精油包裝的抗菌機(jī)理和物理性能的變化分析

□ 范珺 濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司

精油包裝的抗菌機(jī)理和物理性能的變化分析

□ 范珺 濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司

精油的抗菌效果具有廣譜性，因此將精油添加至包裝系統(tǒng)中是現(xiàn)代抗菌包裝的重要發(fā)展形式。但從包裝的物理性能角度來(lái)看，加入精油的包裝薄膜其水蒸氣阻隔性在一定程度上得到提升，但膜的機(jī)械性能變化卻存在不穩(wěn)定性，制約著精油包裝的應(yīng)用。

肉類(lèi)、乳制品、糕點(diǎn)、水產(chǎn)、果蔬等常見(jiàn)食品中含有非常豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，如蛋白質(zhì)、脂肪等，這些也是微生物生存的最佳養(yǎng)分。在適宜的溫濕度條件下，微生物將大量繁殖，造成食品的加速腐敗，不僅會(huì)改變食品的風(fēng)味、質(zhì)地，還會(huì)對(duì)食用者的健康造成威脅，因此，抗菌包裝的出現(xiàn)順應(yīng)了食品工業(yè)發(fā)展的時(shí)代需求。

精油抗菌包裝

抗菌包裝是在原有包裝體系中加入抗菌劑，通過(guò)延長(zhǎng)微生物增長(zhǎng)的遲緩期，減緩微生物生長(zhǎng)速度或減少微生物成活數(shù)量，或者抑制腐敗菌的繁殖來(lái)保障食品的品質(zhì)和貨架期。其中，抗菌劑有無(wú)機(jī)抗菌劑（如光催化型抗菌劑）、有機(jī)抗菌劑（如酚類(lèi)）以及天然抗菌劑之分。隨著人們對(duì)食品綠色、安全、環(huán)保等方面要求的提升，以植物提取物為代表的天然抗菌劑受到越來(lái)越多的重視與研究，其中植物精油的研究與應(yīng)用最為廣泛。

在眾多植物精油種類(lèi)中，丁香精油、迷迭香精油、葡萄籽精油、大蒜油、孜然籽油、草果油、肉桂油、廣藿香油等皆具有不同程度的抑菌效果，其抑菌原理通常被認(rèn)為是疏水性精油組分直接作用于微生物的疏水性細(xì)胞膜，使細(xì)胞膜的流動(dòng)性增加，膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)滲漏和微生物的酶系統(tǒng)損傷。多項(xiàng)研究表明，丁香精油對(duì)革蘭氏陰性菌，如大腸桿菌、沙門(mén)氏菌、宋內(nèi)氏志賀氏菌以及革蘭氏陽(yáng)性菌，如枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、李斯特菌、蠟樣芽孢桿菌的抑菌圈直徑均在20mm以上，可見(jiàn)，丁香精油對(duì)多種微生物具有較強(qiáng)的抑制作用。除此之外，葡萄籽油—一種由葡萄籽提煉分離制成的天然植物精油制品，具有強(qiáng)有力的抗氧化作用，并對(duì)枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、綠膿桿菌有抑制效果；迷迭香精油對(duì)枯草芽孢桿菌、金黃葡萄球菌、沙門(mén)氏菌也表現(xiàn)出有效的抑制生長(zhǎng)作用。

精油抗菌包裝體系與作用機(jī)理，以及物理性能的變化

植物精油可應(yīng)用于抗菌包裝體系，由于具有易揮發(fā)的性質(zhì)，通常將其添加到膜液中并通過(guò)流延或共擠制成抗菌薄膜，如此既可以避免高溫對(duì)精油的影響，亦可降低精油與食品自身發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致活性降低的可能。成膜材料的選用目前多集中在EVOH、PVA、LDPE等高分子聚合物材料，未來(lái)，可降解、環(huán)保性的天然聚合物材料也將成為一大主力。在精油抗菌包裝體系中，精油分子存在于包材膜中，而薄膜是具有無(wú)數(shù)微孔的材料，精油分子中具有抑菌作用的活性物質(zhì)進(jìn)入薄膜材料后，通過(guò)微孔逐漸擴(kuò)散至膜材表面，進(jìn)而與食品接觸并發(fā)揮作用。

物理性能是包裝材料的基本性能，包括阻隔性、力學(xué)性能、厚度等，是保障包裝系統(tǒng)正常發(fā)揮保藏、保質(zhì)、抗菌等效果的前提。

阻隔性，即包裝材料阻隔氣體、水蒸氣的能力。魚(yú)、肉等新鮮肉制品非常容易受到微生物的侵入，并可快速繁殖，分解蛋白質(zhì)、氨基酸等含氮物質(zhì)，使食物發(fā)生腐敗，生成有毒物質(zhì)。此外，新鮮魚(yú)類(lèi)、肉制品受到氧氣、光、熱的影響也會(huì)發(fā)生酸敗反應(yīng)，分解出醛、酸、酮類(lèi)化合物，進(jìn)而導(dǎo)致魚(yú)、肉品質(zhì)的變化，因此氧氣也是是魚(yú)、肉變質(zhì)的重要誘因。對(duì)于焙烤類(lèi)食品或干制果蔬，水蒸氣透過(guò)包裝大量滲入容易造成內(nèi)容物的潮解和霉變，也會(huì)造成食品的品質(zhì)劣變。

力學(xué)性能是指包裝材料在不同溫濕度條件下，承受各種外加載荷時(shí)所表現(xiàn)的力學(xué)特征，包括拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、剝離力、撕裂性能等。包裝材料力學(xué)性能的差異反映在實(shí)際應(yīng)用中，表現(xiàn)為包材的柔韌性、抗硬物刺穿能力以及復(fù)合膜的層間牢度等，因而是決定包裝材料合理應(yīng)用的主導(dǎo)因素。

當(dāng)精油應(yīng)用于抗菌包裝系統(tǒng)時(shí)，除了關(guān)注其抗菌效果外，首要面對(duì)的是精油與包裝膜材料的相容性問(wèn)題，即精油的添加是否會(huì)影響包裝膜材料的正常物理性能。為了更直觀了解精油的加入對(duì)包裝膜材料物理性能的影響，筆者在同一試驗(yàn)條件下做了兩組水蒸氣透過(guò)率和拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。第一組測(cè)試對(duì)象為同厚度添加丁香精油和未添加精油的LDPE薄膜，第二組測(cè)試對(duì)象為同厚度添加薰衣草精油和未添加精油的殼聚糖薄膜。

測(cè)試項(xiàng)目及方法

水蒸氣透過(guò)率，利用濟(jì)南蘭光紅外法水蒸氣透過(guò)率測(cè)試系統(tǒng)，參照GB/T 26253-2010進(jìn)行測(cè)試，將無(wú)褶皺、折痕、針孔、厚度均勻的試樣放置于測(cè)試腔內(nèi)，將其隔為兩腔，一側(cè)為低濕腔，另一側(cè)置有一定蒸餾水，為高濕腔。由于存在一定的濕度差，水蒸氣從高濕腔通過(guò)試樣滲透到低濕腔，由載氣傳送到紅外傳感器產(chǎn)生一定量的電信號(hào)，當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過(guò)輸出的電信號(hào)計(jì)算試樣的水蒸氣透過(guò)率。

拉伸強(qiáng)度，利用XLW（EC）智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，參照GB/T 1040-2006進(jìn)行測(cè)試。將試樣裁剪為15mm×150mm長(zhǎng)條狀?yuàn)A于儀器上下夾頭上，設(shè)定測(cè)試速度為50mm/min，夾距為50mm。系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試試樣的拉伸強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表1。

由表1可知，試樣1丁香精油含量為0，即未添加精油的LDPE薄膜，可視為對(duì)照試樣。隨著丁香精油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增大，LDPE薄膜的拉伸強(qiáng)度發(fā)生小幅度上升，但水蒸氣透過(guò)率卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象可能是因?yàn)槎∠憔椭械幕钚晕镔|(zhì)加強(qiáng)了薄膜分子間的作用力，使其拉伸強(qiáng)度有所提升。同時(shí)，分子鏈間接合更加緊密，在一定程度上增加了水分子通過(guò)的難度。

由表2可知，試樣1薰衣草精油含量為0，即未添加精油的殼聚糖薄膜，可視為對(duì)照試樣。隨著薰衣草精油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，薄膜的水蒸氣透過(guò)率仍呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，意味著薄膜對(duì)水蒸氣的阻隔性能有所提升。但是，與第一組丁香精油薄膜試驗(yàn)結(jié)果不同的是，殼聚糖薄膜的拉伸強(qiáng)度也出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果分析，這可能是精油加入后膜中的一部分氫鍵消失，膜的拉伸強(qiáng)度遭到弱化造成的。

總結(jié)

精油的抗菌效果已經(jīng)過(guò)大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，因此將精油添加至包裝系統(tǒng)中是現(xiàn)代抗菌包裝的重要發(fā)展形式。但從包裝的物理性能角度來(lái)看，加入精油的包裝薄膜，其水蒸氣阻隔性在一定程度上可得到提升，但膜的機(jī)械性能變化卻存在不穩(wěn)定性，這些因素制約著精油包裝的應(yīng)用，應(yīng)成為未來(lái)精油包裝研究的重點(diǎn)之一。

表1 LDPE薄膜水蒸氣透過(guò)率和拉伸強(qiáng)度

表2 殼聚糖薄膜水蒸氣透過(guò)率和拉伸強(qiáng)度