明膠-山梨酸鉀抗菌膜的制備及性能研究

王 卉,薛長風,黃朝暉,曹 輝

(瓊州學院 食品學院,海南 三亞 572022)

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明膠-山梨酸鉀抗菌膜的制備及性能研究

王 卉,薛長風,黃朝暉,曹 輝

(瓊州學院 食品學院,海南 三亞 572022)

以明膠為基質(zhì),添加抗菌劑山梨酸鉀,采用溶液流延成膜法制備不同山梨酸鉀含量的明膠抗菌膜,研究不同山梨酸鉀含量對膜的力學性能、水蒸氣透過率、透光性能、山梨酸鉀釋放率和抗菌性能的影響.結(jié)果表明,隨著山梨酸鉀含量的增加,明膠膜的拉伸強度不斷增大,而斷裂伸長率逐漸降低.水蒸氣透過率和透光性能隨山梨酸鉀含量的增加逐漸降低,山梨酸鉀在水中先后經(jīng)歷快速釋放和緩慢釋放兩個階段,山梨酸鉀含量高的膜釋放速率較快,明膠膜對金黃色葡萄球菌的抗菌性能隨著山梨酸鉀含量增加而增大.

明膠膜;山梨酸鉀;釋放速率;抗菌性能

食品在儲藏過程中表面易滋生微生物,這是造成食品污染的重要原因.具有抗菌性能的生物可降解食品包裝材料能夠隔離被包裝食品與外界環(huán)境的物質(zhì)交換,通過抗菌劑的緩慢釋放,能較長時間作用于食品,從而長久的抑制或防止微生物的生長,有效延長食品保質(zhì)期.其中,可食性抗菌膜以蛋白質(zhì)、多糖等生物大分子為基質(zhì),通過添加抗菌劑達到抑菌效果,多糖類包括淀粉、纖維素、殼聚糖、藻酸鹽、角叉菜膠等,蛋白類材料有大豆蛋白、乳清蛋白、玉米蛋白及其衍生物[1-2].明膠是由動物的皮或骨頭為原料制得的,是膠原蛋白多級的水解產(chǎn)物,由多種氨基酸組成的大分子混合物,在食品和醫(yī)藥等工業(yè)領域有著廣泛的應用[3-4].明膠易成膜,明膠膜具有可食性和可降解性,在包裝方面有潛在應用價值[5-6].雖有較多關(guān)于增塑劑和交聯(lián)劑對明膠膜性能影響的研究[7-8],但對抗菌劑影響的研究有限.山梨酸及其鹽類可以抑制細菌、霉菌和酵母菌的生長,能有效地延長食品貨架期.本論文在明膠成膜液中添加抗菌劑山梨酸鉀,制備明膠抗菌膜,研究山梨酸鉀含量對明膠抗菌膜的性能影響.

1材料與方法

1.1材料與設備

明膠(國藥集團化學試劑有限公司);甘油(科德麗化工有限公司);山梨酸鉀(天威化工有限公司監(jiān)制);其他試劑均為分析純.

LRH-250F生化培養(yǎng)箱(上海一恒);SW-CJ-2D型雙人凈化工作臺(蘇州凈化);UV2550紫外可見分光光度(日本島津);RGD-1型電子拉力試驗機(深圳市瑞格爾儀器有限公司);SHA-B水浴振蕩器(江蘇金壇億通電子有限公司);N596外徑千分尺(上海量具刃具).

1.2實驗方法

1.2.1明膠-山梨酸鉀抗菌膜的制備

配制5% (w/v)的明膠溶液,40℃下電動攪拌至充分溶解,加入3%的甘油(w/w明膠)作為增塑劑和0.4%的戊二醛(w/w明膠)作為交聯(lián)劑,混合后攪拌30min,加入山梨酸鉀溶液,使山梨酸鉀含量分別為明膠質(zhì)量的3%,6%,9%,12%,攪拌均勻,靜置脫泡,然后將所得溶液在PC塑料培養(yǎng)皿中成膜,于50℃烘干.將膜置于干燥器中(相對濕度為50%)保存待用.

1.2.2力學性能測定

將抗菌明膠膜剪成矩形試樣(20 mm×100 mm),用電子拉力試驗機測試拉伸強度、斷裂伸長率.測試夾具間距為50 mm,拉伸速率為10 mm/min,每個試樣重復測量5次,取平均值.

1.2.3水蒸汽透過系數(shù)(WVP)

1.2.4膜的透光性

剪取35 mm×20 mm的膜樣品,將膜置于分光光度計的試樣槽中,在 600 nm光波下測定膜的吸光度,計算膜的不透明度.不透明度的計算公式:S = Abs600/L,式中:Abs600為膜在600 nm處的吸光度,L為膜厚度(mm).

1.2.5膜厚度的測定

用千分尺測量明膠膜上5點的厚度,取平均值.

1.2.6山梨酸鉀在明膠膜中的釋放測試

1.2.6.1山梨酸鉀標準曲線的制作

濃度/mg·L-1圖1 山梨酸鉀標準曲線

精確稱取 100.0 mg 山梨酸鉀樣品溶解于蒸餾水中,定容至1000 mL,濃度為0.1 mg/mL,分別吸取山梨酸鉀標準溶液1.0 mL、2.0 mL、3.0 mL、4.0 mL、5 mL 于50 mL 容量瓶中,加入5% NaHCO3溶液2 mL,5%鹽酸溶液2 mL,加水至刻度.在230 nm處測吸光度,以不含山梨酸鉀的空白溶液作參比,測定吸光度.

1.2.6.2山梨酸鉀在明膠膜中的釋放速率

將膜剪成20 mm×20 mm大小,準確稱量后浸在50 mL水中,在25℃恒溫振蕩,每隔一定時間吸取1 mL溶液, 置于25 mL容量瓶中,其余步驟同標準曲線制作,由回歸方程計算溶液中的山梨酸鉀含量.按下式計算累積釋放率:Qt%=Mt/M0×100.Qt%為t時刻山梨酸鉀的累積釋放率,Mt為t時刻釋放出的山梨酸鉀量,M0為釋放開始時膜中山梨酸鉀含量.

1.2.7明膠-山梨酸鉀抗菌膜的抑菌圈試驗

將直徑6 mm的濾紙片分別浸入明膠-山梨酸鉀抗菌溶液中,取出晾干.制備牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基,將0.1 mL金黃色葡萄球菌懸液(108CFU/mL)均勻涂布于平板營養(yǎng)基上,再將濾紙片平鋪在含菌培養(yǎng)基上,并置于37℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24小時,測量培養(yǎng)基中抑菌圈的直徑.通過比較抑菌圈的大小來評價膜的抗菌活性的強弱.

2 結(jié)果與分析

2.1力學性能

山梨酸鉀含量對明膠抗菌膜的拉伸強度和斷裂伸長率的影響結(jié)果見圖2和圖3.隨著山梨酸鉀含量的增加,膜的拉伸強度逐漸增強,當山梨酸鉀含量達12%時,拉伸強度為86.1 MPa,而空白明膠膜只有67.9 MPa.斷裂伸長率的變化與拉伸強度相反,隨著山梨酸鉀含量的增加斷裂伸長率逐漸降低,延展性下降.這可能因為山梨酸鉀中的極性基團羥基和羧基與明膠中的氨基和羧基相互作用,形成物理交聯(lián),降低大分子鏈間的滑動能力.隨著山梨酸鉀含量增加,交聯(lián)密度增加,膜的強度不斷增大,伸長率降低.

圖2 山梨酸鉀含量對膜的拉伸強度的影響

圖3 山梨酸鉀含量對膜的斷裂伸長率的影響

2.2水蒸氣透過率

圖 4 山梨酸鉀含量對膜的水蒸氣透過性能的影響

圖4是山梨酸鉀含量對膜的水蒸氣透過性能的影響,隨著山梨酸鉀含量的升高,膜的水蒸氣透過率逐漸下降,空白明膠膜的WVP為7.5×10-9g/(m·Pa·s),12%山梨酸鉀含量明膠膜的WVP降到4.9×10-9g/(m·Pa·s),說明山梨酸鉀與明膠之間的相互作用增加了膜的致密性,降低膜的溶脹能力,使水分子在膜中難以擴散,提高了阻隔性.這與采用交聯(lián)劑增加明膠膜的交聯(lián)度而降低膜的溶脹性結(jié)果一致[9].

2.3透光性能

包裝材料的透明度很重要,它直接影響包裝產(chǎn)品的外觀.山梨酸鉀含量對明膠抗菌膜透明度的影響見表1.山梨酸鉀含量不超過6%的明膠抗菌膜與空白明膠膜的透光性能基本相似,透明性很好,但山梨酸鉀含量增加至9%,明膠膜的不透明度逐漸增加,透光性變差,山梨酸鉀含量越高,透明度越低.這是因為當山梨酸鉀含量低時,能完全分散在明膠膜中,與明膠分子相互作用,膜的外觀表現(xiàn)為均勻、一致、透明,但當山梨酸鉀超過一定量,在膜中無法完全分散,過量的山梨酸鉀會自相聚集,形成晶體,阻擋了光線的通過,從而導致了膜透明度下降.

表1 山梨酸鉀含量對膜透明度的影響

2.4 山梨酸鉀在明膠膜中的釋放

圖5是不同山梨酸鉀含量的明膠膜在水中的釋放曲線.由圖可見,大部分山梨酸鉀在初期快速釋放,隨后釋放速率降低,并且山梨酸鉀含量高的膜釋放速率比含量低的膜要大,這是由于隨著山梨酸鉀含量增多,膜中含有未被完全分散的山梨酸鉀也相應增多,這部分山梨酸鉀在水中會以較快的速率釋放,隨著膜的溶脹,分散于明膠分子中的山梨酸鉀才釋放到水中.

圖5 不同含量的山梨酸鉀在膜中的釋放曲線

2.5 抗菌性能

圖6是不同山梨酸鉀含量的明膠膜液對金黃色葡萄球菌的抑菌圈試驗圖.隨著山梨酸鉀含量的增加,膜液中山梨酸鉀在瓊脂中擴散的范圍增加,因而抑菌圈也逐漸變大.空白膜不能抑菌,沒有抑菌圈,3%山梨酸鉀含量的明膠液的抑菌范圍較小,12%山梨酸鉀含量的明膠液的抑菌圈最大,說明明膠膜的抗菌性能隨著山梨酸鉀含量增加而增大,但在應用于食品包裝時,應考慮劑量問題,不能添加過量.

3 結(jié)論

圖6 不同山梨酸鉀含量的明膠膜液對金黃色葡萄球菌的抑菌效果

明膠膜的性能受山梨酸鉀添加量的影響.隨著山梨酸鉀含量的增加,明膠-山梨酸鉀抗菌膜的拉伸性能和抗菌性能增強,斷裂伸長率、水蒸氣透過率和透明度降低,明膠膜的拉伸強度從不含山梨酸鉀的67.9 MPa到含12%山梨酸鉀的86.1 MPa,斷裂伸長率則從12.6%降到6.1%,水蒸氣透過率從7.5×10-9g/(m·Pa·s)降到4.9×10-9g/(m·Pa·s),不透明度下降明顯,從0.91下降到5.30.山梨酸鉀對明膠膜的影響主要是由于山梨酸鉀上的極性基團羧基和羥基與明膠中氨基和羧基的相互作用,產(chǎn)生交聯(lián),增加膜的致密性,從而使膜的強度增加,透水性降低.山梨酸鉀含量過高時,在膜中分散性較差,易自聚結(jié)晶,造成膜的透明性降低.明膠抗菌膜應用于食品包裝時需進行綜合考慮,選用合適的配方組成來滿足不同食品的需求.

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Preparation and Characterization of Antibacterial Gelatin-Potassium Sorbate Film

WANG Hui, XUE Chang-feng, HUANG Zhao-hui, CAO Hui

(College of Food Science and Engineering, Qiongzhou University, Sanya Hainan， 572022, China)

Gelatin-potassium sorbate antibacterial films with different contents of potassium sorbate were fabricated by solution-casting method. The effects of potassium sorbate content were studied on mechanical properties, water vapor transmittance, transparency, potassium sorbate release ability and antibacterial properties of the films. The results show that the performance of the composite film is influenced by MMT content, the tensile strength of the films increases with the increase of potassium sorbate content, but elongation at break decreases. Water vapor transmittance and transparency reduce gradually with the increase of the potassium sorbate content. Potassium sorbate releases quickly from the film in water at early stage, but slowly at later stage. The release rate of the film is faster with high potassium sorbate content than with low content. The antibacterial performance of gelatin film to inhibit staphylococcus aureus increases with increasing content of potassium sorbate.

gelatin; potassium sorbate; release rate; antibacterial performance

2015-09-05

國家自然科學基金項目(51363018)

王卉(1968-),女,江蘇泰州人,瓊州學院理工學院教授,博士,研究方向為天然大分子和食品保鮮.

TS206

A

1008-6722(2015) 05-0046-04

10.13307/j.issn.1008-6722．2015．05．11