内嵌混合乳化剂微球的海藻酸钠食品抗菌包装膜的机械和释放性能研究

陈 曦 卢立新，2* 丘晓琳，2 唐亚丽，2

（1 江南大学包装工程系 江苏无锡214122 2 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室 江苏无锡214122）

近年来，为减少不可降解的塑料包装带来的环境污染问题，将天然聚合物研发成环境友好型的包装材料正受到越来越多的关注[1-2]，尤其是在食品包装领域，生物质包装为达到更好的保护食品的效果，常被制备成包含各种功能性添加剂如抗氧化剂、抗菌剂的活性包装形式[3]。其中，多糖、蛋白质类天然聚合物因具有较好的成膜性能，成为生物质食品包装基材的研究热点，而精油由于其较好的抗菌、抗氧化效果且自身的无毒、安全性，成为生物质食品活性包装中合成功能性添加剂的绝佳替代品[4-5]。

海藻酸钠是一种由聚β-（1→4）-甘露聚糖醛酸与聚α-（1→4）-L-古洛糖醛酸结合的亲水多糖类线型高聚物，因其优异的生物相容性、生物可降解以及无毒性而被广泛地应用于可食性食品表面涂膜包装、药品缓释基质的研究[6-7]。有研究表明海藻酸钠极具潜力成为优秀的承载抗菌剂的膜基材并实现控释性能[8-9]。肉桂作为一种常见的调味香料，从其中提取出的肉桂精油（主要成分为肉桂醛）因出色的抗菌性能[10-11]及易挥发的特性，故常包埋于微胶囊中用于食品的保鲜。由于海藻酸钠亲水，将肉桂精油直接加入海藻酸钠膜中时存在不相容的问题，因此需加入乳化剂改善其相容性。吐温80 是一种常用的非离子型乳化剂，其化学名称为聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯，因其出色的乳化性能而被广泛用于生物质膜的乳化剂[12-13]。事实上，除了吐温80，还有一类乳化剂非常适用于生物质膜，然而鲜有人研究，此类乳化剂为天然高分子乳化剂，主要由蛋白质和多糖类物质组成，基于蛋白结构中的两亲特性，已广泛被应用于食品工业中，并表现出较好的表面活性性能[14]。有研究表明，将某些天然高分子乳化剂相混合，如明胶和阿拉伯胶，可通过复凝聚的方法形成微胶囊，所形成的微胶囊的包裹层对其中的精油有较好的保护作用[15-16]。另外，Borodina 等[17]研究表明将阿拉伯胶包裹的维他命E 微球嵌入生物相容性膜中，可以减缓维他命E 的体内释放速率。将天然高分子乳化剂和吐温80 共混作为混合乳化剂包裹肉桂精油后，加入海藻酸钠基膜中，可能具有更优的保护和缓释性能，而对此尚未有人研究。

鉴于本团队前期研究了天然高分子复合乳化剂组合对包裹其中的肉桂精油的控释机理[18]，本研究着重考察吐温80 与天然高分子乳化剂 （明胶、阿拉伯胶）的共混组合，简称混合乳化剂（ME）对海藻酸钠膜中肉桂精油释放的影响。通过明胶/吐温80（GT）、明胶/阿拉伯胶（GA）和明胶/阿拉伯胶/吐温80（GAT）的混合乳化剂组合，将肉桂精油包裹成微球并嵌入海藻酸钠膜中，表征膜的机械性能和释放性能。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

海藻酸钠（SA）、明胶（G0）、阿拉伯树胶（A0）、吐温80（T）、肉桂精油（CEO）、甘油（Gly）、无水乙醇均为化学纯试剂，国药集团化学试剂有限公司；超纯水由优柯浦超纯水机制备，上海纯浦实业有限公司。

实验室高剪切分散乳化机（FA25），FLUKO；材料试验机（LRX-PLUS），英国LLOYD 公司；恒温恒湿试验机（THS-AOC-100AS），庆声电子科技有限公司；微型漩涡混合仪（WH-3），上海沪西分析仪器厂有限公司；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9240A），上海精宏实验设备有限公司；金相显微镜（BMM-55E），上海比目仪器有限公司；激光衍射粒度仪（Mastersizer 2000），马尔文仪器有限公司；紫外分光光度计（UV-1800），日本岛津公司。

1.2 方法

1.2.1 膜的制备 分别配制2.5%的海藻酸钠水溶液、5%的明胶、阿拉伯胶水溶液，于50 ℃恒温水浴锅中用搅拌机以400 r/min 搅速搅拌0.5 h 至均匀，静置于50 ℃水浴中2 h，去气泡。分别将明胶、阿拉伯胶和吐温80 按表1的配比共混为混合乳化剂组合，向混合天然乳化剂水溶液中添加表1所示含量的肉桂精油，用高剪切分散乳化机以25 000 r/min 高转速剪切2 min 获得混合均匀的乳状液，45 ℃水浴静置10 min，去气泡。将制备好的海藻酸钠水溶液液与不同乳化剂组合O/W 乳状液共混，按配方加入甘油增塑海藻酸钠基材，45 ℃水浴300 r/min 搅速搅拌10 min 获得混合均匀的制膜液，45 ℃水浴静置10 min，去气泡。

按表1配方分别准确称取所制得的膜液，倒于210 cm2的带边框玻璃板上，流延均匀，放入电热恒温鼓风干燥箱中，温度设定为70 ℃，烘约40～60 min 至干燥。取出，于室温下冷却后揭膜。称薄膜与玻璃板接触的一面为下表面，与空气接触的一面为上表面，将膜置于干燥器中保存。

表1 膜配方Table 1 Formulation of the films

1.2.2 乳液中微球形貌及粒径分布 用金相显微镜观察各配方乳状液的透射成像图。用激光粒度仪测试各样品的粒径分布。参数设定如下：分散剂：水，折射率1.33；物质：乳液，吸收率0，折射率1.61（肉桂精油）；搅拌速度：2 000 r/min。数据皆为3 次试验的平均值。

1.2.3 膜的机械性能 应用材料试验机测定膜的抗张强度及断裂伸长率，具体参照GB1040-79《塑料拉伸试验方法》，设置测试速度为50 mm/s。

1.2.4 膜的单侧释放测试 利用自制单侧释放装置[18]进行膜的单侧释放试验，选取膜的上表面与模拟液无水乙醇接触。模拟液容量为50 mL。单侧释放试验在4 ℃冷藏环境中进行，在选定的各个时间点取样，放在微型漩涡混合仪上振荡5 s，使释放出的肉桂精油在溶液中分布更加均匀后取样。以移液枪，按紫外测量所需的量取样，并以无水乙醇稀释一定倍数，用微型混合仪混合几秒至均匀，注入石英比色皿中，等待仪器测量。取样完毕的释放装置补足模拟液至取样前，密封后放回释放环境中继续进行释放试验。每个试样做3 次平行。其中，模拟液选用无水乙醇，是为了避免水对亲水基材的溶胀及溶解效果影响释放分析。

1.2.5 膜内精油的释放量测定 用紫外分光光度计进行膜内精油的释放量测定。紫外检测波长经扫描定为286 nm。线型回归分析表明紫外吸光度值与肉桂精油的浓度高度相关，相关系数为0.9994。通过紫外-可见光分光光度计测得吸光度以及标准曲线，计算肉桂精油浓度。

1.2.6 膜内精油扩散系数（D）的估算 应用菲克第二定律，结合试验条件，肉桂精油的释放量可表征为[18]。

式中，MF，t——扩散质在时间t 扩散出的量（μg）；MF，∞——扩散质在扩散平衡时扩散出的量（μg）；Lp——膜的厚度（cm）；D——扩散系数（cm2·s-1）。

1.2.7 统计分析 通过SPSS 软件 （SPSS Inc.，version 22）进行统计分析，显著性检验采用ANOVA 中的Tukey 法，P＜0.05 即差异显著。

2 结果与讨论

2.1 乳液中微球形貌及粒径分布

4 种水包油乳液的显微镜透射图像如图1所示。可以看出，每种乳液中都形成大量的微球。其中，G 和GA 组合乳液中微球分布均匀且不聚集，GT 和GAT 组合乳液中微球发生大量聚集。G 和GA 乳液中微球的形成可能是明胶和阿拉伯胶作为天然高分子乳化剂，基于乳化机理将肉桂精油包裹而成。当肉桂精油和明胶或明胶、阿拉伯胶乳化剂溶液混合时，明胶或阿拉伯胶的亲油基（碳链，聚合物链上的烷基）通过静电相互作用吸附肉桂精油，而外部的亲水基 （聚合物链上的羟基-OH、羧基-COOH、氨基-NH2）通过溶胀或电离与水发生相互作用，从而形成了由乳化剂包裹肉桂精油的包裹层，将肉桂精油和水隔离开来。明胶溶于水时，作为一种两性电解质，其羧基会电离成羧酸根离子-COO-，氨基会电离成-NH3+，由于具有更高电离度的羧基电离优先于氨基的电离，因此明胶水溶液呈弱酸性，明胶分子在水溶液中总体带负电荷，且其周围分布着稳定的双电层。与明胶类似，阿拉伯胶由于同样含有蛋白质基团，具有羧基和氨基，所以也是一种两性电解质，且其呈弱酸性的原因与明胶相同。在乳液G 和GA 中，微球由于外层带有相同的负电荷，所以受静电排斥作用的影响，彼此间保有稳定的距离且趋于单独存在于乳液中，不发生聚集。GT 和GAT 乳液中，微球的形成是天然高分子乳化剂明胶、阿拉伯胶和非离子型乳化剂吐温80 共同作用的结果。T 是聚氧乙烯型乳化剂，在失水状态下呈锯齿状，而在水溶液中则呈柱面曲折状[19]。在水溶液中时，曲折的聚氧乙烯链上的醚键的氧原子位于分子链的外侧，可与水分子形成氢键，围绕分子链形成厚的水化层，因而可以很好地溶于水中；而疏水部位-CH2-CH2-则被包藏在圆柱的内部，吸附肉桂精油，将精油包裹在圆柱内部，形成稳定的乳液。T的加入使微球发生大量聚集，可能是由于小分子质量的T 在与高分子质量的明胶、阿拉伯胶共同吸附精油时，优先将精油包裹至自身结构中形成微球，使明胶与阿拉伯胶无法完全与精油接触，破坏了明胶和阿拉伯胶包裹精油至微球时外层形成的稳定的双电层结构，因而微球发生大量聚集。

图1 不同乳液的显微镜透射图Fig.1 Optical transmission images of different o/w emulsions

图2 不同乳液的粒径分布图Fig.2 Particle size distribution of different o/w emulsions

表2 不同乳液的粒径分布数据Table 2 Particle size distribution data of different o/w emulsions

4 种乳液的粒径分布图如图2所示，相应的分布数据（表2）表明，3 种混合乳化剂形成的乳液（GA，GT，GAT）的表面积平均粒径D[3，2]显著小于对照的单一乳化剂形成的乳液（G），GT 和GAT的中值粒径d（0.5）显著小于G（P＜0.05），这表明乳液GT 和GAT 中微球的聚集为可逆的，且与之前的推论相吻合——精油优先被分子质量更小的T 分子包裹，因而呈现更小的中值粒径。

2.2 膜的机械性能

由配方制得的膜均为黄色，具有较好的均一性，且较易剥膜。膜厚具有较好的一致性（表3）。这与膜组分总含量，尤其是基膜海藻酸钠含量相同相一致，这是由于膜的厚度主要是由制膜液中的固体含量决定[20]。

表3 膜厚及膜的机械性能Table 3 Thickness and mechanical properties of films

聚合物链间的相互作用力是影响膜机械性能的主要因素[21]。膜G，GT，GA，GAT 的机械性能（表3）由抗张强度TS 和断裂伸长率E 表示。试验结果表明，混合乳化剂组合GAT 膜的机械性能（TS 和E） 显著优于单一乳化剂的对照膜G，T 的加入对膜的机械性能（TS 和E）有提升的趋势。同时，A0的加入提高了膜的断裂伸长率，T 的加入提高了膜的机械性能（TS 和E），这可能是由于A0的加入降低了海藻酸钠基膜的聚合物链间相互作用力或分子链的缠绕作用[22]，而T 的加入增强了膜中分子间的作用力。

2.3 肉桂精油的释放

各膜中肉桂精油释放比例的试验值和理论值如图3所示。理论值和试验值间的拟合优度由均方根误差（RMSE）来评价，RMSE 值如表4所示。从图3和表4的数据可以看出，根据模型拟合的理论值与试验值间具有较好的一致性，表明该模型适用于本研究。

图3 膜中肉桂精油单侧释放的试验值和理论值Fig.3 Experimental and theoretical values of one-way release tests of CEO migrating respectively from different films

计算获得的肉桂精油从膜向模拟液中释放的扩散系数见表4。从扩散系数可以看出，肉桂精油的释放速率受到乳化剂组合的显著影响。混合乳化剂膜中肉桂精油的释放速率显著小于单一乳化剂的对照膜G。膜GA 中肉桂精油的释放速率显著小于膜G 中肉桂精油的释放速率，这可能是由于明胶和阿拉伯胶间的静电作用形成了比单一明胶更致密的包裹层，分子间的作用力得到加强，因此降低了其中肉桂精油的释放速率；T 的加入显著降低了膜中肉桂精油的释放速率，这可能是由于T 的加入优先在精油表面形成一层包裹层，与明胶、阿拉伯胶共同包裹精油使膜分子间的相互作用力增强（与2.1 节和2.2 节中的结果讨论相一致），减缓了肉桂精油的释放速率。

表4 肉桂精油单侧释放的扩散系数Table 4 Diffusion coefficients of one-way release of CEO

3 结论

研究制备了内嵌混合乳化剂包裹肉桂精油微球的海藻酸钠食品包装膜，并表征了其乳液的形貌与粒径分布，膜的机械性能和膜中肉桂精油的单侧释放性能。乳液形貌与粒径分布结果表明，乳液中形成了大量微球，吐温80 的加入使微球大量聚集，并显著降低了乳液的中值粒径。膜的机械性能表明，混合乳化剂膜GAT 的机械性能显著优于对照膜G，吐温80 的加入对膜的机械性能有提升的趋势。膜中肉桂精油的释放性能表明，混合乳化剂显著降低了肉桂精油的释放速率，吐温80 的加入显著降低了肉桂精油的释放速率。本研究制备的抗菌膜在保护食品品质的控释活性包装应用中具有较好的前景。