抑制水中藻類生物包裝材料的制備及性能表征

李紹菁，楊福馨*，楊菁卉，陳祖國，王廣林

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306）

0 前言

水中生物污損給人類活動帶來了嚴(yán)重的影響。如水中生物堵塞養(yǎng)殖設(shè)備的網(wǎng)孔，造成大量魚蝦窒息死亡；附著在船舶、水下管道、鉆探設(shè)備等表面的生物，腐蝕表面的同時(shí)也生成了后期高昂的維修清洗費(fèi)用［1］。過去，人們大量使用有毒的防污材料，致大量水體生物畸形，已被禁用［2］。還有些傳統(tǒng)的防污材料其制造工藝復(fù)雜、昂貴，無法滿足目前的防污需求。

PS 是一種安全高效的防腐劑，現(xiàn)今在世界各國被廣泛使用的一種防腐劑［3］。關(guān)于PS的抑菌性能研究有許多，Chevalier 等［4］的研究表明，將PS 添加到酪蛋白中可使其抑菌圈的直徑擴(kuò)大近3 倍；Cao 等［5］發(fā)現(xiàn)PS可以很好地抑制β-環(huán)糊精共聚物內(nèi)的酵母和金黃色葡萄球菌的繁殖。氟酸是實(shí)驗(yàn)室自制的一種經(jīng)過氟處理過的酸性抑菌劑，主要成分為氟鋁酸鈉，成淡黃色粉末狀，是一食品級防腐劑。經(jīng)大量的研究表明：氟酸對食品的保鮮防腐效果極佳，具有優(yōu)良的抑菌殺菌性能。目前該添加劑已應(yīng)用于涼皮保鮮袋。鹽粉內(nèi)的活性金屬Na+離子可以破壞微生物的生理結(jié)構(gòu)，Na＋離子所起到的物理應(yīng)激會影響水中一些生物的免疫功能［6-7］，造成血細(xì)胞吞噬活性和免疫酶活性的降低，進(jìn)而導(dǎo)致貝類的成活率降低［8-9］。鹽濃度的變化會對水中貝類的免疫指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響［10］。聚甘油酯（PGE）可改善一些成分的分散性，提高添加物在薄膜內(nèi)的分散程度；調(diào)節(jié)黏度［11］；其也具有結(jié)晶化抑制的效果［12］，且基于其高度的安全性，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織等批準(zhǔn)用作食品添加劑［13］。PP 樹脂的成本低廉，其拉伸強(qiáng)度、沖擊性能和耐濕性較高且密度低，具有很好的成膜性［14］。

基于已有研究，本文以PP 樹脂為基料，以PS 和氟酸作為主要的抑菌劑，且所使用的抑菌劑均為食品級材料，屬于環(huán)境友好型材料，通過不同比例的抑菌劑與基料經(jīng)共混熔融、造粒流延等工藝制備改性的憎藻薄膜，同時(shí)探究不同抑菌劑的添加量對薄膜基本性能和憎藻性能的影響，有望在一定程度上解決一些傳統(tǒng)防污性表面的問題，對防污領(lǐng)域中的發(fā)展前景提供一些自己的見解。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PS，化學(xué)純，寧波王龍科技股份有限公司；

FA，實(shí)驗(yàn)室自制；

Nacl，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

PGE粉末，航大生物科技有限公司；

PP，EPC30R-H，中國石油天然氣股份有限公司；

平板計(jì)數(shù)瓊脂（PCA），化學(xué)純，青島高科技工業(yè)園海博生物技術(shù)有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿塑料擠出裝置，LSSHJ-20，上?？苿?chuàng)橡膠塑機(jī)械設(shè)備有限公司；

流延機(jī)裝置，LYJ，上?？苿?chuàng)橡膠塑機(jī)械設(shè)備有限公司；

轉(zhuǎn)矩流變儀，XSS-300，上?？苿?chuàng)橡膠塑機(jī)械設(shè)備有限公司；

切粒機(jī)，SG-20，上海科創(chuàng)橡膠塑機(jī)械設(shè)備有限公司；

智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，XLW（EC），濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；

透光率/霧度測定儀，WGT-S，上海精科儀器有限公司；

水蒸氣透過率測試儀，PERMATRAN-W1/50G，美國膜康有限公司；

潔凈工作臺，VS-1300L-U，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；

電子數(shù)顯千分尺，L-0305，南京蘇測計(jì)量儀器有限公司；

壓差法氣體滲透測試儀，G2/132，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；

水蒸氣透過率測試儀，PERMATRAN-W1/5，美國膜康公司；

粉碎機(jī)，1000Y，武義海納電器有限公司；

擺錘沖擊試驗(yàn)儀，F(xiàn)IT-01，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司。

1.3 樣品制備

將抑菌劑和PP 樹脂放置50 ℃烘箱內(nèi)干燥4 h，使用粉碎機(jī)將抑菌劑進(jìn)行粉碎，用120目分樣篩過篩后備用；將過篩后的抑菌劑按表1比例（占薄膜總質(zhì)量分?jǐn)?shù)）與PP樹脂充分混合后加入一定量的鹽粉和PGE粉末，置入雙螺桿擠出機(jī)中共混，經(jīng)過高溫熔融、擠出、切粒，制得抑菌樹脂母粒；將抑菌樹脂母粒通過流延機(jī)熔融擠出、收卷，得到改性抑菌薄膜；雙螺桿擠出機(jī)1～7 區(qū)溫度分別為165、170、175、180、180、175、175 ℃，轉(zhuǎn)速為45 r/min；單螺桿擠出機(jī)各加熱區(qū)的加熱溫度分別是160、165、170、175、180、175、170 ℃，轉(zhuǎn)速為40 r/min。

表1 各抑菌劑配比Tab.1 Composition of bacteriostatic agents

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

1.4.1 抑菌實(shí)驗(yàn)

將各樣品薄膜裁剪成100 cm×20 cm 大小，放于超凈臺內(nèi)紫外殺菌60 min。存放樣品的置物袋在實(shí)驗(yàn)前均使用紫外滅菌。將樣品垂直墜入河水水面以下，在戶外溫度25°C 左右培養(yǎng)條件下培養(yǎng)1～7 d后，取出薄膜放入無菌袋中，在無菌操作臺內(nèi)用生理鹽水漂洗去除表面黏附的泥垢和未黏附的藻類后，用刮刀刮取粘在薄膜表面肉眼可見的藻類物質(zhì)溶于10 mL 的生理鹽水，在均質(zhì)機(jī)內(nèi)均質(zhì)0.5 h 后獲得含有薄膜表面黏附藻類物質(zhì)的懸浮液，測試藻液的菌落總數(shù)，以表征樣品表面黏附的藻細(xì)胞數(shù)量。參照GB/T 2918—2018對薄膜樣品進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，將薄膜試樣放置在相對溫度（23±2）℃、相對濕度（50±5）%的恒溫恒濕箱中至少調(diào)節(jié)4 h，且在相同的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［15］。

1.4.2 拉伸性能測試

按照GB/T 1040.3—2006 進(jìn)行試驗(yàn)［16］，分別裁取5 條縱、橫向試樣后依據(jù)GB/T 6672—2001 要求選3 點(diǎn)測量試樣厚度，取其平均值，精確到1 μm；將試驗(yàn)機(jī)速度設(shè)置為300 mm/min、初始夾距設(shè)置為50 mm、拉伸速率為50 mm/min后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；待試樣斷裂后，讀取載荷和伸長量，并分別按照式（1）、（2）計(jì)算拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率：

式中 σt——試樣的拉伸強(qiáng)度，N/mm2

P——試樣斷裂時(shí)最大拉伸載荷，N

b——試樣寬度，mm

d——試樣厚度，mm

式中 εt——斷裂伸長率，%

l0——試樣原始標(biāo)距，mm

l——試樣斷裂時(shí)的標(biāo)線長度，mm

1.4.3 阻透性試驗(yàn)

透濕性能測試：通過PERMATRAN-W1/50G 水蒸氣透過率測試儀，在相對濕度為100 %，溫度為37.8 ℃條件下放入檢測腔內(nèi)測定，平行3 次，取平均值［17］；

透氣性能測試：通過PERME G2/132 壓差法氣體滲透儀，參考GB/T 1038—2000［18］，設(shè)置試驗(yàn)溫度為23 ℃、相對濕度為50 %，將薄膜樣品裁成Φ90 mm 圓形試樣粘貼在測試儀的檢測腔內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，平行3 次，取其平均值。

1.4.4 親/疏水性能試驗(yàn)

采用VCA optima的接觸角儀器測量儀測量室溫下薄膜樣品表面親水性接觸角［19］，在室溫下，裁取3 cm×5 cm 的樣品置于載玻片上，采用座滴法，通過微型注射器滴一滴離子水于薄膜表面，平行3次，取其平均值［20］。

1.4.5 耐水性試驗(yàn)

參考GB/T 1034—2008［21］，用剪刀裁取5 cm×20 cm 的薄膜樣品測試其耐水性，首先測量樣品質(zhì)量（M0，g），然后將其浸泡在590 mL 的蒸餾水中30 d，用鑷子取出薄膜并用吸水紙去除表面殘留的水分，測量此時(shí)薄膜樣品質(zhì)量（Ms，g）；再將薄膜樣品置于40 ℃真空干燥箱中進(jìn)行干燥，直至樣品薄膜的質(zhì)量不再變化，稱量其質(zhì)量（Mf，g），薄膜樣品的吸水率（Ws，%）和失重率（Wl，%）的計(jì)算如式（3）～（4）所示［22-23］。

1.4.6 沖擊性能測試

使用裁刀將憎藻薄膜切割成100 mm×100 mm 的沖擊樣條，參照GB/T 8809《塑料薄膜抗擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，平行10次，取其算術(shù)平均值，并報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)偏差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差按式（5）計(jì)算：

式中 S——標(biāo)準(zhǔn)偏差

Xi——單個(gè)試樣測量值-

X——測量結(jié)果的算數(shù)平均值

n——測試值個(gè)數(shù)

1.4.7 光學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)ASTM D1003-61［24］對憎藻薄膜進(jìn)行光學(xué)性能測試，使用WGT-S 透光率/霧度測定儀測試憎藻薄膜的霧度和透光率；測試前先將機(jī)器電源打開預(yù)熱0.5 h 后進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后將實(shí)驗(yàn)前裁好的5 cm×5 cm 的薄膜樣品置于儀器的夾板上，對樣品進(jìn)行光學(xué)性能測試，每個(gè)樣品平行10 次，取其平均值。

1.4.8 統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS Statistics 進(jìn)行分析，選擇方差分析（ANOVA）進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異性分析，由ANOVA標(biāo)記的相同字母的平均值沒有顯著性差異，通過Duncan 的極差檢驗(yàn)將差異比較到5%的顯著性水平；所有其他值以3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（S.D.）表示。全文采用Graphpad prism 8和Origin作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 憎藻薄膜的抑菌性

薄膜抑菌性結(jié)果如圖1 所示，PP 薄膜表面黏附的藻類微生物數(shù)量要比改性薄膜高出許多，說明改性薄膜達(dá)到了一定的抑制微生物生長的效果。由圖1可知，D 改性薄膜的菌落總數(shù)相較其他薄膜，菌落總數(shù)最少，其次E 改性薄膜；從膜編號為A、B、C 和D 的這組數(shù)據(jù)來看，隨著PS 添加量的逐漸增加，薄膜表面的菌落總數(shù)逐漸降低，說明PS 改性有利于提高薄膜的抑菌性能，且PS 濃度越高，抑菌效果越明顯。從膜編號A、E、F 和G 的這組數(shù)據(jù)來看，隨著FA 添加量的增加，薄膜表面的菌落總數(shù)先下降后逐漸上升，說明FA 在一定的濃度內(nèi)抑菌效果最佳，原因可能是高濃度的FA 降低了與薄膜內(nèi)分子的結(jié)合能力，從而降低了抑菌的性能。

圖1 各薄膜的菌落總數(shù)Fig.1 Total number of colonies in each film

2.2 不同時(shí)間段憎藻薄膜的外觀形貌

表2 為不同時(shí)間段各憎藻薄膜表面附著生物的分布情況。將各抑菌薄膜垂直置于河水水面以下，每隔5 d 觀察其表面附著生物的生長形態(tài)和附著面積。由表2可以直觀地看出，第5 d時(shí)，各薄膜表面出現(xiàn)數(shù)量不等的淡黃色小球狀透明生物，且D 和G 薄膜表面淡黃色小球狀透明生物數(shù)量少于其他薄膜；等到第10 d 時(shí)薄膜表面的淡黃色小球狀透明生物已分裂成放射狀生物黏附在薄膜表面，且伴隨著少量貝殼類生物的黏附；隨著時(shí)間的推移，放射狀生物迅速繁殖，到第25 d 時(shí)，PP 薄膜表面已覆滿水藻生物，D 組薄膜表面生物附著面積相較其他組最小，故D 膜的抑菌效果最好，這也與薄膜抑菌性的分析結(jié)果一致。

表2 不同時(shí)間段各薄膜的外觀形態(tài)Tab.2 Appearance morphology of each film at different time periods

2.3 憎藻薄膜的拉伸強(qiáng)度

由于在使用食品包裝材料對食品進(jìn)行包裝和運(yùn)輸?shù)倪^程中，包裝薄膜會受到一定的擠壓，因此包裝材料要具備一定的力學(xué)性能，保障包裝材料不受到破損。拉伸強(qiáng)度以及拉斷力是檢驗(yàn)食品包裝材料力學(xué)性能的主要參數(shù)［25］。由表3的測試數(shù)據(jù)可以看出，憎藻薄膜的橫向拉伸強(qiáng)度均高于純PP薄膜且縱向斷裂伸長率均低于純PP 薄膜，表明抑菌劑有益于提高薄膜的力學(xué)性能。力學(xué)性能提高地最主要原因可能是抗菌劑與PP樹脂經(jīng)過高溫熔融后，提高了憎藻薄膜內(nèi)部的分子作用力，使其柔韌性上升，當(dāng)薄膜受到外力作用時(shí)不容易斷裂。與CK相比，2%、4%、6%和8%憎藻薄膜的橫向拉伸強(qiáng)度分別增加1.49、2.44、2.19和1.83倍，2%、4%、6%、8 % F-PP 憎藻薄膜的橫向拉伸強(qiáng)度分別增加1.49、1.69、1.29、1.18倍。且樣品B（4%的PS）橫縱向拉伸強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別是（21.44±1.63）、（32.03±1.26）MPa。憎藻薄膜的橫向斷裂伸長率隨著抑菌劑含量的增加而增大，說明隨著添加量濃度達(dá)到一定水平時(shí)，抑菌劑在薄膜內(nèi)開始形成結(jié)晶，使薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的改變，導(dǎo)致分子間的作用力下降，斷裂伸長率上升。

表3 各薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率Tab.3 Tensile strength and elongation at break of each film

2.4 憎藻薄膜的阻透性

水和氧氣都是藻類生長的有利條件，因此憎藻薄膜對水蒸氣和氧氣的阻透性能要求就會比較高，故水蒸氣透過率和氧氣透過率是評價(jià)憎藻薄膜優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一［26］。從圖2 可以看出，憎藻薄膜的氧氣透過率和水蒸氣的透過率均低于純PP 薄膜，即憎藻薄膜的氧氣和水蒸氣的阻透性能均高于CK組，這說明了抑菌劑與PP 基材具有一定的相容性，抑菌劑的添加填補(bǔ)了PP 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙，提高了薄膜的致密性，使得分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加牢固；PS-PP 憎藻薄膜與FA-PP 憎藻薄膜的阻隔性能均隨抑菌劑的添加量的升高而增強(qiáng)，且FA-PP（8%FA）的氧氣阻透性能最強(qiáng)；（8%PS）的水蒸氣阻透性能最強(qiáng)。

2.5 憎藻薄膜的親疏水性

圖2 各薄膜的阻透性Fig.2 Barrier properties of each film

由于憎藻薄膜主要應(yīng)用于水下設(shè)備、船體表面，或者水產(chǎn)品類的包裝，薄膜表面需具有一定的疏水力，可以在一定程度上降低薄膜表面微生物的繁殖，減少藻類微生物的附著。因此接觸角是檢驗(yàn)薄膜疏水性能的主要參數(shù)。結(jié)果如圖3 所示，從圖中可以明顯地看出，憎藻薄膜表面接觸角隨著抑菌劑含量的增加而增大，相同添加量的FA-PP 薄膜的接觸角均大于薄膜，8 %FA-PP 憎藻薄膜接觸角值達(dá)到最大，為95.34 °，相對于空白對照組，接觸角增加了22.12 °，說明抑菌劑的加入明顯提高了憎藻薄膜的疏水性，且隨著抑菌劑的增多，使得薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分散性能上升，薄膜表面的粗糙度增大，疏水性能增強(qiáng)。故2 種抑菌劑的添加均有利于增強(qiáng)薄膜的疏水性能。

圖3 各薄膜的接觸角Fig.3 Water contact angles of each film

2.6 憎藻薄膜的霧度和透光率

抑菌劑的添加量對憎藻薄膜透光率及霧度的影響如圖4 所示。由圖可知，隨著抑菌劑添加量的增加，霧度越來越高，透光率越來越低，D 薄膜樣品的霧度是CK 組的3.96 倍，透光率只有CK 組的0.13 倍；故抑菌劑的加入極大地改變了憎藻薄膜的光學(xué)性能。因?yàn)樘砑觿┍旧硎欠勰钗镔|(zhì)，而PP 樹脂是透明狀顆粒，在高溫融合下，抑菌劑分散在薄膜內(nèi)部，使PP 短支鏈數(shù)量增加，從而改變了鏈的折疊，同時(shí)也改變了薄膜的厚度，使得薄膜對光線的折射率和透射率下降，透明度下降。且隨著抑菌劑添加量的增加，在薄膜內(nèi)部容易形成結(jié)晶，這也是影響薄膜透明度的一大原因。

圖4 各薄膜的透光率及霧度Fig.4 Light transmittance and fog of each film

2.7 憎藻薄膜的耐水性

為研究憎藻薄膜在水下環(huán)境的穩(wěn)定性情況，實(shí)驗(yàn)將各薄膜樣品浸泡在水下30 d，進(jìn)行薄膜的耐水性試驗(yàn)，測其吸水率和失重率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。薄膜在水下浸泡30 d 后，均未出現(xiàn)明顯的變形和質(zhì)量損失現(xiàn)象，這是由于憎藻薄膜表面具有一定的疏水性以及在一定程度上抑菌劑填充了薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空隙。由圖5（a）所示，相同添加量的不同抑菌劑，吸水率不同，憎藻薄膜的吸水率均低于FA-PP 憎藻薄膜，且8%的薄膜吸水率最低；由圖5（b）所示FA-PP 薄膜的失重率差異不顯著，說明該抑菌劑對憎藻薄膜在水中的質(zhì)量損失影響不明顯，具有良好的耐水性。

2.8 憎藻薄膜的沖擊性能

由于憎藻薄膜應(yīng)用于設(shè)備表面或者對食品進(jìn)行包裝運(yùn)輸?shù)倪^程中，包裝薄膜會受到一定的機(jī)械拉力或者尖銳物體的擦碰，故薄膜需具有一定的耐穿刺能力［25］。本試驗(yàn)采取的塑料薄膜沖擊性能的測試方法為抗擺錘沖擊法，具體測試結(jié)果由圖6 所示，與空白對照組比較，憎藻薄膜的沖擊能量均高于對照組且隨著抑菌劑添加量的增加，薄膜的抗沖擊能力越強(qiáng)，這是由于抑菌劑的添加在一定程度上加強(qiáng)了薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的牢固性；同等添加量的FA-PP 憎藻薄膜的沖擊能量均高于憎藻薄膜，故憎藻薄膜具有良好的耐戳穿性能，且8 %FA-PP 憎藻薄膜的沖擊性能最好。

圖5 各薄膜的耐水性Fig.5 Water resistance of each film

圖6 各薄膜的沖擊性能Fig.6 Impact resistance of each film

3 結(jié)論

（1）抑菌劑的添加有益于提高薄膜的力學(xué)性能，相同濃度下憎藻薄膜的橫縱向拉伸強(qiáng)度均高于FA-PP憎藻薄膜，且4%橫縱向拉伸強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別是（21.44±1.63）、（32.03±1.26）MPa，相較于空白組，分別增強(qiáng)了2.44、1.46 倍；相同濃度下FA-PP 憎藻薄膜的耐戳穿強(qiáng)度高于憎藻薄膜，且8 %FA-PP 憎藻薄膜的沖擊能量是空白對照組的6.88倍；

（2）光學(xué)性能受抑菌劑的影響有所下降；阻透性能上憎藻薄膜的氧氣透過率和水蒸氣的透過系數(shù)均低于純PP 薄膜；疏水性能提高，耐水性能基本未受抑菌劑的影響；

（3）憎藻薄膜可以有效改善薄膜表面防污性能，對比分析與FA-PP 憎藻薄膜的抑藻效果，憎藻薄膜隨著山梨酸鉀添加量的增加，菌落總數(shù)減少，薄膜表面藻類微生物附著量減少，憎藻效果明顯；FA-PP 憎藻薄膜隨著氟酸添加量的增加，菌落總數(shù)減少后又上升，說明FA在一定的濃度范圍內(nèi)憎藻效果最佳。