聚乙烯醇活性薄膜中紫薯花青素和納米二氧化鈦的釋放動(dòng)力學(xué)分析

唐智鵬謝 晶陳晨偉

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心， 上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306; 4. 食品科學(xué)與工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心﹝上海海洋大學(xué)﹞，上海 201306)

隨著食品商業(yè)化的發(fā)展，傳統(tǒng)的食品包裝方法并不總能提供所需的保質(zhì)期，特別是易腐爛和最低限度加工的食品[1]。目前，具有抗菌或抗氧化特性的釋放型活性包裝薄膜材料作為一種可以改善新鮮食品的穩(wěn)定性,并延長食品保質(zhì)期的包裝技術(shù)已經(jīng)受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[2]。

聚乙烯醇(poly-vinyl alcohol, PVA)是一種合成的水溶性聚合物，具有優(yōu)異的成膜性、乳化性和黏合性，并且還具有良好的拉伸強(qiáng)度和生物降解性，因此已被廣泛用于包裝材料、生物醫(yī)學(xué)、家庭和建筑等領(lǐng)域[3-5]。美國農(nóng)業(yè)部[6]還批準(zhǔn)PVA用于包裝肉類和家禽產(chǎn)品。國內(nèi)外研究者[7-9]通過以PVA為基材，并結(jié)合不同類型的活性物質(zhì)，如殼聚糖、納米蒙脫土和天然提取物等，制備具有高物理性能、抗菌和抗氧化性能的活性包裝薄膜。然而，食品是一個(gè)多成分的復(fù)雜體系，國內(nèi)外研究者們[7-9]對于活性物質(zhì)從PVA薄膜中向不同食品體系的釋放情況并未涉及全面，且對于活性物質(zhì)的釋放規(guī)律并未使用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合表征。

納米二氧化鈦(nanometer Titanium Dioxide, nano-TiO2)由于具有高穩(wěn)定性、無毒無害性、抑菌性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于化妝品、建筑、醫(yī)藥和食品包裝材料等領(lǐng)域[10-11]。紫薯花青素(purple potato anthocyanins, ANT)是從紫薯的塊根和莖中提取的一種類黃酮化合物，具有優(yōu)秀的抗氧化活性、抗炎活性、降血壓及抑制肥胖等生理功能[12]，且紫薯花青素的主要成分之一為矢車菊素，其對環(huán)境變化的感應(yīng)較少，性質(zhì)更加穩(wěn)定，其成苷化和?；芸梢姽庾V的影響不大[13-14]，故本研究以矢車菊素為參考依據(jù)，通過紫外分光光度法判定薄膜中紫薯花青素的釋放情況。

本研究基于PVA材料，并結(jié)合納米TiO2和紫薯花青素，通過溶液流延法制備活性包裝薄膜，以紫薯花青素主要成分之一的矢車菊素衡量薄膜中紫薯花青素的釋放情況，通過釋放試驗(yàn)研究了PVA薄膜中納米TiO2和矢車菊素向水性食品模擬液、酸性食品模擬液、親脂性食品模擬液和油性食品模擬液中隨時(shí)間變化的釋放情況，并通過Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型揭示其釋放動(dòng)力學(xué)規(guī)律，此項(xiàng)結(jié)合數(shù)學(xué)模型的活性物質(zhì)釋放研究還未有相關(guān)報(bào)道。本試驗(yàn)通過結(jié)合釋放動(dòng)力學(xué)模型研究上述2種活性物質(zhì)在4種食品模擬液中的釋放規(guī)律，旨在為今后研發(fā)釋放型活性包裝薄膜過程中掌握其活性物質(zhì)的釋放規(guī)律提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料和試劑

PVA：聚乙烯醇樹脂，型號(hào)100-27(1799)，醇解度為99%，上海精析化工科技有限公司；

納米TiO2：平均粒度為(30±5) nm，銳鈦型納米顆粒，上海邁特化工有限公司；

紫薯花青素(ANT)：純度為30%，西安全奧生物科技有限公司；

甘油、鹽酸、檸檬酸、亞硫酸鈉、硫酸銨、無水乙醇、乙酸、二安替比林甲烷：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

分析天平：BSA224S型，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：HWS28型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

真空干燥箱：DZF-600A型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

紫外可見分光光度計(jì)：UV-2100型，尤尼柯(上海)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 包裝薄膜的制備

(1) PVA膠液、PVA-納米TiO2共混膠液和ANT溶液的制備：參考Chen等[15]的方法，并稍作修改。于燒杯中放入22 g PVA樹脂顆粒和200 mL蒸餾水，并置于95 ℃ 恒溫水浴鍋中加熱，持續(xù)攪拌溶液直至PVA樹脂顆粒完全溶脹，加入1 mL甘油作為增塑劑并持續(xù)攪拌30 min，最終得到PVA膠液。于PVA膠液中加入納米TiO2(相對于PVA干質(zhì)量的1%)，持續(xù)攪拌溶液2 h直至納米TiO2均勻分散于溶液中，最終制備得到PVA-納米TiO2共混膠液。于100 mL錐形瓶中加入紫薯花青素(相對于PVA干質(zhì)量的3%)和50 mL 鹽酸(pH=3)，于室溫下磁力攪拌2 h，最終制備得到ANT溶液，使用鋁箔紙包裹錐形瓶并置于陰涼處保存。

(2) 純PVA薄膜和ANT-PVA-TiO2活性薄膜的制備：將恒溫加熱器上的玻璃板溫度調(diào)至60 ℃，并將制備的PVA膠液倒在玻璃板上。使用間隙高度相同的拉桿均勻涂覆膠液，于室溫下烘干50 min(經(jīng)預(yù)試驗(yàn)得出該時(shí)間)后揭膜，所制備得到的純PVA薄膜放入高阻隔鋁箔袋中備用。將制備的PVA-納米TiO2共混膠液和ANT溶液倒入燒杯中混合，于40 ℃下使用磁力攪拌器攪拌20 min，然后將制備的ANT-PVA-TiO2共混膠液放置于真空干燥箱中1 d以除去共混溶液中的殘余氣泡。將恒溫加熱器上的玻璃板溫度調(diào)至60 ℃，并將制備的ANT-PVA-TiO2共混膠液倒在玻璃板上。使用間隙高度相同的拉桿均勻涂覆膠液，于室溫下烘干40 min(經(jīng)預(yù)試驗(yàn)得出該時(shí)間)后揭膜，將所制備的PVA活性包裝薄膜放置于高阻隔鋁箔袋中備用，標(biāo)記為ANT-PVA-TiO2。

1.3.2 釋放試驗(yàn)

(1) 薄膜中矢車菊素含量的測定：將厚度均勻的薄膜裁剪成3 cm×3 cm大小，取一片置于250 mL錐形瓶中，加入100 mL 0.1 mol/L檸檬酸水溶液，在40 ℃條件下超聲處理30 min，取5 mL待測液于10 mL容量瓶，并用0.1 mol/L 檸檬酸水溶液定容至刻度線。對照空白組同樣取5 mL待測液于10 mL容量瓶，定容前加入1 mL 10% 亞硫酸鈉溶液。使用錫箔紙包裹，并置于陰涼處靜置10 min。使用UV2100型紫外—可見分光光度計(jì)在最大吸收波長518 nm下測定待測樣品的吸光度，基于毛建霏等[16]的研究，參考所得矢車菊素標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性方程y=0.055 97x(R2=0.999 75；y為吸光度；x為矢車菊濃度，μg/mL)，最后將測得含量經(jīng)計(jì)算得到薄膜中矢車菊素的總含量。

(2) 薄膜中矢車菊素在食品模擬液中釋放量測定：分別以10%乙醇作為含水食品模擬液、3%乙酸作為酸性食品模擬液(pH≤4.5)、50%乙醇作為親脂性食品模擬液和橄欖油作為油性食品模擬液[17]。取6片厚度均勻的3 cm×3 cm薄膜浸泡入100 mL食品模擬液中，密封，使用鋁箔紙包裹后放于4 ℃環(huán)境條件下靜置一段時(shí)間后(同時(shí)準(zhǔn)備19組，0～0.5 h，每隔10 min取一組；0.5～3.0 h，每隔30 min取一組；3～8 h，每隔1 h取一組；往后每隔24 h取一組，連續(xù)取5 d)，將薄膜取出并瀝干，按上述測定薄膜中矢車菊素含量的方法，測定浸泡后薄膜中所剩矢車菊素的總含量，經(jīng)計(jì)算得出每個(gè)時(shí)刻矢車菊素在模擬液中的釋放量。每種食品模擬液做3個(gè)平行，取平均值。

(3) 薄膜中納米TiO2向食品模擬液釋放量的測定：基于上述測定薄膜中矢車菊素向食品模擬液中釋放量的試驗(yàn)，依次從19組浸泡有薄膜的食品模擬液中以相同間隔時(shí)間(0～0.5 h，每隔10 min取樣；0.5～3.0 h，每隔30 min 取樣；3～8 h，每隔1 h取樣；往后每隔24 h取樣，連續(xù)取5 d)抽取5 mL待測液。參考GB 5009.246—2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中二氧化鈦的測定》的二安替比林甲烷比色法，制備鈦標(biāo)準(zhǔn)工作液，于紫外分光光度計(jì)420 nm 波長處測量其吸光度以得出鈦標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)合鈦標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)二安替比林甲烷比色法測定5 mL待測液中的二氧化鈦含量。最后通過計(jì)算得出每個(gè)時(shí)刻納米TiO2在模擬液中的釋放量。每種食品模擬液做3個(gè)平行，取平均值。

1.3.3 釋放動(dòng)力學(xué)模型 參考國內(nèi)外學(xué)者[18-19]關(guān)于菲克定律—釋放動(dòng)力學(xué)模型的研究，并基于陳晨偉等[17]和Wang等[20]所建立的釋放動(dòng)力學(xué)模型，采用Fickian結(jié)合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型模擬材料中活性物質(zhì)接觸食品后的釋放行為。相對于僅用于描述由濃度梯度而引起布朗運(yùn)動(dòng)的Fickian模型，F(xiàn)ickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠在此基礎(chǔ)上描述薄膜由于局部系統(tǒng)的距離松弛而引發(fā)的結(jié)構(gòu)松弛現(xiàn)象[21]。由于本試驗(yàn)采用食品模擬液浸泡活性包裝薄膜，薄膜存在結(jié)構(gòu)松弛溶脹現(xiàn)象，故采用Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型描述，方程：

M(t)=MF(t)+MR(t)，

(1)

(2)

式中：

M(t)——在t時(shí)刻，活性物質(zhì)從薄膜中釋放到食品模擬液中的量，μg；

MF(t)——在t時(shí)刻，活性物質(zhì)因濃度梯度的影響而從薄膜中釋放到食品模擬液中的量，μg；

MR(t)——在t時(shí)刻，活性物質(zhì)因薄膜結(jié)構(gòu)松弛溶脹的影響而從薄膜中釋放到食品模擬液中的量，μg；

Mp,0——薄膜中活性物質(zhì)的總量，μg；

MF,∞——薄膜在食品模擬液中達(dá)到釋放平衡后，食品模擬液中活性物質(zhì)的量，μg；

XF——活性物質(zhì)的釋放機(jī)制偏離Fickian定律的衡量參數(shù)；

qn——方程tanqn+αqn=0的非零正根；

α——薄膜在食品模擬液中達(dá)到釋放平衡后，食品模擬液中活性物質(zhì)的量與薄膜中活性物質(zhì)的剩余量的比值；

D——薄膜中活性物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；

L——薄膜厚度，mm；

τ——薄膜彈性形變消失的時(shí)間，s。

當(dāng)XF=1時(shí)，方程(2)為Fickian動(dòng)力學(xué)模型，表明當(dāng)XF接近1時(shí)，活性物質(zhì)的擴(kuò)散偏向于隨機(jī)擴(kuò)散；當(dāng)XF=0時(shí)，方程(2)為反常擴(kuò)散，表明當(dāng)XF接近0時(shí)，活性物質(zhì)的擴(kuò)散偏向于由于薄膜結(jié)構(gòu)松弛引起的擴(kuò)散。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯著性分析采用SPSS軟件，釋放動(dòng)力學(xué)模型的擬合和作圖采用Origin 8.5軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 薄膜中矢車菊素和納米TiO2向不同食品模擬液中的釋放規(guī)律

釋放型活性包裝薄膜的作用機(jī)理是將摻入的活性物質(zhì)釋放到食品或周圍的頂部空間中，其活性物質(zhì)的釋放程度是衡量釋放型活性包裝薄膜抗菌和抗氧化性能效率的關(guān)鍵參數(shù)。圖1為薄膜中矢車菊素和納米TiO2在4種食品模擬液中的隨時(shí)間變化的釋放規(guī)律曲線。由圖1可知，薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液中的釋放速率呈先快后逐漸平緩的趨勢。薄膜中矢車菊素和納米TiO2在95%乙醇(油性食品模擬液)中達(dá)到釋放平衡狀態(tài)時(shí)(約8 h)的釋放比最高，分別為0.966和0.357。當(dāng)乙醇濃度下降到50%(親酯性食品模擬液)時(shí)，薄膜中矢車菊素和納米TiO2的平衡釋放比分別下降到0.833和0.229，這主要是因?yàn)殡S著乙醇濃度的升高，可使PVA活性薄膜產(chǎn)生最高程度的塑化，增加了PVA分子鏈的移動(dòng)性，降低了PVA分子鏈的結(jié)晶性和削弱了分子之間的范德華力，從而增加了PVA活性薄膜中的矢車菊素和納米TiO2向食品模擬液中的釋放量。這也與乙烯/乙烯醇共聚物薄膜中活性物質(zhì)向高濃度乙醇溶液中的釋放原理相類似[9]。薄膜中矢車菊素和納米TiO2在3%乙酸(酸性食品模擬液)中達(dá)到釋放平衡狀態(tài)時(shí)的釋放比分別為0.517 和0.159，相對于在10%乙醇(含水食品模擬液)中的釋放比0.25和0.121，有較明顯的增強(qiáng)，這主要是由于薄膜在這兩種食品模擬液中溶脹程度不同引起的，當(dāng)薄膜與含水量多的食品模擬液接觸時(shí)，水分子不斷地向薄膜中擴(kuò)散，導(dǎo)致薄膜的結(jié)構(gòu)變得松弛，使活性物質(zhì)更多地從薄膜中逐漸釋放出來。這也與呂飛等[22]和Buonocore等[23]制備的海藻酸鈉薄膜和PVA活性薄膜中的活性物質(zhì)釋放原理相類似，活性薄膜因浸泡入液體后表現(xiàn)出不同程度的溶脹效果，因此增大了活性物質(zhì)從薄膜內(nèi)部釋放出來的機(jī)會(huì)和途徑，并且在面對不同屬性的食品模擬液時(shí)，其釋放比也會(huì)相應(yīng)的進(jìn)行變化。

圖1 PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2在4種食品模擬液中的釋放規(guī)律曲線

2.2 薄膜中矢車菊素和納米TiO2向不同食品模擬液中的釋放動(dòng)力學(xué)模型表征

為了表征薄膜中矢車菊素和納米TiO2的釋放規(guī)律，使用了考慮到薄膜溶脹因素的Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)PVA活性薄膜在4種食品模擬液中的釋放試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型分別對薄膜中矢車菊素和納米TiO2在4種食品模擬液中的釋放規(guī)律進(jìn)行擬合，表1為經(jīng)Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合后的模型參數(shù)和擬合精度，圖2為薄膜中矢車菊素和納米TiO2在4種食品模擬液中，經(jīng)Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合后的曲線。

由表1可知，使用Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合薄膜中矢車菊素和納米TiO2的釋放動(dòng)力學(xué)，擬合精度R2均在0.98以上，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的擬合度極高，該模型可以很好地模擬PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液中的釋放規(guī)律。采用Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合得到的PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2在4種食品模擬液中的擴(kuò)散系數(shù)均處于同一量級(jí)，且數(shù)值上呈現(xiàn)95%乙醇(油性食品模擬液)中的D值最大，然后依次為50%乙醇(親酯性食品模擬液)、3%乙酸(酸性食品模擬液)和10%乙醇(含水食品模擬液)。這主要是由于PVA活性薄膜與不同食品模擬液接觸時(shí)，薄膜發(fā)生了不同程度的塑化和溶脹現(xiàn)象，其活性物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)與薄膜的塑化和溶脹程度成正相關(guān)。使用Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合得到的偏離參數(shù)XF均處于0.87～0.95和0.86～0.92，表明薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液中的釋放以隨機(jī)擴(kuò)散為主導(dǎo)，而因薄膜結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的釋放為輔。在陳晨偉等[17]的研究中，也發(fā)現(xiàn)采用Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合PVA/茶多酚活性薄膜在水中的釋放規(guī)律也呈現(xiàn)相類似的結(jié)果，且Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型中的擴(kuò)散系數(shù)D能夠很好地定量表征活性物質(zhì)的釋放速率。

表1 PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液中釋放的Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)和擬合精度

圖2 PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液釋放的Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線

3 結(jié)論

PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液釋放的速率均呈先快后逐漸平緩的趨勢。對比4種食品模擬液，薄膜中矢車菊素和納米TiO2的擴(kuò)散系數(shù)和釋放比，在95%乙醇(油性食品模擬液)中最高，然后依次為50%乙醇(親酯性食品模擬液)、3%乙酸(酸性食品模擬液)和10%乙醇(含水食品模擬液)。通過Fickian+一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合PVA活性中矢車菊素和納米TiO2的釋放規(guī)律，其擬合精度均高于0.98，說明該動(dòng)力學(xué)模型能夠很好地對PVA活性薄膜中矢車菊素和納米TiO2向4種食品模擬液的釋放進(jìn)行表征。

本試驗(yàn)研究的是在4 ℃貯藏條件下，PVA活性薄膜中活性物質(zhì)隨時(shí)間變化在不同食品模擬液中的釋放規(guī)律，但可能也會(huì)有其他的條件能影響到活性物質(zhì)的釋放規(guī)律，如溫度、壓力和制備方式等因素，對于如何能夠更好地研究釋放型活性薄膜的釋放規(guī)律，還需進(jìn)一步研究。