復(fù)配型對羥基苯甲酸酯類抗菌防霉包裝膜

李 彥LI n 唐亞麗,2 -,2 盧立新,2 -,2 丘曉琳,2 -n,2 王 軍,2 ,2

(1. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

低水分活度食品，是指水分活度(aw)<0.7的食品，如堅果、奶粉、餅干、花生醬等[1-2]。低aw可以控制食品中病原菌的生長，因此，低aw食品一般被認(rèn)為微生物是安全的。但有研究[3-4]表明，微生物雖然在低aw環(huán)境中難以生長、繁殖，但可以在不同的貯藏條件下存活數(shù)月至數(shù)年，一旦條件適宜就會生長繁殖，比如在儲存過程中受到外界條件(如溫濕度的變化)的影響。低aw食品采用的包裝材料一般為防潮玻璃紙、PVDC涂塑紙、K涂BOPP/PE、鋁塑/PE等復(fù)合薄膜等，這些包裝材料缺乏主動抗菌性能，當(dāng)外界條件改變時，無法對內(nèi)裝物進(jìn)行防護(hù)從而延長貨架期，所以采用抗菌薄膜[5-7]對產(chǎn)品進(jìn)行包裝以免受到微生物的污染成為一種新的發(fā)展趨勢。另外，抗菌包裝可以降低甚至避免向食品中直接添加防腐劑，因此得到廣泛的重視和研究[8-10]。

PE(聚乙烯)是塑料中產(chǎn)量最大、用途極廣的熱塑性塑料。由于PE具有安全、耐腐蝕以及良好的熱封性能，所以無論是獨立包裝薄膜還是作為復(fù)合薄膜的內(nèi)層材料，都得到了廣泛的應(yīng)用[11]。對羥基苯甲酸酯是安全、高效、廣譜的食品防腐劑[12]。由于具有酚羥基結(jié)構(gòu)，其抗細(xì)菌活性優(yōu)于苯甲酸、山梨酸[13]。對羥基苯甲酸酯包括甲酯、乙酯、丙酯、丁酯等，其抑菌作用隨著醇烴基碳原子數(shù)的增加而增加，且碳鏈愈長，毒性愈小，用量愈少[14]。生產(chǎn)過程中，通常是將幾種酯混合使用，以達(dá)到協(xié)同抗菌作用。其中以對羥基苯甲酸甲酯和對羥基苯甲酸丙酯使用最多。對羥基苯甲酸酯類具有較高的熱穩(wěn)定性，所以與PE樹脂擠出流延成膜時能夠承受高溫而不致熱分解失效，具有較好的加工性能。

本試驗通過將不同比例的對羥基苯甲酸甲酯(MPHB)與對羥基苯甲酸丙酯(PPHB)復(fù)配制成抗菌防霉低密度聚乙烯(LDPE)薄膜，研究復(fù)配后薄膜的抗菌防霉效果、機(jī)械性能及阻隔性能等。以期為低水分活度食品的內(nèi)層包裝抗菌材料的開發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

對羥基苯甲酸甲酯(MPHB)、對羥基苯甲酸丙酯(PPHB)：化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

低密度聚乙烯(LDPE)：LD100AC型，?？松梨诠?；

NaCl、無水乙醇：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

乳糖膽鹽發(fā)酵培養(yǎng)基、平板計數(shù)瓊脂培養(yǎng)基、營養(yǎng)肉湯：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基：青島高科園海博生物技術(shù)有限公司；

大腸桿菌(ATCC25922)、金黃色葡萄球菌(ATCC 6538)、桔青霉(ATCC1109)：上海魯微科技有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

電子分析天平(200 g/0.1 mg)：AB204-N型，梅特勒-托利多儀器有限公司；

高速混合機(jī)：LMX5-VS型，Labtech Engineering Comp-any LTD；

雙螺桿擠出機(jī)：LTE16-40型，Labtech Engineering Company LTD；

多層冷輥擠出機(jī)設(shè)備：LMCR-300型，Labtech Engineer-ing Company LTD；

千分臺式薄膜測儀(精度 0.001 mm)：Q/ILBN2-2006CH-1-S型，上海六菱儀器廠；

萬能電子材料試驗機(jī)：LRX Plus型，英國LLOYD儀器公司；

水蒸氣透過率測試系統(tǒng)：PERME W3/OGOWVTR型，Labtech Engineer-ing Company LTD；

透氣性測試儀：BTY-B1型，Labtech Engineer-ing Company LTD；

立式壓力蒸氣滅菌器：LDZM型，上海申安醫(yī)療器械廠；

垂直層流潔凈工作臺：HCB-1300V型，青島海爾特種電器有限公司；

生化培養(yǎng)箱：SHP-250型，上海精宏實驗設(shè)備有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 LDPE抗菌防霉膜的制備 經(jīng)前期試驗證明抗菌防霉劑濃度越高效果越好，考慮到限量標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)成本，確定0.1%為最終濃度。分別稱取一定量的MPHB、PPHB和LDPE樹脂，按一定比例配料，經(jīng)高速混合機(jī)(400 r/min)混勻30 min。將混合料添加到雙螺桿擠出機(jī)的料斗中擠出，得到抗菌防霉劑含量為4%的MPHB和PPHB 2種母粒。經(jīng)二次造粒，得到濃度為0.1%的5種母粒。將不同比例的母粒擠出流延成膜，并設(shè)置空白對照組。

雙螺桿擠出造粒機(jī)溫度設(shè)定：進(jìn)料口165 ℃，中間段180 ℃，擠出頭190 ℃。進(jìn)料速度14 r/min，螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min，剪切速度8 m/min。擠出流延機(jī)由進(jìn)料端到模頭的四段溫度依次為185，190，190，205 ℃，擠出模頭兩端溫度205 ℃，中間溫度200 ℃。螺桿轉(zhuǎn)速39 r/min，流延冷卻輥轉(zhuǎn)速1.6 m/min，牽引輥轉(zhuǎn)速2.1 m/min，卷取輥轉(zhuǎn)速11 r/min。

1.2.2 抗菌防霉性能的測定

(1) 抗細(xì)菌性能的測定：參照QB/T 2591—2003，采用貼膜法測試所制備薄膜的抗菌性能?？瞻讓φ蘸涂咕芰蠘悠窐?biāo)準(zhǔn)尺寸為(50±2) mm×(50±2) mm，覆蓋膜標(biāo)準(zhǔn)尺寸為(40±2) mm×(40±2) mm。分別取制備好的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌懸液0.2 mL滴加在空白對照和抗菌塑料樣品上，覆膜后置于(37±1) ℃、相對濕度>90%培養(yǎng)24 h，取出并用洗脫液分別洗滌樣品膜和覆蓋膜，充分搖勻后，取一定量接種于平板計數(shù)瓊脂培養(yǎng)基中，在(37±1) ℃下培養(yǎng)24～48 h后，活菌計數(shù)，按GB/T 4789.2—2016的方法測定活菌數(shù)。每個樣品做5個平行?？辜?xì)菌率按式(1)計算：

(1)

式中：

R——抗細(xì)菌率，%；

B——空白對照樣品平均回收菌數(shù)，CFU/片；

C——抗菌塑料樣品平均回收菌數(shù)，CFU/片。

樣品抗菌性能判斷標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)抗細(xì)菌率≥99%時，說明有強(qiáng)抗細(xì)菌作用，當(dāng)抗細(xì)菌率≥90%時，說明有抗細(xì)菌作用。

(2) 抗霉菌性能的測定：按QB/T 2591—2003執(zhí)行。樣品尺寸在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法上略作修改。將薄膜裁成30 mm×30 mm的正方形[15]，經(jīng)75%的酒精消毒后，貼于接種桔青霉的馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中，于28 ℃，相對濕度>90% 下培養(yǎng)28 d，觀察樣品長霉面積。樣品長霉等級見表1。

1.2.3 機(jī)械性能測定 按GB/T 1040.3—2006執(zhí)行。將抗菌防霉膜裁成15 mm×150 mm的矩形試樣，按照GB/T 6672—2001測量試樣厚度，用千分臺式測厚儀測量薄膜的厚度，每個試樣隨機(jī)選取5個點進(jìn)行測量，取平均值。用萬能材料試驗機(jī)測試?yán)鞆?qiáng)度，斷裂伸長率，每個試樣測量5次，取平均值。定速度300 mm/min，夾距100 mm。

拉伸強(qiáng)度按式(2)計算：

(2)

式中：

σM——拉伸強(qiáng)度，MPa；

F——試樣所能承受的最大壓力，N；

A——試樣的截面面積，m2。

斷裂伸長率按式(3)計算：

(3)

式中：

δ——斷裂伸長率，%；

L1——試樣斷裂時試樣夾之間的距離，mm；

L0——試樣夾之間的初始夾距，mm。

1.2.4 阻隔性能的測定 食品包裝材料的阻隔性能是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，阻隔性能主要指材料對水蒸氣及氧氣的透過性能。水蒸氣透過率是指在規(guī)定的溫度、相對濕度、水蒸氣壓差和厚度下，1 m2的試樣在24 h透過的水蒸氣量，單位為g/(m2·d)。試驗中使用W3/060型水蒸氣透過率測試系統(tǒng)測試薄膜的水蒸氣透過率，遵循GB/T 1037—1988的規(guī)定。

氧氣透過系數(shù)指在恒定溫度和單位壓力差下，在穩(wěn)定透過時，單位時間內(nèi)透過塑料薄膜、鋁箔、真空鍍鋁膜等材料單位厚度及面積的氣體體積，單位為cm3·cm/(cm2·s·Pa)。薄膜的透氧系數(shù)按照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法》進(jìn)行測量。應(yīng)在GB/T 2918—1998中規(guī)定的(23±2) ℃下，將試祥放在干燥器中調(diào)節(jié)狀態(tài)48 h以上。然后使用BTY-B1型透氣性測試儀測量薄膜的透氧量及透氧系數(shù)，測試環(huán)境保持恒溫(23 ℃)、恒濕(相對濕度50%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗菌防霉性能

2.1.1 抗細(xì)菌性能 圖1、2分別為大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的平板活菌計數(shù)的菌落數(shù)直觀圖。由圖1、2可知，與空白LDPE薄膜對比，添加MPHB和PPHB后菌落數(shù)明顯減少，尤其當(dāng)二者復(fù)配時，效果更佳。

表2、3分別為不同配方的LDPE抗菌防霉薄膜大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的菌落數(shù)和抗菌率。由表2可知，單獨添加MPHB和PPHB的抗菌防霉膜對大腸桿菌的抗菌率分別為86.84%，91.78%，依據(jù)抗菌性能的判斷標(biāo)準(zhǔn)，單獨添加MPHB達(dá)不到抗菌效果，單獨添加PPHB有較低的抗菌效果。當(dāng)二者復(fù)配時，抗菌效果有明顯的提高，當(dāng)MPHB和PPHB質(zhì)量比為2∶3時，抗菌效果達(dá)到了99.67%，可以判斷具有較強(qiáng)的抗菌效果。由表3可知，單獨添加MPHB和PPHB時，對金黃色葡萄球菌的抗菌率都<90%，基本上達(dá)不到抗菌作用。當(dāng)兩者復(fù)配時，都>90%，并且當(dāng)MPHB和PPHB質(zhì)量比為2∶3時，抗菌率達(dá)到99.59%，具有較強(qiáng)的抗菌作用。綜合以上結(jié)果，可以判斷當(dāng)MPHB和PPHB復(fù)配時，具有協(xié)同抗菌作用，且MPHB和PPHB質(zhì)量比2∶3時，具有較強(qiáng)的抗菌作用。可能是對羥基苯甲酸酯類的抗菌機(jī)理是通過破壞微生物的細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)變性，從而抑制菌落的生長，并且隨著烷基碳鏈的增長，抗菌作用增強(qiáng)[16]。當(dāng)把2種碳鏈長短不同的酯類復(fù)配時，可以同時作用于微生物細(xì)胞的幾個靶點，抑制一些酶的功能，干擾膜功能，破壞膜電位，包括營養(yǎng)物質(zhì)運輸，同時也干擾蛋白質(zhì)、RNA、DNA的合成，從而起到了協(xié)同抗菌作用。

Figure 1 Comparison of the number of colonies (Escherichiacoli) after 24 hours of incubation with different antibacterial and mouldproof membrane

Figure 2 Comparison of the number of colonies (Staphylococ-cusaureus) after 24 hours of incubation with different antibacterial and mouldproof LDPE membrane

表3不同配方的LDPE抗菌防霉膜抗金黃色葡萄球菌的抗菌率

Table 3 Antibacterial rate of different antibacterial and mouldproof LDPE membrane (Staphylococcusaureus) (n=5)

2.1.2 抗霉菌性能 復(fù)配型對羥基苯甲酸酯LDPE薄膜的防霉效果見圖3，長霉等級見表4。依據(jù)表1，圖3(a)兩黑色方框內(nèi)為空白LDPE薄膜樣品的大致霉菌蔓延面積，很明顯長霉面積超過了樣品的10%，長霉等級二級，無防霉作用，加入MPHB和PPHB后，僅薄膜邊緣有霉菌痕跡生長，面積明顯小于樣品的10%，長霉等級達(dá)到一級，有防霉作用。對羥基苯甲酸酯能夠抑制桔青霉的生長可能是其分子首先在塑料內(nèi)部擴(kuò)散，然后溶解于塑料表面，分散到與薄膜表面接觸的微生物細(xì)胞表面[17]，與細(xì)胞外膜進(jìn)行接觸并被吸附，通過細(xì)胞膜進(jìn)入到原生質(zhì)內(nèi)，干擾霉菌細(xì)胞膜的通透性，阻礙細(xì)胞膜對氨基酸的吸收，抑制呼吸酶系的活性，從而起到防霉作用[18-19]。

2.2 機(jī)械性能

MPHB和PPHB的加入對LDPE抗菌防霉膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響見圖4。由圖4可知， LDPE抗菌防霉膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率沒有大的波動，拉伸強(qiáng)度在(22.50±2.5) MPa，斷裂伸長率在(575.0±5)%，復(fù)配對LDPE抗菌防霉膜沒有太大的影響?？瞻譖E膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為24.13 MPa和579.75%，單純加入MPHB和PPHB后，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率稍微有所下降。當(dāng)加入二者的復(fù)配物時，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率都有所提升，當(dāng)MPHB和PPHB質(zhì)量比為2∶3時，抗菌防霉膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別達(dá)到了24.69 MPa和575.20%，優(yōu)于空白PE膜的機(jī)械性能，可能是MPHB和PPHB分子含有主鏈芳環(huán)[20]，有助于增加材料的強(qiáng)度。當(dāng)單純加入MPHB和PPHB時，在加工過程中分子并不能在樹脂中均勻分散，反而導(dǎo)致機(jī)械性能有所下降。而當(dāng)加入兩者的復(fù)配物時，由于引入的分子中同時含有芳環(huán)和長度不同的碳鏈，分子鏈段之間互相作用，使MPHB和PPHB在樹脂中分散的更加均勻，芳環(huán)和碳鏈的作用得到了平衡，同時提高了薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。且各配方薄膜的機(jī)械性能都符合QB/T 1125—2000 未拉伸聚乙烯、聚丙烯薄膜的使用要求。

Figure 4 Tensile strength and elongation at break of antibacterial and mouldproof LDPE membrane in different formulations

2.3 阻隔性能

由圖5、6可知，加入對羥基苯甲酸酯類后，水蒸氣透過率和透氧系數(shù)均有降低，即薄膜的阻隔性有一定的提高?？瞻譖E薄膜的水蒸氣透過率為3.57 g/(m2·d)，當(dāng)加入MPHB和PPHB后，均有不同程度的降低，當(dāng)MPHB和PPHB復(fù)配質(zhì)量比為2∶3時，水蒸氣透過率最低，為2.33 g/(m2·d)，相比空白PE薄膜阻濕性提高了34.73%?？瞻譖E薄膜的透氧系數(shù)為25.94 ×10-15cm3·cm/(cm2·s·Pa)，加入MPHB和PPHB后，有明顯的降低，當(dāng)單獨加入MPHB時最低[23.54×10-15cm3·cm/(cm2·s·Pa)]，相比空白膜阻氧性提高了9.25%。所以對羥基苯甲酸酯的加入在一定程度上提高了薄膜的阻隔性?？赡苁潜∧ぶ幸肓舜蠓肿渔満突鶊F(tuán)，這些鏈在薄膜中相互纏繞、排列，阻礙了水和氣體的擴(kuò)散和滲透。

Figure 5 Water vapor transmission rate of antibacterial and mouldproof Low density polyethylenemembrane in different formulations

Figure 6 Oxygen transmission coefficient of antibacterial and mouldproof Low density polyethylenemembrane in different formulations

3 結(jié)論

對制備的復(fù)配型對羥基苯甲酸酯LDPE薄膜的抗菌防霉性能、機(jī)械性能及阻隔性能表征，發(fā)現(xiàn)單獨加入MPHB和PPHB薄膜的抗菌效果并不理想，當(dāng)兩者復(fù)配后具有協(xié)同抗菌作用，并且質(zhì)量比為2∶3時具有較強(qiáng)的抗菌效果，防霉等級達(dá)到一級。單獨加入MPHB和PPHB時，薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率稍有降低，復(fù)配后拉伸強(qiáng)度有提高。相比于空白LDPE薄膜，復(fù)配型抗菌防霉薄膜阻隔性有了一定的提高。所以復(fù)配型LDPE薄膜在具有較強(qiáng)的抗菌防霉作用的同時，其他基本性能也有所提高，具有應(yīng)用于低水分活度食品內(nèi)層包裝的潛力。目前還沒有學(xué)者對MPHB和PPHB復(fù)配制成抗菌防霉薄膜進(jìn)行相關(guān)研究，此項研究重點在于開發(fā)一種新型抗菌防霉薄膜并探究其應(yīng)用，接下來將對其實際應(yīng)用作進(jìn)一步的研究。

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