果。[结果]牛至精油的主要化学成分是香芹酚，占84.40%；牛至精油可提升抗菌薄膜的断裂拉伸应变，但降低了抗菌薄膜的拉伸强度；随着牛至精油的添加，抗菌薄膜的透光率降低，雾度升高；抗菌薄膜的抑菌活性随着牛至精油添加量的增加而逐渐增强。 [结论] 当牛至精油的添加量为2%时，可以制备出一种抑菌性能和力学强度都较好的抗菌薄膜。该抗菌薄膜对灰霉、青霉、根霉的抑菌圈直径分别为60、45、90 mm。

牛至精油；GC-MS分析；聚乙烯醇；抗菌薄膜

牛至又名止痢草、土香薷、小叶薄荷，为唇形科牛至属多年生草本植物[1]。国内外一些研究表明，牛至精油具有高效广谱的抑菌性能[2-4]。由于精油是一种混合物，从不同产地、不同品种的牛至提取的牛至精油的成分有区别，甚至同一产地不同季节采摘的牛至提取的精油成分都有差别。因此，笔者首先对牛至精油的化学成分进行了GC-MS分析，确定其化学成分。聚乙烯醇具有良好的成膜性，又可生物降解，是一种绿色环保包装材料，可应用于食品包装、农药包装、医用包装等领域[5-6]。以牛至精油为抗菌剂，以水溶性聚乙烯醇、玉米淀粉等原材料为基材，笔者制备了抗菌薄膜，并且研究了牛至精油的添加量对抗菌薄膜的力学性能、透光性以及抗菌效果的影响，为新型抗菌包装材料的开发提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 牛至精油的GC-MS分析色谱条件为：柱子型号Rxi-5Sil MS，进样口温度250 ℃，压力100 kPa，分流比20∶1。程序升温为：初始60 ℃，以10 ℃/min升至100 ℃，再以5 ℃/min升至160 ℃，最后以10 ℃/min升至250 ℃，保留5 min。质谱条件为：离子源温度220 ℃，接线口温度250 ℃，溶剂切除时间4 min。质谱库为NIST05标准质谱库。

首先用正己烷(色谱纯)将牛至精油稀释10 000倍，然后准确吸1 μl，手动进样。在计算机上检索NIST05质谱库，与标准谱库进行对比，并且参考有关文献进行图谱分析，进而确定牛至精油的化学组成成分，并采用面积归一化法计算牛至精油各化学成分的相对含量。

1.2 牛至精油聚乙烯醇抗菌薄膜的制备方法参考陈志周[7]的方法，根据试验的具体情况进行修改。首先，称取120 g水溶性聚乙烯醇粉末、10 g玉米淀粉，倒入装有约800 ml蒸馏水的1 000 ml烧杯中，用玻璃棒轻轻搅拌，然后将烧杯放入90 ℃电热恒温水浴锅中，用电动搅拌器搅拌至形成均质溶液。向上述溶液中依次加入30 ml丙三醇、10 ml吐温-80、8 ml二甲基硅油等溶液，定容至900 ml，并持续搅拌10 min，然后将其均分为五等份，并且依次倒入200 ml烧杯中备用，分别对烧杯编号01、02、03、04、05。按照表1中的配方，分别向5个烧杯中加入对应体积的消泡剂和牛至精油，将每个烧杯中的混合液体定容至200 ml，在40 ℃水浴条件下分别用电动搅拌器搅拌5 min至形成匀质溶液。用PE薄膜封口，在100 Hz、40 ℃条件下超声振荡30 min，取出，在室温下静置约10 h至气泡完全消除。将静置消除完气泡后的均匀混合液体在预先清洗干净的玻璃板上刮膜，室温放置10 h后揭膜。

表1 抗菌薄膜的组成成分

1.3 抗菌薄膜力学性能测试参考GB/T 1040.1-2006[8]和GBT 1040.3-2006[9]，将膜裁切成长100 mm、宽10 mm 的矩形试样，用万能材料试验机测定拉伸强度和断裂拉伸应变，设定标距为50 mm，拉伸速度为50 mm/s。试验中，把与刮膜方向一致的方向称为纵向，与刮膜方向垂直的方向称为横向。每张薄膜沿着玻璃棒刮膜方向(纵向)和与刮膜方向垂直的方向(横向)各取5个平行试样进行测试。

1.4 透明度、雾度测试参考GB/T 2410-2008[10]，将薄膜裁切成50 mm×50 mm样品；用WGT-S透光率雾度测定仪，测定抗菌薄膜的透光率(P)和雾度(H)，测试3个平行试样。

1.5 抑菌性能测试采用PDA 培养基[11]，具体配方为：马铃薯200 g，蔗糖20 g，琼脂16 g，水1 L，pH自然。制好后，高压湿热灭菌(121 ℃，20 min)，备用。用灭菌接种针轻轻刮取斜面培养基表面的新鲜霉菌孢子，使用无菌蒸馏水稀释，用血球计数板计数，制成浓度约106CFU/ml菌悬液，备用。

在超洁净工作台中将融化后的PDA培养基倒入适量到培养皿中，待PDA培养基在无菌环境中冷却之后，将经过灭菌的移液枪吸取预先调整好菌液浓度的菌悬液100 μl加入到培养皿中，然后用经高压湿热灭菌处理过的三角玻璃棒涂布器将菌悬液涂布均匀。将抗菌薄膜裁切成尺寸为30 mm×30 mm的待测样品，在紫外灯下灭菌2 h，然后用无菌镊子将待测样品放入培养皿中央，平行做3个皿。按照上述方法处理好的培养皿在28 ℃条件下恒温培养，48 h后测量各培养皿的抑菌圈直径[12]。

2 结果与分析

2.1 牛至精油的GC-MS分析将牛至精油按照“1.1”进行GC-MS分析，其总离子流图谱见图1。通过在计算机检索NIST05标准质谱库，并参考相关文献[13-14]，分析鉴定出10种化合物，经仪器所配置的软件系统按峰面积归一化法计算可得出牛至精油各成分的相对含量，牛至精油的主要化学成分见表2。牛至精油在9.618 min出现最大峰，其对应的是香芹酚(CAS号：499-75-2)，在9.467 min峰对应的化合物是百里香酚(CAS号：89-83-8)。根据有关文献的研究和报道[15-16]，香芹酚和百里香酚对农产品和食品致腐微生物具有广谱抑菌效果，香芹酚和百里香酚在牛至精油中的相对含量分别为84.40%和1.17%。

2.2 牛至精油对抗菌薄膜力学性能的影响薄膜在拉伸时的应力-应变曲线符合GBT 1040.1-2006中无屈服点的韧性材料对应的应力-应变曲线的特征，随着拉伸应变的增加，拉伸应力逐渐增大，整个拉伸过程未出现屈服点，在拉伸应力达到最大值时薄膜试样发生断裂。经综合比较，同一张抗菌薄膜的纵向拉伸强度略高于其横向拉伸强度。从图2 可以看出，未添加牛至精油的聚乙烯醇薄膜的纵向拉伸强度为28.47 MPa，纵向断裂拉伸应变为287.58%，随着牛至精油含量的增加，抗菌薄膜的纵向拉伸强度呈现下降趋势，与之对应的断裂拉伸应变明显增加，在牛至精油添加量为1.5%时纵向断裂拉伸应变达到最高值(348.92%)，但是当牛至精油含量继续升高到2%，纵向断裂拉伸应变降为309.15%。从图3可以知道，未添加牛至精油的聚乙烯醇薄膜的横向拉伸强度为28.46 MPa，横向断裂拉伸应变为291.98%，随着牛至精油添加量的增加，抗菌薄膜的横向拉伸强度呈现下降趋势，与之对应的断裂拉伸应变明显增加，当在牛至精油添加量为1.5%时达到最高值336.49%，但是牛至精油添加量继续升高到2%，横向断裂拉伸应变降为303.62%。

表2 牛至精油的主要化学成分

2.3 牛至精油对抗菌薄膜透光率、雾度的影响从表3可以看出，未加牛至精油的透光率为87.0%，雾度为91.69%。随着牛至精油的添加，抗菌薄膜的透光率降低，雾度升高。当牛至精油添加量为2%时，透光率达最低值(71.5%)，雾度达最高值(94.42%)。分析其原因，可能是牛至精油本身就存在一定的颜色(棕黄色)对薄膜的透明性有一定的影响。

表3 抗菌薄膜的雾度、透光率 %

2.4 抗菌薄膜对3种霉菌的抑菌效果从表4可以看出，未添加牛至精油的聚乙烯醇薄膜(01组)对3种霉菌无抑菌作用，经过48 h的培养培养皿中长满霉菌；添加0.5%牛至精油的抗菌薄膜(02组)对灰霉和青霉抑菌效果不明显，但是培养皿中央的霉菌略比对照组(01组)的霉菌稀薄一些，说明添加0.5%牛至精油的聚乙烯醇薄膜对灰霉和青霉具有微弱的抑菌效果，但不明显；0.5%牛至精油的聚乙烯醇薄膜对根霉具有明显的抑菌效果，在培养皿的中央出现直径为35 mm左右的区域无根霉生长。随着牛至精油含量的增加，抗菌薄膜对3种霉菌的抑制作用明显加强。这可能是由于抗菌薄膜中的香芹酚等酚类物质对微生物的细胞膜结构造成损伤，导致微生物死亡，从而实现抑菌。当牛至精油添加量为2%时，抗菌薄膜对灰霉、青霉、根霉的抑菌区域直径分别达到60、45、90 mm。

表4 抗菌薄膜对3种霉菌的抑菌效果 mm

3 结论

牛至精油的主要化学成分是香芹酚，占84.40%。牛至精油可以提升抗菌薄膜的断裂拉伸应变，但降低薄膜的拉伸强度。随着牛至精油的添加，抗菌薄膜的透明性变差，透光率降低，雾度升高。随着牛至精油含量的增加，抗菌薄膜对3种霉菌的抑制作用明显加强，当牛至精油的添加量达到2%时抗菌薄膜对灰霉、青霉、根霉均具有显著地抑菌效果，抑菌圈直径分别达到60、45、90 mm。

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Preparation and Antimicrobial Activity Study of Antimicrobial Film of Oregano Essential Oil and Polyvinyl Alcohol

LIU Guang-fa, LIU Zhi-ru, ZHANG Zheng et al

(School of Packing and Printing Egineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300222)

[Objective] A new antimicrobial film was prepared of polyvinyl alcohol and antimicrobial agent oregano essential oil. [Method] The chemical composition of oregano essential oil was identified by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis. Antimicrobial film was prepared of oregano essential oil, polyvinyl alcohol, corn starch and so on, and mechanical properties, transmittance, haze and antimicrobial activity of antimicrobial film were studied. [Result] The carvacrol was the main chemical ingredient of oregano essential oil, accounting for 84.40%. Oregano essential oil could enhance the fracture strain of antimicrobial film, but reduce its tensile strength. With more oregano essential oil added, transmittance of antimicrobial films was reduced, while haze increased. Antimicrobial activity of antimicrobial films increased with more oregano essential oil added. [Conclusion] When the added oregano essential oil amount was 2%, an antimicrobial film with good antimicrobial properties and mechanical strength was prepared. Their inhibition zone diameters of gray mold, penicillium, and rhizopus were 60, 45 and 90 mm respectively.

Oregano essential oil; GC-MS analysis; Polyvinyl alcohol; Antimicrobial film

天津科技大学大学生实验室创新基金(1306A112)。

刘光发(1986- )，男，湖南常德人，实验师，从事包装材料与包装技术方面的研究。

2015-03-10

S 567.23+9

A

0517-6611(2015)11-011-03