丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜的制備及表征

蒲傳奮,劉 雯,姜春偉,孫聰聰,唐文婷,孫國英

(青島農(nóng)業(yè)大學，山東 青島 266109)

?

丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜的制備及表征

蒲傳奮,劉 雯,姜春偉,孫聰聰,唐文婷,孫國英

(青島農(nóng)業(yè)大學，山東 青島 266109)

采用反溶劑法構建了丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子體系，并將荷載丁香酚的玉米醇溶蛋白納米粒子制備成納米粒子膜。以膜的厚度、透光率、機械性能、白度、水蒸氣透過系數(shù)和透油系數(shù)為指標，確定最佳制備工藝條件，并對該條件下制備的產(chǎn)品的抗菌性質(zhì)進行測定。制得的丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子粒徑在255～390 nm，且具有較好分散度。最佳制膜條件為:玉米醇溶蛋白和80%乙醇固液比為1∶10(g/ml)、甘油質(zhì)量分數(shù)為20%、丁香酚質(zhì)量濃度為20 μg/ml。該條件下制備的產(chǎn)品為淡黃色，較薄，無異味，有較好的機械性能，抗菌性較好。

丁香酚;玉米醇溶蛋白;納米粒子;膜

丁香酚(eugenol)是丁香及丁香羅勒油的主要成分，是一種油狀的有香味的化合物，具有調(diào)香、麻醉、抗菌防腐、殺蟲、解熱、降溫、抗氧化、抗衰老等作用[1]。由于丁香酚物理性質(zhì)不穩(wěn)定、易在使用過程中損失掉、極難溶于水等，限制了其功效的發(fā)揮。在食品加工中直接添加，丁香酚易于暴露在空氣、光照、水品組分中而自身變性或與食品組分發(fā)生反應，難以保持長時間的穩(wěn)定，導致其活性的降低并且有效時間的縮短[2]?；钚猿煞滞ㄟ^包埋處理可減少其與外界的接觸，達到增強其溶解度和穩(wěn)定性，并延長有效期的目的。在諸多包埋體系中，納米粒子是最重要的形式之一。

玉米醇溶蛋白為玉米深加工的副產(chǎn)物，在水或無水乙醇中不溶，因其具有良好的成膜性而在食品、醫(yī)藥和化工行業(yè)被用來作為成膜材料。之前關于玉米醇溶蛋白膜的研究多集中于以玉米醇溶蛋白乙醇溶液為成膜液,直接澆鑄、噴霧或涂布而成[3]。玉米醇溶蛋白可通過自組裝形成納米粒子，并進一步通過其肽鏈的疏水鍵、氫鍵和二硫鍵形成納米粒子可食膜結構[2]。我們采用反溶劑法制備丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子，并以其為原料構建可食性膜。荷載了丁香酚的納米粒子與食品接觸需要經(jīng)過從納米粒子內(nèi)遷移到膜基質(zhì)中，再從膜基質(zhì)遷移到食品中的二次遷移。因此納米粒子可食膜相比傳統(tǒng)可食膜具有更高的活性成分利用效率以及更長時間的活性[2]。研究了荷載丁香酚的玉米醇溶蛋白膜的成膜條件、理化性能、機械性能、抗菌性能和微觀結構，以期開發(fā)新型的多功能可食蛋白膜。

1 材料和方法

1.1 實驗材料及儀器

丁香酚(分析純)、玉米醇溶蛋白(食品級)；主要試劑：無水乙醇、甘油(分析純)，去離子水,瓊脂-MH營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基,金黃色葡萄球菌ATCC29213、大腸桿菌ATCC25922(青島農(nóng)業(yè)大學食品微生物教研室保藏)等。

DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司廠；752紫外可見分光光度計，上海軒豐儀器科技有限公司；紅外壓片機，天津市科器高新技術公司；JJ市科精密增力電動攪拌器，上海雙捷實驗設備有限公司；Nicolet iS5紅外光譜儀，美國 Nicolet 儀器公司；螺旋測微儀(0～25 mm)，泊頭市創(chuàng)新工量具有限公司；TA.XT plus物性測試儀，英國SMS公司；Sartorius電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；82-5恒溫磁力攪拌器，北京華人創(chuàng)新科技有限公司；ZE-6000色度儀，上海實立有限公司；JIB-4610F掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社(JEOL)。

1.2 實驗設計

1.2.1 丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子的制備及粒徑的測定

采用反溶劑法制備玉米醇溶蛋白粒子(水為反溶劑)，將一定量的丁香酚和玉米醇溶蛋白溶于體積分數(shù)為80%的乙醇-水溶液中，建立丁香酚與玉米醇溶蛋白的不同比例實驗組。將此混合液經(jīng)4 000 r/min離心10 min，除去少量不溶物。

采用動態(tài)光散射測定納米粒子在溶液狀態(tài)下的平均粒徑和多分散指數(shù)。取凍干樣品，配制成質(zhì)量濃度0.5 mg/ml的溶液待測。采用V4.20 dispersion technology 軟件(DTS)分析結果。

1.2.2 丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜的制備

探索最佳制膜條件。將最佳條件下制備的納米粒子懸浮液混合一定量的甘油制成成膜液。將成膜液倒入 18 cm×21 cm的玻璃槽中形成丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜。將丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜樣品于(40±1)℃、相對濕度為 (50±1)%的恒溫恒濕箱中平衡24 h，用于性能檢測。

1.2.2.1 不同固液比對膜性能的影響

取4個燒杯，分別按照玉米醇溶蛋白與體積分數(shù)為80%乙醇溶液1∶5、1∶10、1∶15、1∶20的比例放入玉米醇溶蛋白與乙醇溶液，加入20%的甘油(以玉米醇溶蛋白計)和20 μg/ml丁香酚充分混合，將混合液加熱至60℃恒溫攪拌20 min，將成膜液傾倒在玻璃槽中，在40℃烘干箱中烘干成膜。揭膜后在密封箱中回軟24 h，用于性能檢測[3]。

1.2.2.2 不同丁香酚添加量對膜性能的影響

按照玉米醇溶蛋白與體積分數(shù)為80%乙醇溶液1∶10的比例放入玉米醇溶蛋白與乙醇溶液，加入20%的甘油(以玉米醇溶蛋白計)，分別加入0、10、20、30 μg/ml丁香酚充分混合，將成膜液傾倒在玻璃槽上，在40℃烘干箱中烘干成膜。揭膜后在密封箱中回軟24 h，用于性能檢測。

1.2.2.3 增塑劑甘油添加量對成膜的影響

按照玉米醇溶蛋白與體積分數(shù)為80%乙醇溶液1∶10的比例放入玉米醇溶蛋白與乙醇溶液，丁香酚添加量為30 μg/ml，分別加入質(zhì)量分數(shù)0%、10%、20%、30%甘油作為增塑劑制備抗菌膜。以此研究甘油添加量對成膜的影響。

1.3 試驗方法

1.3.1 納米粒子膜厚的測定

按照國標《塑料薄膜和薄片厚度測定-機械測量法》(GB/T 6672-2001)，測定抗菌膜的厚度。用螺旋測微器測量復合膜上5個點(隨機情況下)，而后取平均值，mm。

1.3.2 納米粒子膜機械性能的測定

將膜截成長為100 mm，寬為10 mm的待測膜樣品，在膜上隨機選取5個點，用螺旋測微儀測量并記錄下來然后取平均值，精確到小數(shù)點后三位，作為該樣品的厚度值，測定前先將膜在平衡器中平衡24 h，之后用物性測試儀進行測量，系統(tǒng)初始夾距設為2 cm，探頭的移動速度設為100 mm/min，根據(jù)電腦儀器顯示讀取并記錄下膜斷裂時的數(shù)據(jù)[5]。

拉伸強度以TS(MPa)表示，計算公式如下：

式中，P為最大負荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm。

斷裂伸長率以E(%)表示，計算公式如下：

式中，L0為試樣原始標線間距離，mm；L為試樣斷裂時距離標線間距離，mm。

1.3.3 納米粒子膜白度測量

利用色度計分析膜表面的顏色，將樣品放置在標準板進行校正，對樣品 (L*、a*、b*)進行測量[2]。標準板的L*、a*、b*值分別是L*=96.68，a*=0.14和b*=1.94。每個樣品，取5個不同的位置進行測量后取平均值。

1.3.4 納米粒子膜透氧性能的測定

參考《塑料薄膜和薄膜氣體透過性實驗方法 壓差法》(GB/T 1038-2000)[11]中塑料薄膜透氣性實驗方法，根據(jù)“濃度增加法”測定原理測定。

1.3.5 納米粒子膜水溶性測定

取納米粒子膜裁剪成1 cm×1 cm大小，置于50 ml燒杯中，105℃干燥至恒重后加入20 ml蒸餾水，于25℃水浴中磁力攪拌溶解24 h后將水倒掉，剩余的膜和燒杯一同干燥至恒重后稱重。

按下式計算膜的水溶性:

式中，S為水溶性系數(shù)，%；m0為初始膜和燒杯的質(zhì)量，g；m為溶解24 h并平衡干燥后膜和燒杯的質(zhì)量，g。

1.3.6 納米粒子膜水蒸氣透過系數(shù)測定

膜的水蒸氣透過系數(shù)根據(jù)GB 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法 杯式法》[6]進行測定，以Pv表示。

1.3.7 納米粒子膜阻油性測定

量取5 ml花生油加至試管中，以納米粒子膜封口后，倒置于濾紙上，在干燥器中放置3 d，測定該時間內(nèi)濾紙質(zhì)量的變化，按下式計算透油系數(shù)：

Po=(△W×d)/S×t,

式中,Po為透油系數(shù)，g/(mm·d)；△W為濾紙質(zhì)量變化；d為膜厚度，mm；S為膜面積，mm2；t為3 d[5]。

1.3.8 納米粒子膜紅外光譜(FT-IR)

對干燥的待測樣品，先用KBr壓片法壓片制備紅外光譜測試樣品，然后用傅立葉紅外光譜儀對樣品進行紅外剖析，其檢測范圍為4 000～500 cm-1。

1.3.9 丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜的抑菌性能測定

平板抑菌圈實驗：荷載丁香酚的玉米醇溶蛋白納米粒子膜通過兩種微生物檢測其抗菌性：大腸桿菌和金色葡萄球菌。剪取直徑為15 mm的膜樣品放置在超凈臺內(nèi)紫外照射殺菌30 min。平板中加入瓊脂-MH營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基，涂布105～106CFU的目標微生物。將膜樣品放置在培養(yǎng)基表面。滅菌濾紙片在37℃下培養(yǎng)24 h后測量抑菌圈直徑[9]。

1.3.10 掃描電鏡

將經(jīng)過預處理的樣品剪成6 mm×6 mm大小，用導電膠將樣品固定在樣品臺上，進行噴金鍍膜。噴金后在電子束下進行表面掃描。

2 結果與討論

2.1 丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子的粒徑

粒徑分布在100至1 000 nm之間,平均粒徑為246.67 nm,多分散指數(shù)為0.223，由圖1可見丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子粒徑較小，且分布均勻。

圖1 丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子粒徑圖

2.2 不同玉米醇溶蛋白和乙醇固液比對膜性能的影響

不同固液比對膜性能的影響見表1。Px為透氧系數(shù)，1015cm3·cm/( cm2·s·Pa);Pv為水蒸氣透過系數(shù)，g·mm/(m2·d·kPa);Po為透油系數(shù)，g/(mm·d)。

表1 不同固液比對膜性能的影響

注：L*，白色；a*，紅色；b*，黃色；1∶5,1∶10,1∶15,1∶20分別表示玉米醇溶蛋白與體積分數(shù)為80%乙醇溶液的比例；同列字母不同，表示差異顯著(P<0.05)。

表1表示的是不同固液比對復合膜的厚度，拉伸強度，斷裂伸長率及色度的影響。由表1可知固液比為1∶10時蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度較大，其分子間更易發(fā)生二硫鍵與疏基交換反應，而形成穩(wěn)定結構。當固液比為1∶20時，蛋白質(zhì)溶液質(zhì)量濃度低，溶液中蛋白質(zhì)分子鏈較分散，單位體積中巰基數(shù)目少，不利于蛋白質(zhì)分子間的相互作用，導致形成的蛋白膜抗拉強度小。且可以看出隨著玉米醇溶蛋白含量的減少，復合膜的厚度先增加后減少，當固液比為1∶10時，膜厚度最大。當固液比為1∶10時，膜的機械性能最佳，拉伸強度為57.11 MPa,斷裂伸長率為41.19%。水蒸氣透過系數(shù)和阻油系數(shù)隨著固液比的減小分別呈增大和減小的趨勢。膜的阻隔性質(zhì)與其組織結構密切相關。蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度大時，玉米醇溶蛋白的分子交聯(lián)程度大，分子間隙小，有效阻止了水蒸氣的透過。玉米醇溶蛋白中非極性氨基酸含量較高，當乙醇用量較大時，成膜過程中過快的溶劑蒸發(fā)速度導致蛋白質(zhì)分子的疏水性基團不能完全伸展，從而減少了膜與油相的接觸位點，從而導致透油系數(shù)降低。

2.3 增塑劑甘油添加量對成膜的影響

増塑劑甘油添加量對膜性能的影響見表2。

表2 増塑劑甘油添加量對膜性能的影響

注：L*，白色；a*，紅色；b*，黃色。同列字母不同，表示差異顯著(P<0.05)。

表2表示的是不同甘油質(zhì)量分數(shù)下膜的厚度、拉伸強度、斷裂伸長率及色度。隨著甘油質(zhì)量分數(shù)從10%增加到20%，復合膜的拉伸強度減小，斷裂伸長率升高。但當甘油質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加至25%時，復合膜的拉伸強度又增大，斷裂伸長率降低。在成膜過程中甘油作為一種增塑劑，結合玉米醇溶蛋白分子上的親水基團，使玉米醇溶蛋白分子圍繞甘油成為具有均一結構的復合薄膜。隨著甘油添加量的增加，玉米醇溶蛋白分子之間的結合力逐漸減弱，蛋白質(zhì)分子之間的化學鍵和力逐漸被蛋白質(zhì)分子與甘油分子間的化學鍵和力所代替，使得分子之間的空隙變大，造成拉伸強度降低，伸長率增加。但當甘油質(zhì)量分數(shù)超過20%時，甘油由于過飽和而析出，造成了拉伸強度的增加。甘油含量增加，斷裂伸長率增加，這是因為甘油作為小分子量的親水性物質(zhì)，一方面與蛋白質(zhì)中的親水基團結合，另一方面與水分子結合，起到了結合蛋白質(zhì)分子和水分子的增塑作用，因此降低了復合薄膜的脆度，增加了其柔韌性。綜合拉伸強度與斷裂伸長率的結果，得出20%為最適添加量，這時，膜的拉伸強度為26.13 MPa,斷裂伸長率為40.1%。由表2還可以看出，甘油對膜的厚度也有一定的影響。隨著甘油含量的增加，膜的L*值逐漸減小，即膜的透明度逐漸減小，當甘油質(zhì)量分數(shù)為20%時，透明度最小，L*為76.74。膜的透氧系數(shù)和水蒸汽透過率隨甘油含量的增加而增大。這是因為甘油分子具有親水性，同時甘油的引入也影響玉米醇溶蛋白聚合物分子鏈的移動性，從而增加氧和水蒸氣的透過性。膜的透油系數(shù)則隨甘油含量的增加而減小，是因為甘油與蛋白質(zhì)及水分子之間形成氫鍵，增加了膜的阻油性能。膜的阻隔性質(zhì)防止被包裝的物品內(nèi)部脂質(zhì)過氧化反應的發(fā)生，減少霉變。綜合上述各指標，20%甘油為最適添加量。

2.4 不同丁香酚添加量對膜性能的影響

不同丁香酚添加量對膜性能的影響見表3。

表3 不同丁香酚添加量對膜性能的影響

注：L*，白色；a*，紅色；b*，黃色。同列字母不同，表示差異顯著(P<0.05)。

由表3可知，丁香酚的添加量對膜厚度有一定的影響，隨著丁香酚含量的增加，膜的拉伸強度及斷裂伸長率都逐漸減小，尤其斷裂伸長率變化較為明顯，當丁香酚添加量達到30 μg/ml時，納米粒子發(fā)生一定程度的聚集，影響了膜的均一性，因此膜的機械性能顯著降低。膜的透氧系數(shù)、水蒸氣透過系數(shù)和透油系數(shù)也隨丁香酚添加量的增加而增加，這是因為油相的引入減少了氫鍵作用，從而破壞了蛋白膜的網(wǎng)絡結構，并增加了膜結構的疏散度，因此其阻隔性質(zhì)下降。

經(jīng)過上述研究實驗后，最終選定玉米醇溶蛋白和甘油固液比為1∶10；甘油質(zhì)量分數(shù)為20%；丁香酚添加量為20 μg/ml為最佳制膜條件。并以此條件制膜對其進行性能研究。

2.5 丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜水溶性(WVP)的測定

經(jīng)試驗測定，膜的水溶性在(27.73±1.08)%左右。蛋白膜的阻隔性能可用于控制食品與環(huán)境之間的水分、氧氣、二氧化碳的交換和風味組分等的遷移,防止食品的品質(zhì)劣變,延長食品的貨架期。

2.6 丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜紅外光譜圖

丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜紅外光譜圖見圖2。

圖2 丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜紅外光譜圖 a.丁香酚添加量20 μg/ml;b.未添加

2.7 丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜電鏡掃描

通過掃描電鏡對復合膜進行表面微觀形貌觀察，見圖3。

圖3 通過掃描電鏡對復合膜進行表面微觀形貌觀察

由圖3可見，復合膜顆粒單層均勻分散，彼此不粘連，微觀組織結構較為緊密，無間隙，表明丁香酚和玉米醇溶蛋白在膜中具有良好的相容性[9]。

2.7 丁香酚/玉米醇溶蛋白納米粒子膜抑菌性能

平板抑菌圈性能測定結果見圖4。

圖4 平板抑菌圈性能測定結果

由圖4可見，玉米醇溶蛋白納米粒子膜本身具有一定的抑菌能力，添加了丁香酚后，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈直徑均增大，且對大腸桿菌的抑制效果高于對金黃色葡萄球菌的抑制效果。丁香酚/玉米醇溶蛋白復合膜抑菌效果顯著，可應用于食品等包裝行業(yè)[10]。

3 結論

玉米醇溶蛋白納米粒子的平均粒徑為246.67 nm,具有良好的分散度。丁香酚與玉米醇溶蛋白復合膜的制備技術參數(shù)為：玉米醇溶蛋白和乙醇固液比1∶10，甘油質(zhì)量分數(shù)20%，丁香酚添加量20 μg/ml。此條件下制備的產(chǎn)品為淡黃色，較薄，無異味，有較好的機械性能，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較好的抗菌性能。獲得的復合膜結構均勻致密?？蓱糜谑称坊钚园b。

[1] LIU Y.Formulatingnanoparticlesby flash nanoprecipitation for drug deliverysustained release [D].Princeton：Princeton University,2007.

[2] 黎亢抗.玉米醇溶蛋白納米粒子膜的制備及其抗菌膜材料的研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

[3] 周秋娟.木薯淀粉-殼聚糖成膜特性的研究[D].無錫：江南大學,2007.

[4] 徐麗萍,張根生,劉雪雁,等.玉米醇溶蛋白復合膜的研究[J].中國糧油學報,1999(2):32-34.

[5] 楊海燕.利用甜菜粕制備復合包裝膜的研究[D].重慶：西南大學,2009.

[6] 中國國家標準化管理委員會.GB 1037-1988,塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法 杯式法[S].北京:中國標準出版社,1988.

[7] 趙 華,張英華.玉米醇溶蛋白制備與應用研究進展[J].糧食與飼料工業(yè),2006(12):16-17.

[8] 馬立娜,李桂娟,李娜娜,等.復合增塑劑對玉米醇溶蛋白膜性能的影響[J].食品與機械,2012,28(3):171-173.

[9] 徐喜樓,徐惠瑛,盛炳成,等.蘋果屬花粉掃描電鏡觀察[J].南京農(nóng)業(yè)大學學報,1985(2):23-25.

[10] 李鵬霞,邵世達,馮俊濤,等.丁香精油和丁香酚對蘋果貯藏期病害及果實品質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2006,22(6):173-177.

(責任編輯：梅 竹)

Preparation and characterization of eugenol-zein nanoparticles film

PU Chuan-fen,LIU Wen,JIANG Chun-wei,SUN Cong-cong,TANG Wen-ting,SUN Guo-ying

(Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China)

The eugenol-zein nanoparticles films was prepared using antisolvent method.The optimum preparation conditions were determined by the thickness of the film,transmittance,mechanical properties,whiteness,water vapor permeability coefficient and permeability coefficient,and the antibacterial properties of the products prepared under the conditions were also measured.The optimum preparation conditions were as:the ratio of solid to liquid was 1∶10 (g/ml),the content of glycerol was 20% and the content of eugenol was 20 μg/ml.Under the conditions,the diameters of the particles were 255-390 nm,and the film was a little yellow color with no peculiar smell and had good mechanical and antibacterial properties.

eugenol；zein；nanoparticle;film

2016-10-06；

2016-11-17

青島農(nóng)業(yè)大學應用型人才培養(yǎng)特色名校建設工程2015年大學生科技創(chuàng)新項目；青島農(nóng)業(yè)大學應用型人才培養(yǎng)特色名校建設工程教學研究項目(XJG2013159)；青島農(nóng)業(yè)大學高層次人才科研基金(6631115030)；山東省高等學?？萍加媱濏椖?J16LE22)；山東省博士基金(BS2015SW019)。

蒲傳奮(1980-)，男，碩士，講師，研究方向為糧油深加工及工程化。

唐文婷(1981-)，女，博士，講師，研究方向為糧食、油脂及植物蛋白工程。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.01.009

TS201.2+1;TS206.4

A

1003-6202(2017)01-0035-06