酚酸/淀粉復(fù)合膜的制備及抑菌性能研究

◎ 徐 平，酈丹妮，余文怡，胡佩佩，覃寒珍，余作龍，魏云瀟

（浙江樹人大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310015）

食品包裝材料與食品保存、食品安全等關(guān)系密切，如何使食品包裝材料安全、環(huán)保成為研究熱點(diǎn)，尤其是近年對(duì)可食性包裝膜研究較多[1-2]?？墒承园b膜分為蛋白質(zhì)類、多糖類、脂類以及它們的復(fù)合成膜[3-5]，加入天然多功能活性成分取代人工合成及傳統(tǒng)的單功能食品添加劑已成為新亮點(diǎn)[6-7]。其中淀粉基可食膜是以淀粉為基質(zhì)，以多元醇（如甘油、山梨醇、聚乙二醇等）及類脂物質(zhì)（如脂肪酸、單甘油脂、表面活性劑等）為增塑劑，動(dòng)植物膠（如褐藻膠、瓊脂等）為增強(qiáng)劑制作而成[8-10]。酚酸廣泛分布于自然界、種類繁多、可食用，其抗氧化、抗腫瘤、抑菌等活性功能已得到普遍認(rèn)可[11-13]。本文以淀粉基可食性膜為研究對(duì)象，篩選苯甲酸型酚酸（水楊酸、龍膽酸、沒(méi)食子酸）和肉桂酸型酚酸（對(duì)香豆酸、綠原酸）（結(jié)構(gòu)式如圖1所示）為抑菌劑，制備成抑菌性可食膜，對(duì)抑菌劑的抑制性和復(fù)合膜的性能進(jìn)行研究。進(jìn)而為酚酸類抑菌膜在功能性包裝膜的應(yīng)用領(lǐng)域提供參考。

圖1 5種抑菌劑的結(jié)構(gòu)式圖

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

淀粉（煙臺(tái)東方蛋白科技有限公司（維德力））；海藻酸鈉（山東精協(xié)海洋科技發(fā)展有限公司）；甘油（浙江杭州雙林化工試劑廠）；水楊酸、龍膽酸、沒(méi)食子酸、對(duì)香豆酸、綠原酸（上海阿拉丁試劑有限公司）；大腸桿菌（Escherichia coli）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）和酵母菌（Yeast），均由浙江樹人大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室提供；肉湯培養(yǎng)基、Luria-Bertani培養(yǎng)基（LB培養(yǎng)基）和酵母浸出粉胨葡萄糖培養(yǎng)基（YPD培養(yǎng)基），按要求自行配制；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

TA.XT plus物性儀（英國(guó)Stable Micro System公司）；HZQ-X300C恒溫振蕩培養(yǎng)箱（上海一恒科技有限公司）；PHS-2F精密pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；YJ-VS-1單人垂直超凈工作臺(tái)（無(wú)錫一凈凈化設(shè)備有限公司）；GI80TR高壓蒸汽滅菌鍋（美國(guó)ZEALWAY（致微）有限公司）；KQ-500DE數(shù)控超聲波清洗（昆山市超聲儀器有限公司）；JHS-2/90恒速數(shù)顯攪拌機(jī)（杭州儀表電機(jī)有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 MIC測(cè)定

采用平板打孔法[14-16]。將配制好的5種抑菌劑溶液分別加入到含有大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和酵母菌的含菌平板中，將平板放入恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。大腸桿菌與枯草芽孢桿菌的培養(yǎng)溫度為37 ℃，酵母菌培養(yǎng)溫度為30 ℃，培養(yǎng)時(shí)間為24～48 h。同時(shí)做空白對(duì)照。

1.3.2 抑菌膜的制備

參考文獻(xiàn)[17]方法，100 mL水溶液中添加11 g豌豆淀粉、1.2 mL甘油、0.4 g海藻酸鈉，在95 ℃下，300 r·min-1攪拌30 min，待淀粉糊化后，按照抑菌劑的MIC加入10倍～20倍量酚酸（按淀粉質(zhì)量比計(jì)）考察抑菌性；加入10%抑菌劑（按淀粉質(zhì)量比計(jì)）考察不同抑菌膜的力學(xué)性能。攪拌10 min，經(jīng)真空脫氣后，流延鋪膜于鋼板上，并在50 ℃烘干，揭膜，儲(chǔ)存待用。

1.3.3 膜的抑菌性

分別配制蛋白胨培養(yǎng)基、LB培養(yǎng)基、YPD培養(yǎng)基等3種固體培養(yǎng)基，等待平板冷卻后用移液槍分別移取100 μL各菌懸液于對(duì)應(yīng)的培養(yǎng)基上，涂布均勻。將淀粉膜和不同濃度的酚酸/淀粉抑菌膜打成3 mm小圓片，分別將膜片放置于涂有菌液的平板上。倒置培養(yǎng)24～48 h，通過(guò)觀察平板上抑菌圈的大小，衡量膜的抑菌性[18]。

1.3.4 膜的力學(xué)性能

選擇平整、均勻、無(wú)孔洞、無(wú)皺褶的膜，用螺旋測(cè)微器（精度0.01 mm）測(cè)樣品的4個(gè)頂點(diǎn)和中心點(diǎn)上的厚度，取5個(gè)值的平均值，即為膜的厚度，單位為mm[19]。參照GB/T 1040.3—2006[20]，將樣品裁成長(zhǎng)10 cm，寬0.5 cm的長(zhǎng)條，用物性儀測(cè)定膜的拉伸強(qiáng)度（TS）和斷裂延伸率（E），每組各測(cè)3個(gè)垂直與水平樣品，共6個(gè)平行樣品，并根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算平均TS與E。標(biāo)距為50 mm，試樣速度為100 mm·min-1。

式中：TS-抗拉強(qiáng)度（MPa）；F-膜所受拉力（N）；S-膜的橫截面積（m2）。

式中：E-斷裂延伸率（%）；L0-試樣原始標(biāo)準(zhǔn)距離（mm）；L-試樣斷裂時(shí)標(biāo)準(zhǔn)距離（mm）。

1.3.5 紅外光譜分析

裁剪一小片制得的可食膜樣品，在Tensor 27型紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜掃描，檢測(cè)膜組分對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 MIC分析

5種抑菌劑的MIC表現(xiàn)出不同的抑菌特性，結(jié)果如圖2、表1所示，其中水楊酸的抑菌能力最好，而龍膽酸的抑菌性較差，甚至對(duì)酵母菌沒(méi)有抑制性。水楊酸對(duì)大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和酵母菌的MIC分別為9.375 mg·mL-1、15.625 mg·mL-1和9.375 mg·mL-1，而抑制性最差的龍膽酸分別為143.75 mg·mL-1、193.75 mg·mL-1和沒(méi)有抑制性。

表1 5種抑菌劑的MIC表（單位：mg·mL-1）

圖2 5種抑菌劑的MIC圖

SáNCHEZ-MALDONADO等[21]從構(gòu)效關(guān)系的角度研究12種酚酸的抗菌活性，發(fā)現(xiàn)相同取代基的肉桂酸型酚酸抗菌能力優(yōu)于苯甲酸型酚酸，且羥基數(shù)目越多，苯甲酸型酚酸抗菌效力越弱，而對(duì)肉桂酸型酚酸影響不大；氧甲基團(tuán)取代后，苯甲酸型酚酸抗菌作用增強(qiáng)，而肉桂酸型酚酸的抑菌能力無(wú)顯著性變化；親油性對(duì)苯甲酸型酚酸抗菌活性的影響大于對(duì)肉桂酸型酚酸。本實(shí)驗(yàn)中相同羥基的水楊酸抑菌性大于對(duì)香豆酸，而含兩個(gè)羥基龍膽酸抑菌性低于含3個(gè)羥基的沒(méi)食子酸。因此酚酸的兩親性和所在的培養(yǎng)體系對(duì)抑菌劑的抑菌效果影響不可忽視[22-23]。

由于大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和酵母菌分別代表革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽(yáng)性菌和真菌，因其細(xì)胞壁的厚薄程度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和與細(xì)胞膜的關(guān)系導(dǎo)致同一種抑菌劑的MIC不一，同時(shí)，不同抑菌劑的MIC沒(méi)有一致性。

2.2 膜的抑菌性分析

不同抑菌膜的抑菌性如圖3和表2所示，當(dāng)抑菌劑加入到淀粉膜中，其抑菌性降低明顯，如水楊酸和對(duì)香豆酸；或沒(méi)有抑菌性，如沒(méi)食子酸、綠原酸和龍膽酸。水楊酸/淀粉膜對(duì)酵母菌的抑制性較為明顯，MIC由水楊酸的MIC 9.375 mg·mL-1增加到水楊酸抑菌膜的MIC 117.125 mg·g-1；而對(duì)香豆酸加入淀粉膜中的MIC增幅最小。主要原因是制膜為水溶液，對(duì)濃度較高、油溶性的抑菌劑在膜液中分散影響較大，同時(shí)成膜后固體膜影響抑菌劑在培養(yǎng)基上擴(kuò)散效果。過(guò)高濃度的沒(méi)食子酸、綠原酸和龍膽酸無(wú)法成膜，所以其膜的抑菌性實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展。

表2 不同抑菌膜的MIC表（單位：mg·g-1）

圖3 不同抑菌膜的MIC圖

2.3 膜的力學(xué)性能分析

不同抑菌劑對(duì)淀粉膜的力學(xué)性能如圖4所示，抑菌劑降低了淀粉膜的拉伸強(qiáng)度，而對(duì)淀粉膜的斷裂延伸率影響不一。從圖3中不同膜的圖片可知，膜的均一性和表面光滑程度隨著抑菌劑的比例和種類而變化，其中對(duì)香豆酸/淀粉膜內(nèi)出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的細(xì)小顆粒，進(jìn)而表明對(duì)香豆酸對(duì)淀粉膜的拉伸強(qiáng)度改變最大，由15.33 MPa降低到4.28 MPa，由于小分子的抑菌劑加入起到增塑作用，降低了膜的強(qiáng)度；而相對(duì)淀粉膜的斷裂延伸率為62.67%，抑菌劑綠原酸具有與淀粉單元相似的結(jié)構(gòu)和柔性成分，使膜的斷裂延伸率略微提高到67.45%。

圖4 淀粉膜和不同抑菌膜的力學(xué)性能圖

2.4 紅外光譜分析

對(duì)抑菌劑和其抑菌膜的FTIR分析如圖5和圖6所示。在3 400～3 200 cm-1波長(zhǎng)處的吸收峰均是各物質(zhì)分子內(nèi)或分子間的O-H伸縮振動(dòng)峰；過(guò)強(qiáng)的羥基峰導(dǎo)致無(wú)法觀察到C-H伸縮振動(dòng)峰。在1 750～1 650 cm-1波長(zhǎng)處為各物質(zhì)的C=O伸縮振動(dòng)峰；在1 520 cm-1、1 450 cm-1、1 380 cm-1和780 cm-1波長(zhǎng)處為芳香環(huán)骨架的振動(dòng)吸收峰；在約12 00 cm-1波長(zhǎng)處為O-H的彎曲振動(dòng)吸收峰[24-25]。當(dāng)抑菌劑加入淀粉膜后，O-H伸縮振動(dòng)峰更加強(qiáng)烈，C=O伸縮振動(dòng)峰有所減弱，但發(fā)生了紅移，說(shuō)明有新的氫鍵生成，同時(shí)也可能導(dǎo)致抑菌效果的變化。

圖5 5種抑菌劑的FTIR圖

圖6 淀粉膜和不同抑菌膜的FTIR圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)兩個(gè)種類的5種酚酸對(duì)大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和酵母菌的MIC、加入到淀粉膜中對(duì)3種菌的MIC以膜性能進(jìn)行考察。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)相似的5種酚酸對(duì)3種菌的抑制性差異較大，其中水楊酸的抑菌性最佳，龍膽酸的抑菌性最差，甚至對(duì)酵母菌沒(méi)有抑制性；當(dāng)加入到淀粉膜中抑菌性均有不同程度的下降，其中，沒(méi)食子酸、綠原酸和龍膽酸表現(xiàn)出沒(méi)有抑菌性；抑菌劑的加入對(duì)淀粉膜的斷裂延伸率影響不大，而對(duì)膜的拉伸強(qiáng)度影響較大，通過(guò)FTIR分析，分子間的作用力起到一定作用。