海藻酸钠/玉米醇溶蛋白抗菌复合膜的制备及其性能

刘新新，刘钟栋*

河南工业大学粮油食品学院（郑州 450001）

食品包装是食品工业中的一道重要工序，包装材料的性质，不仅影响食品的运输、储藏以及消费者的购物体验和产品的品牌价值，而且还影响着包装食品的安全[1]，由此在现代食品工业中食品包装材料的相关研究极为重要。由目前的研究现状来看，食品包装膜已由单一成分制膜，发展成具有多种功能的、由多种生物大分子和脂类制成的多组分复合膜，这种复合膜将成膜基质的多种优点融合，综合优化了膜的多种特性，因此相比于单一基质膜在食品工业中具有更加广阔的应用前景[2]。文中选用的海藻酸钠是一种具有良好生物相容性的线性多糖，无毒无味，成本低廉，且具备优秀的凝胶性与成膜性，制备成膜后薄膜有一定的抗菌性[3]，在食品包装材料中的应用潜力巨大，然而纯海藻酸钠膜质脆，强度和弹性不够，严重限制了其在包装领域的发展。而玉米醇溶蛋白膜因为其良好的耐水性、稳定性和机械性能，在食品包装工业中的应用研究由来已久，将两种成膜材料以合适比例混合，可以利用蛋白质和多糖的静电吸收和共价交联作用[4]，获得更加稳定且物化性质和机械性能更好的复合膜，关于这种复合材料研究目前还较少。

食品储藏过程中微生物引起的腐败是影响食品货架期的重要因素之一[5]，现阶段消费市场上的食品防腐抑菌方法普遍是将食品防腐剂直接添加到食品中，随着人们对于食品安全关注度的提升，此方法的潜在风险性日益突出，并且添加到食品体系中的防腐剂的活性会因发生中和、分解等一系列复杂的反应而被消耗殆尽，导致防腐剂的效力降低，无法达到预期的防腐效果[6]，利用包装材料的抑菌效果实现食品防腐保鲜效果是现在的研究重点。近年来，在包装材料中添加可以改变包装内微环境的物质，可控释放抗菌物质的活性抗菌包装材料相关研究被争相报道[7-8]，此法不仅能够有效抑菌，而且对于食品本身的影响较小。

百里香精油（Thymus monogliousRomm essiential oil）因成分独特一直是芳香油中的精品，而且其具有天然较强的抗菌和抗氧化特性[9]，近年来成为食品工业中抗菌剂的理想替代产品，也可添加于包装材料中用于食品的保藏，但是其应用受限于其难溶于水、易挥发易氧化的性质。贾晓云等[10]报道了利用β-环糊精（β-Cyclodextrin）外亲水内疏水的立体空腔结构包合留兰香，从而保护其有效成分的相关研究，研究将此包埋技术应用于百里香精油，从而提高百里香精油的抗菌性能利用率。而且有研究报道了β-环糊精的缓释功能，此方法也能大大延长其抗菌作用时间，延长货架期，为百里香精油在食品抗菌包装的应用扩大了范围[11]。通过添加制得的百里香精油活性抗菌包合物，控制抗菌成分释放，再加上海藻酸钠本身即具有一定的抗菌性能，这种复合活性抗菌膜的抗菌效果具有巨大的研究潜力。

研究将海藻酸钠和玉米醇溶蛋白制备复合包装膜，通过考量不同配比下膜的物化性能、机械性能和电镜扫描结果，选出最佳配比，进而运用环糊精包合技术对百里酚精油处理制得缓释抗菌颗粒加入到最佳配比的成膜液中，获得一种活性抗菌复合膜，以期开发出具有活性抗菌和机械性能较好的复合食品包装膜，为食品包装材料更深入的研究打下基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海藻酸钠（天津市光复精细化工研究所）；玉米醇溶蛋白（日本昭和产业株式会社）；百里酚精油（新疆盛澜香料有限责任公司）；β-环糊精、甘油、硝酸钾（天津市科密欧化学试剂有限公司）；大肠杆菌、金黄色葡萄球菌（河南工业大学生物工程学院）；试验用水为超纯水。

SHZ-B水浴恒温振荡器、SPX-250B-Z智能型生化培养箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）；精密定时电动搅拌器（金坛市华峰仪器有限公司）；101型电热鼓风干燥箱（成都特思特仪器有限公司）；B-290小型喷雾干燥仪（瑞士BUCHI有限公司）；UV-2600型紫外分光光度计（日本岛津公司）；TA.XT Plus物性测试仪（英国Stable Micro Systems公司）；外径千分尺（日本三丰仪器）；Quanta-250型扫描电子显微镜（美国FEI公司）；HVE=50高压蒸汽灭菌锅（北京市永光明医疗仪器公司）；VS-1300超净工作台（苏州安泰空气技术有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 复合膜制备及性质表征

1.2.1.1 复合膜的制备

将海藻酸钠溶解在70℃的热水中，连续搅拌直至完全溶解，配制成质量分数为3%的海藻酸钠溶液；将玉米醇溶蛋白溶解在60℃的体积分数90%乙醇水溶液中搅拌至完全溶解，配制成质量分数为1%的玉米醇溶蛋白溶液。在25℃恒温条件下，将玉米醇溶蛋白溶液与海藻酸钠溶液分别以体积比0∶1，1∶1，2∶1，3∶1混合均匀，依次编为1号、2号、3号、4号样品，同时各添加1 g/100 mL的甘油作为增塑剂，用电动搅拌器（300 r/min）定时搅拌30 min。搅拌均匀后将20 mL的成膜溶液迅速铺摊在亚克力平板（12 cm× 12 cm）上，于干燥箱（40℃）中放置16～24 h后揭膜，最后将复合膜置于装有饱和溴化钠的干燥器中平衡48 h（相对湿度58%）[12]。

1.2.1.2 物理性能测定

选择平整、干燥均匀的膜样品，用千分尺随机测量五个点位的膜厚度，取其平均值作为膜样品的厚度[13]。

透光率的测定参照Weng等[14]的方法。选取厚度均匀的复合膜样品，将膜切割成30 mm×10 mm条状，垂直紧贴内壁放入比色皿，膜样品与比色皿内壁无气泡，比色皿放入紫外-可见分光光度计中，分别测定400，500，600，700和800 nm下的透光率，以不贴膜比色皿为空白对照。

水蒸气透过率参照Srinivasa等[15]的拟杯式方法测定，并略作修改。室温条件下，准确称取10 g干燥硅胶放入40 mm×20 mm称量瓶中，以提供相对湿度0%的环境。选取光滑平整的复合膜样品测量其厚度后，紧密覆盖在称量瓶口，迅速称量覆膜后称量瓶质量。将已称质量的称量瓶放入底部为KNO3饱和溶液（相对湿度90%，25℃）的干燥器内，保证膜两侧的水蒸气压差。每隔一定时间取出称质量，直至前后2次的质量增加率小于5%为止，称量3次，计算平均值。以式（1）计算复合膜的水蒸气透过率：

式中：WVP为水蒸气透过率，g·mm·m-2·h-1·kPa-1；Δ为m样为品稳膜定的后面的积质，量m增2；加Δ量t为，测g；量d间为隔膜时厚间度，hm；mΔ；p为A膜两侧的水蒸气压差，kPa。

1.2.1.3 机械性能测定

拉伸强度和断裂伸长率参考刘少博等[16]的方法，选择均匀，平整，无瑕疵的复合膜，裁剪成长40 mm×30 mm的长方形样品，用质构仪测定采用测定，测定条件：测前速度3.0 mm·s-1；测试速度1.0 mm·s-1；测后速度10.0 mm·s-1。每个样品测试3次取平均值，以公式（2）和（3）分别计算膜的断裂伸长率和抗拉强度：

式中：E为断裂伸长率，%；l0为复合膜样品长度，mm；l为复合膜断裂时长度，mm。

式中：TS为抗拉强度，MPa；F为复合膜断裂时承受的最大拉力，N；d为膜厚度，mm；w为膜宽度，mm。

1.2.2 抗菌复合膜的制备、表征及抗菌活性检测

1.2.2.1 抗菌复合膜的制备

参考Phunpee等[17]和曾张福等[18]的方法，适当改良后制备环糊精-百里香精油抗菌包合物。配制质量分数为9.02%的β-环糊精水溶液；加入百里香精油，精油质量与β-环糊精质量比为0.8∶1，恒温55℃振荡24 h后喷雾干燥。喷雾干燥的条件：进风温度150℃，压缩空气压力0.5 MPa，进料速率15 mL·min-1，空气流量20 m3·h-1。

在25℃恒温条件下，将3%的海藻酸钠溶液与1%的玉米醇溶蛋白溶液以体积比1∶1混合均匀，加入1 g/100 mL的甘油作为增塑剂，分别加入0.0%，0.1%，0.3%和0.5%质量比抗菌包合物，按1.2.1.1的方法混匀，干燥成膜并保存。

1.2.2.2 抗菌活性检测

选用最常见的革兰氏阴性菌-大肠杆菌和革兰氏阳性菌-金黄色葡萄球菌，测试抗菌复合膜的抗菌性能，测试方法参考喻弘等[19]的抑菌圈法。样品膜用打孔器裁剪成直径3 cm的圆片并进行2 h紫外灭菌，配置好的马铃薯葡萄糖琼脂培养基液，培养皿一起放入灭菌锅中（121℃，20 min）。超净工作台中将培养基液倒入培养皿中，半凝固状态放入灭菌样品膜，完全凝固后以涂布方式向培养皿中接入1 mL大肠杆菌悬浮液。分别37℃恒温培养24 h后，观察菌体生长情况并测量抑菌圈的直径记录。

1.2.3 微观结构观察

将样品固定于铜柱体上，通过溅射器分别对膜的两面进行喷金处理后，利用扫描电子显微镜观察样品膜的表面微观结构，加速电压为3 kV。

2 结果与分析

2.1 海藻酸钠-玉米醇溶蛋白比例对复合膜物理性能的影响

由表1可知，海藻酸钠和玉米醇溶蛋白的比例对于复合膜的厚度几乎无明显影响。有研究报道[20]，成膜液的体积与铺开面积的比例直接影响膜的厚度，此次试验测试样品膜是以20 mL成膜液，均匀铺在12 cm×12 cm的平板上制成。膜的厚度是影响其使用范围的重要物理性能，通过以上结果，说明海藻酸钠-玉米醇溶蛋白复合膜可以根据需求厚度，改变工艺制膜而不受海藻酸钠与玉米醇溶蛋白比例的影响。通过水蒸气透过率的变化趋势可以看出，复合膜的水蒸气透过率明显低于单一海藻酸钠膜，且随着玉米醇溶蛋白比例的增加，复合膜的水蒸气透过率逐步降低，这可能是由于两种物质共混后发生反应，使得海藻酸钠有效的亲水基团减少，从而水蒸气透过率呈现下降趋势。水蒸气透过率越小，说明复合膜阻隔水蒸气逸散的能力越强，更能有效保护食品中的水分，保鲜效果越佳。

表1 海藻酸钠和玉米醇溶蛋白复合比例对膜厚度和水蒸气透过率的影响

由图1可知，在可见光区400～800 nm时，随着波长的增大，所有膜的透光率均增大；纯海藻酸钠膜的透光率范围在40%～60%之间，复合膜的透光率在20%～40%之间，复合膜的透光率普遍低于单一海藻酸钠膜在各个波长范围内，且随着玉米醇溶蛋白添加量的增加，透光率略有降低，无明显差异，这可能是因为玉米醇溶蛋白的加入破坏了海藻酸钠网络结构，导致了膜的透光率降低，且1号样品已经产生了明显的光阻效果，虽然可能会影响膜外观，但是也增加了其在避光保存中的应用可能性。

图1 海藻酸钠-玉米醇溶蛋白复合膜透光率

2.2 海藻酸钠-玉米醇溶蛋白比例对复合膜机械性能的影响

食品包装材料，在应用、运输过程中都需要具有抵抗一定外力的作用，膜的机械性能在一定程度上可反映其对食品物理保护的能力。一般情况下，可通过抗拉强度和断裂伸长率表示其机械性能强弱，数值越大其阻隔外力的性能越好。图2和图3分别是不同比例海藻酸钠-玉米醇溶蛋白4种样品复合膜的拉伸强度试验结果和断裂试验结果。如图所示，纯的海藻酸钠膜的抗拉强度为1.39 MPa，断裂伸长率为16.91%，当添加玉米醇溶蛋白比例为1∶1后，膜的抗拉强度达到最大3.75 MPa，断裂伸长率达到最大42.13%，机械性能有了大幅度明显提高，但是继续增加玉米醇溶蛋白添加量后，即呈现逐步下降趋势，但是海藻酸钠-玉米醇溶蛋白复合膜（2号、3号和4号）的机械性能任然要高于单一海藻酸钠膜。分析原因可能是因为海藻酸钠是分子量较大的长链多糖，由于糖链分子在转动时需要较大的体积从而更容易与其他分子发生碰撞，从而破坏力学结构，加入的玉米醇溶蛋白与海藻酸钠有了交联作用，形成更加弹性致密的平面结构，遂更加稳定。在两者添加比例为1∶1时，两者交联作用达到平衡，继续增加玉米醇溶蛋白添加量，反而破坏了平衡，两者自身的成膜性质起了主导作用，遂性能下降。以上结果说明玉米醇溶蛋白的加入改善了海藻酸钠基包装膜的力学性能，且在两者混配比例为1∶1时阻隔外力效果最好。

图2 不同比例海藻酸钠-玉米醇溶蛋白膜的拉伸试验结果

图3 不同比例海藻酸钠-玉米醇溶蛋白膜的断裂试验结果

2.3 复合膜扫描电镜分析

图4所示为不同比例复合膜的扫描电镜微观形貌图，通过观察可知，相比其他复合膜，1号膜中较多孔隙，这也与上面的水蒸气透过率数据相对应，说明纯的海藻酸钠具有一定成膜性，但是结构不够紧密，这也可能是机械性能较低的原因。2号膜最为平滑光整无裂痕，孔隙也较少，3号膜和4号膜，出现明显颗粒粗糙表面，且4号复合膜出现裂痕，说明过多添加的玉米醇溶蛋白与海藻酸钠相容性不好。表面光整度大大影响着包装膜的使用外观，同时微观结构也从另一方面呼应解释了复合膜物理性能和机械性能的差异，再次说明当玉米醇溶蛋白成膜液与海藻酸钠成膜液配比为1∶1时，膜的综合性质最好，因此选择此比例膜进行后续抗菌膜的制备试验。

图4 不同比例海藻酸钠-玉米醇溶蛋白膜的扫描电镜镜像

2.4 不同含量抗菌包合物复合膜扫描电镜分析

从图5可以看出，抗菌包合物对膜的表面光整度产生了一定影响，膜表面出现颗粒物，说明β-环糊精较好的包合了百里香抗菌精油没有出现溶解破碎在膜表面的情况，这样更有利于抗菌物质的缓慢释放。在抗菌包合物添加量为0.3%时，膜表面出现了聚合大颗粒，可能是因为抗菌包合物的添加量超过复合膜的包容性，可能被膜液再次包合，形成更大颗粒，对膜的使用外观产生较大影响。说明在保证抗菌性能的条件下，适量添加百里香精油抗菌包合物，更有利于保持其平整外观和抗菌物质的活性释放。

2.5 不同含量抗菌包合物复合膜抗菌性能分析

抑菌圈的直径大小与膜的抗菌性能成正比，抑菌圈越大，抗菌性能越好。由图6可以看出，百里香精油抗菌复合膜对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有一定程度的抑菌作用，相同添加量的抗菌复合膜对于金黄色葡萄球菌效果要略好于大肠杆菌，此结果与裴海闰等[21]对于百里香精油抗菌效果的研究结果一致。在最少添加量0.1%时抗菌复合膜已表现出对2种菌的抑制生长效果，说明其可以在较少添加量下达到抗菌效果，且随着抗菌精油包合物含量的增加，膜的抗菌性能呈增加趋势。实际应用中可以根据抑菌需求制备不同抗菌效用的包装材料，综合抗菌包合物对膜表面平整性的影响，0.2%的添加量即可以同时满足抗菌和良好外观的要求。

图5 不同添加量百里香包合物复合膜的扫描电镜镜像

图6 不同百里香精油包合物复合膜的抑菌性能

3 结论与讨论

从复合膜的海藻酸钠和玉米醇溶蛋白的配比上分析，相比单一海藻酸钠膜，海藻酸钠-玉米醇溶蛋白复合膜具有更好的水蒸气阻隔性和避光性，玉米醇溶蛋白的加入改良了海藻酸钠膜的吸水性和透明程度，随着复合膜中玉米醇溶蛋白比例的增加，透光率逐渐升高，从包装膜的使用上分析，这种性质将大大有利于需要避光保存的食物的包装。两者之间的交联作用也改善了海藻酸钠膜的机械性能，抗拉效果和断裂伸长率均有了明显提高，由试验数据说明，当复合膜的海藻酸钠和玉米醇溶蛋白配比为1∶1时，复合膜具有最佳物理性能和机械性能，此时的复合膜抗拉强度达到最大3.75 MPa，断裂伸长率达到最大42.13%，在使用感上表现为更加强韧柔软。从复合膜的扫描电镜图像可以合理解释这种交联作用形成的较为稳定的网络结构，对于物理性能和机械性能的变化及趋势，并且通过表面平滑程度比较，当膜液配比为海藻酸钠成膜液：玉米醇溶蛋白成膜液为1∶1时，复合膜具有最佳性能和外观。在最佳配比制得的复合膜中加入百里香精油抗菌包合物，对于膜表面的光滑程度产生了一定影响，这与包合物的颗粒大小有关，随着抗菌包合物添加量的增加膜表面逐渐粗糙。由其抗菌试验表明，抗菌效果与添加量明显的剂量效应，且在添加量为0.1%时已经对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有一定的抗菌效果，综合膜外观和抗菌效能，百里香精油包合物添加量为0.2%时候，膜的综合性质更好，在实际应用中应也可根据保鲜防腐食品的具体包装需求适量改变添加量。