山苍子油基聚乙烯膜的抑菌活性及其对大米的保鲜作用

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(1.中南林业科技大学材料科学与工程学院,湖南长沙 410004;2.中南林业科技大学天然产物加工利用研究所,湖南长沙 410004)

随着人民生活水平的快速提高,人们对绿色、营养和健康食物的追求愈加强烈。大米作为我国的主食,其安全问题是关系国计民生的战略问题[1]。长期以来,大米储藏过程中由于虫害、霉变等原因造成的损失巨大,尤其在我国南方地区,夏季高温高湿的环境适宜于大米中微生物的快速生长繁殖,微生物分解大米脂肪,产生游离酸类化合物,使大米的食品品质降低。据统计,我国南方水稻产区产后损失平均达到15%左右[2-3]。

目前,我国大米储藏方式主要低温储藏、气调储藏以及化学储藏等方法[4-6],虽然取得了较好的储藏效果,但也存在成本高、化学试剂污染大等问题。近年来,纳米保鲜膜技术成为国内外研究的热点,将纳米化的抑菌剂如银等加入到聚乙烯、聚氯乙烯等基材中制成的纳米保鲜膜,不仅获得良好的抑菌效果[7-8],还能一定程度上提高膜的力学性能[9],但仍存在成本高等问题。因此,寻找廉价易得并具有广谱抑菌效果的抑菌剂成为研究的重点。

山苍子油是从木本油料作物山苍子的果实中提取的精油,其主要作为合成紫罗兰酮、鸢尾酮的原料[10-11]。山苍子油具有广谱抑菌效果,对大肠杆菌、黄曲霉、青霉等均具有较好的抑制作用[12-13]。利用绿色天然的山苍子油开发抑菌功能材料符合人们的追求。然而,山苍子油易挥发、不稳定的特点限制了其的广泛应用。前期研究表明,通过环糊精等材料对山苍子油进行包埋,能有效提高山苍子油的稳定性,并能实现山苍子油的缓慢释放[14-15]。本文在前期研究的基础上,利用挤出成型-吹塑成膜工艺制备了不同山苍子油基聚乙烯膜,研究不同膜的抑菌活性及其对大米的保鲜作用,为山苍子油功能产品的开发提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

山苍子油 产于湖南永顺县,水蒸气蒸馏法提取;羟丙基-β-环糊精(食品级) 智源生物科技有限公司;低密度聚乙烯(LDPE) 苏州精湛塑化有限公司;市售黄花粘大米 产于湖南常德,属湖南典型种植品种;大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、灰霉菌、黄曲霉菌等菌种 均为中南林业科技大学食品科学与工程学院实验室提供;马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)培养基 北京陆桥技术有限公司;牛肉膏、蛋白胨 北京奥博星生物技术有限公司;琼脂 赛国生物科技有限公司;正己烷、酚酞、氢氧化钠、无水乙醇等试剂 均为分析纯。

FA-25实验室用高速剪切乳化机 上海弗鲁克科技发展有限公司;AE100电子分析天平 梅特勒-托利多仪器有限公司;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 河南予华仪器有限公司;DHP-9082恒温恒湿培养箱 恒都电子科技有限公司;XLW(PC)智能电子拉力试验机 济南永科试验仪器有限公司;B-290小型喷雾干燥仪 步琦仪器设备有限公司;双螺旋挤出机 南京聚力化工机械有限公司;吹膜机 瑞安市天晟包装机械公司;S3400N扫描电镜仪 日本日立公司;RXZ-160B人工气候箱 宁波江南仪器厂;P-290食品小型压缩封口机等。

1.2 实验方法

1.2.1 山苍子油微胶囊的制备 准确称取12.0 g羟丙基-β-环糊精充分溶于88.0 mL蒸馏水中,搅拌下缓慢滴加3.0 g山苍子油至均匀,转移至高速剪切乳化机中,在转速为10000 r/min下均质乳化1.0 h,得到稳定的乳液。将乳液在进风温度160 ℃、出风温度80～82 ℃和进料流量4 mL/min条件下进行喷雾干燥,收集分离器里中的山苍子油微胶囊,测得微胶囊中山苍子油的负载率为146.0 mg/g[15]。

1.2.2 山苍子油基聚乙烯膜的制备 将质量分数分别为1%、2%和3%的山苍子油以及1%、2%和3%的山苍子油微胶囊分别加入低密度聚乙烯(LDPE)中,搅拌使其混合均匀,通过双螺杆挤出机进行共混,再利用造粒机制备山苍子油基-LDPE颗粒,其中双螺杆挤出机7个加热区的温度依次为140、170、170、170、170、170和160 ℃,转速为60 r/min。山苍子油基-LDPE颗粒经吹膜机制备得到山苍子油基聚乙烯膜,吹膜机一区、二区和三区的温度分别为165、185和185 ℃,挤出模头温度为165 ℃,转速为35 r/min[16];制备得到的膜分别1%的山苍子油聚乙烯膜(1% LCEO-M)、2%的山苍子油聚乙烯膜(2% LCEO-M)和3%的山苍子油聚乙烯膜(3% LCEO-M)以及1%的山苍子油微胶囊聚乙烯膜(1% LCEO-CM)、2%的山苍子油微胶囊聚乙烯膜(2% LCEO-CM)、3%的山苍子油微胶囊聚乙烯膜(3% LCEO-CM),同时按上述方法制备空白聚乙烯膜(Blank-M)及空白微胶囊聚乙烯膜(Blank-CM)。

1.2.3 山苍子油基聚乙烯膜的力学性能测试 按照《GB/T 1040.3-2006》中的方法准备待测试样。根据 ASTM D882-09中的测试要求,设定夹距为50 mm,拉伸速率为50 mm/min,对样品进行测试,每组样品测定10次,读取、记录膜厚度数据,并分别按式1～式3计算样品的抗拉强度、断裂伸长率和拉伸弹性模量:

Ts=F/s

式(1)

ΔL(%)=(L-L0)/L0×100

式(2)

Et=δ/ε

式(3)

式中:Ts为抗拉强度(MPa);ΔL为断裂伸长率(%);Et为拉伸弹性模量(MPa);F为样品断裂时所承受的最大张力(N);S为试样横截面积(m2);L0为试样原始标线距离(mm);L为试样断裂时标线间距离(mm);δ为应力(MPa);ε为应变。

1.2.4 山苍子油基聚乙烯膜的扫描电镜分析 薄膜样品经过喷金处理,采用 S3400N扫描电镜观察膜横截面的微观结构,并得到薄膜样品截面的形貌图,仪器的加速电压为5.0 kV。

1.2.5 山苍子油基聚乙烯膜的抑菌活性测试 按照《GB/T 21510-2008纳米无机材料抗菌性能检测方法》中贴膜法对山苍子油基聚乙烯膜抑制大肠杆菌、金色葡萄球菌、青霉菌、灰霉菌和黄曲霉菌的活性进行测试,具体方法如下。

表1 不同山苍子油基聚乙烯膜的力学性能Table 1 Mechanical properties of different Litsea cubeba essential oil-based polyethylene film

1.2.5.1 培养基的制备 牛肉膏琼脂培养基:称取牛肉膏5 g,蛋白胨10 g,氯化钠5 g依次加入烧杯中,加热搅拌至溶解,再加入琼脂粉15 g,加热搅拌均匀,冷却后定容至1000 mL,用氢氧化钠调pH至7.2±0.2,所得即为固体营养琼脂培养基,分装于培养皿中,121 ℃高压灭菌20 min,备用。

PDA培养基:称取马铃薯葡萄糖琼脂40.1 g于烧杯中,加入1 L蒸馏水中,搅拌加热至完全溶解,分装于培养皿中,121 ℃高压灭菌20 min,备用。

1.2.5.2 菌种活化与菌悬液的制备 取冻干菌种管,在无菌条件下用毛细吸管分别加入适量的营养液,轻柔的吸数次,待菌种融化分散后,将其接种于液体培养基内,置于37 ℃、转速180 r/min的摇床内振荡培养18～24 h,得到第一代菌悬液,依据上述方法重复操作制备成第三代培养的菌悬液。取上述第三代培养物,用吸管吸取无菌水反复吹洗,洗下菌落,然后用吸管将洗液移至另一无菌试管中,振敲数次后得到悬浮均匀的菌悬液,分别将其稀释至菌落数为106～107CFU/mL的均匀菌悬液,0～5 ℃下冷藏备用。

1.2.5.3 抑菌活性测试 取上述制备的菌悬液于培养基中,将山苍子油基聚乙烯膜剪成与培养皿底部大小一致的圆形膜试样,并平铺紧贴于培养皿中,置于无菌条件下备用,设置空白对照组,置于37 ℃培养箱中培养;分别对空白对照组和实验组的活菌数进行计数,每组3个平行样,按式4计算抑菌率。

(式4)

式中:N0为空白组的菌落数;N1为试验组的菌落数。

1.2.6 山苍子油基聚乙烯膜对大米的保鲜实验 分别称取50 g大米置于同等大小的Blank-M、Blank-CM、2% LCEO-M和2% LCEO-CM的膜材料中,用压缩封口机密封得到多组包装大米试样,将试样置于恒温恒湿气候箱中,在温度37 ℃,湿度90%下进行高温高湿加速陈化实验,每隔7 d取样,按《GB/T 5510-2011粮油检验 粮食油料脂肪酸值测定》和《GB/T 5571-2010粮油检验 粮食及制品酸度测定》分别测定脂肪酸值和总酸值。

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 不同山苍子油基聚乙烯膜的力学性能分析

力学性能是聚乙烯等包装膜的重要性能指标之一,直接关系到包装膜的用途。利用1.2.2中所述方法制备了不同山苍子油基聚乙烯膜,并按1.2.3中所述方法对其力学性能进行测试,结果见表1。

由表1可知,利用挤出成形-吹膜工艺制备的聚乙烯膜厚度均为0.02 mm,表明制备工艺稳定;随着山苍子油掺入量的增大,膜的抗拉强度和断裂伸长率均呈现先增大后减小的趋势,而拉伸弹性模量呈现降低的趋势,这可能是由于山苍子油是脂溶性精油,具有一定的润滑作用,当山苍子油加入较少时,可以提高膜的韧性,增强膜的强度,而当精油过量时,聚乙烯与精油相容性差,过量的精油从膜中逸出,导致抗拉强度和断裂伸长率等指标降低[17];随着山苍子油微胶囊掺入量的增大,膜的抗拉强度和断裂伸长率均呈现出先增大后减小的趋势,而拉伸弹性模量则一直呈现出下降的趋势,当微胶囊用量为3%时,膜的各项力学性能均较差,这可能是由于微胶囊颗粒数量的增多导致其与聚乙烯的相容性差,大量的微胶囊与聚乙烯间的应力明显增强[18],因此,高微胶囊含量时,膜的强度和韧性均随微胶囊含量的增加而下降。

2.2 不同山苍子油基聚乙烯膜的SEM分析

为了研究山苍子油基聚乙烯膜的微观结构,利用扫描电镜技术按1.2.4中所述方法对不同山苍子油基聚乙烯膜的截面形态进行分析,结果见图1和图2。

图1 加入不同量山苍子油的聚乙烯膜的扫描电镜分析Fig.1 SEM analysis of different content Litseacubeba essential oil polyethylene film

图2 加入不同量山苍子微胶囊的聚乙烯膜的扫描电镜分析Fig.2 SEM analysis of different contentLitsea cubeba essential oil microcapsule polyethylene film

图1为未加入精油的空白膜(Blank-M)以及三种不同浓度山苍子油聚乙烯膜的截面扫描电镜图。其中,Blank-M具有2层结构,表层较疏松,内层致密,均匀,光滑无裂纹;而加入山苍子油的聚乙烯膜的微观结构发生较大变化,膜的2层结构消失,颜色加深,形态不规则,且随着山苍子油掺入量的增加,不均匀性增加,表明山苍子油量过大,导致油滴外逸,使聚乙烯膜的结构变得不规则[19]。

由图2可知,当向聚乙烯基材中掺入空白微胶囊后,制备的聚乙烯膜(Blank-CM)中聚乙烯与微胶囊的相容性较差,而当加入1%的微胶囊化山苍子油颗粒后,制备的膜山苍子油微胶囊聚乙烯膜(1% LCEO-CM)截面形态较规整,这可能由于山苍子油的存在改善了微胶囊与聚乙烯之间的相容性所致。当山苍子油微胶囊的量继续增大,制成的聚乙烯膜越不均匀,表现为微胶囊与聚乙烯相容性差,孔隙率增大,尤其当山苍子油微胶囊的掺入量增加至3%时,3% LCEO-CM膜截面微观形态中可以明显看到大颗粒的微胶囊。

表2 不同山苍子油基聚乙烯膜的抑菌活性Table 2 Antibacterial activity of Litsea cubeba essential oil-based polyethylene film

2.3 不同山苍子油基聚乙烯膜的抑菌活性

由于掺入聚乙烯膜中的山苍子油含量较低,通过抑菌圈法无法准确测定膜的抑菌活性,因此,本文利用GB/T 21510-2008中贴膜法按1.2.5中所述方法研究不同山苍子油基聚乙烯膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、青霉菌、灰霉菌和黄曲霉菌的抑制活性,结果见表2。

由表2可知,加入山苍子油和山苍子油微胶囊的聚乙烯膜对供试菌种大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、青霉菌、灰霉菌和黄曲霉菌均表现出不同程度的抑菌效果,且随山苍子油和山苍子油微胶囊加入量的增大,其抑菌率均呈上升趋势。加入2%的山苍子油和山苍子油微胶囊制成的膜对5种供试菌种的抑制率均大于50%,而继续增大山苍子油和山苍子油微胶囊的用量至3%,制成的LCEO-M膜对大肠杆菌的抑制率最高达92.5%±3.1%,其次为青霉菌86.0%±2.7%,对灰霉菌的抑制率最低,仅为61.0%±3.0%。总体而言,山苍子油对大肠杆菌和青霉菌较敏感,黄曲霉菌和金黄色葡萄球菌次之,对灰霉菌的敏感性最低。山苍子油中主要成分柠檬醛以及一些醇类物质具有破坏菌体细胞壁和孢子质膜的分子结构,改变细胞通透性并影响菌体对营养物质的吸收、转运,从而达到抑菌的目的[20]。

综合各种不同山苍子油基聚乙烯膜的力学性能、微观形态和抑菌性能,宜选择山苍子油和山苍子油微胶囊加入量为2%的聚乙烯膜(2% LCEO-M和2% LCEO-CM),并研究其对大米储藏过程中主要指标的影响。

2.4 模拟高温高湿条件下不同膜包装对大米脂肪酸值的影响

脂肪酸值是反映大米陈化的重要指标,一般来说,脂肪酸值越高,大米的劣变程度就越高[21-22]。按1.2.6中所述方法研究了模拟高温高湿的储藏条件下,山苍子油基聚乙烯膜包装大米后脂肪酸值随储藏时间的变化,结果见图3。

图3 模拟高温高湿条件下不同包装膜对大米脂肪酸值的影响Fig.3 Effects of rice fatty acid value on different packagingfilm under high temperature and humidity condition

由图3可知,在大米储藏前期(0～14 d),四种包装膜处理的大米脂肪酸值均有储藏时间的延长而呈现出快速增大的趋势,当储藏时间为14 d时,各处理组的大米脂肪酸值均达到最大值,其中空白组Blank-M和Blank-CM处理的大米脂肪酸值为25.96和22.61 mg KOH/kg,而实验组2% LCEO-M和2% LECO-CM处理的大米脂肪酸值为19.40和18.37 mg KOH/kg,空白组处理的大米脂肪酸值明显高于实验组(P<0.05),在大米储藏前期,高温高湿条件有利于黄曲霉、青霉等微生物的生长[23],这些微生物分泌的脂肪酶会加速大米脂肪的水解,使大米脂肪酸值的快速上升,而在膜中加入山苍子油及其微胶囊后,可以有效抑制黄曲霉等微生物的生长,延缓了大米的脂肪酸值的上升;而在储藏中期(14～28 d),四种包装膜处理的大米脂肪酸值随着储藏时间的延长,脂肪酸值呈现出快速降低的趋势,其中空白组Blank-M和Blank-CM处理的大米脂肪酸值下降较快,明显快于实验组2% LCEO-M和2% LECO-CM处理的大米脂肪酸值的变化(P<0.05),这可能是由于游离脂肪酸通过进一步氧化分解成醛、酮等挥发性羰基化合物,或被微生物利用,致使游离脂肪酸总量下降[24];在储藏后期(28～35 d),各处理组的大米脂肪酸值仍呈继续降低的趋势,当储藏到35 d时可观察到Blank-M和Blank-CM膜处理的大米内部局部变黑,大米的品质已劣变,而山苍子油基微胶囊聚乙烯膜包装的大米颜色变化不大。

2.5 模拟高温高湿条件下不同膜包装对大米总酸含量的影响

总酸是粮食中酸性物质的总量,在储粮过程中,总酸值急剧增加的趋势一般是大米品质劣变的征兆,因此,常用总酸值作为判定大米新鲜度的指标[25]。按1.2.6中所述方法对储藏过程中不同山苍子油基聚乙烯膜包装的大米总酸值含量进行分析,结果见图4。

图4 模拟高温高湿条件下不同包装膜对大米总酸值的变化Fig.4 Effects of rice total acid value on differentpackaging film under high temperature and humidity condition

由图4可知,空白膜(Blank-M)和空白微胶囊膜(Blank-CM)包装的大米总酸值在储粮前期即呈快速上升趋势,随时间的延长其总酸值仍快速增大。而2% LCEO-M和2% LECO-CM膜包装的大米总酸值在储粮前期(0～14 d)小幅上升,在储粮第14 d后总酸值也呈快速上升趋势,但与Blank-M和Blank-CM相比,总酸值明显较小(P<0.05)。因此,山苍子油基聚乙烯膜包装材料在储粮前期(0～14 d)对微生物具有一定的抑制作用,能避免大米总酸值的快速增大。

3 结论

利用挤出成型-吹塑成膜技术制备了不同含量的山苍子油和山苍子油微胶囊基聚乙烯膜,通过力学性能、扫描电镜分析和抑菌实验等研究表明,加入2%的山苍子油和山苍子油微胶囊制备的聚乙烯膜具有较好的力学性能和抑菌活性,其中2%山苍子油聚乙烯膜的抗拉强度为(23.72±1.94) MPa,断裂伸长率为136.04%±2.59%,拉伸弹性模量为107.99±2.77 MPa,而2%山苍子油微胶囊聚乙烯膜的抗拉强度为(20.27±1.78) MPa,断裂伸长率为136.59%±3.26%,拉伸弹性模量为(120.42±2.89) MPa,加入2%的山苍子油或山苍子油微胶囊制备的聚乙烯膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、青霉菌、灰霉菌和黄曲霉菌的抑制菌均大于50%,其中对青霉菌的抑制效果最佳。

高温高湿条件下,利用2%的山苍子油和山苍子油微胶囊聚乙烯膜对大米储藏过程中脂肪酸值和总酸值的影响研究表明,在大米储藏前期(0～14 d),山苍子油和山苍子油微胶囊抑菌成分的加入,能有效抑制大米脂肪酸值和总酸值的快速上升(P<0.05),从而起到延缓大米陈化的目的。