聚乳酸/曲酸抗氧化活性包裝膜的制備及性能研究

張子墨,王月嬌,王夏楠,裴令棟,徐娜,彭勇

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 泰安,271000)

食品包裝是防止外界污染,減少食品不良反應(yīng)的外部保護(hù),相對(duì)于傳統(tǒng)食品包裝而言,活性包裝是一種全新意義上的包裝,是通過提高食品包裝的功能以延長食品貨架期或改善食品質(zhì)量的包裝技術(shù)[1-3]。向包裝基質(zhì)中添加天然的抗氧化活性物質(zhì),而不是直接添加到食品本身,可以減少活性物質(zhì)的損失、增強(qiáng)使用效果[4]。

在食品包裝領(lǐng)域,可降解類的生物基食品包裝材料天然、安全、不造成環(huán)境污染,一直都是研究的熱點(diǎn)。聚乳酸(polylactic acid,PLA)是一種應(yīng)用較為廣泛的生物基食品包裝材料,可完全由玉米淀粉、土豆等可再生資源加工制成,在微生物的作用下被完全分解為水和CO2,具有良好的安全性、機(jī)械性能、生物相容性和較高的透明度[5-6]。以PLA為基質(zhì)生產(chǎn)的食品包裝具有出色的阻隔性,通常用于貯藏食物[7]。向基質(zhì)中加入抗氧化物質(zhì)[8]、抑菌物質(zhì)[9],通過活性成分的釋放控制食品中有害物質(zhì)的生長,可以達(dá)到延長食品保質(zhì)期的目的。

曲酸是由曲霉菌、醋酸桿菌等多種微生物經(jīng)好氧發(fā)酵產(chǎn)生的一種弱酸性代謝物,它能通過螯合酶活性部位的Cu2+使酪氨酸酶失活從而抑制黑色素的形成[10]。曲酸安全無毒,對(duì)人體無刺激[11],作為一種抗生素,曲酸對(duì)大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的生長具有一定的抑制作用[12]。劉波[13]通過研究發(fā)現(xiàn)曲酸對(duì)蘋果汁的抗褐變效果優(yōu)于抗壞血酸和檸檬酸,在較低的濃度下就能達(dá)到抑制蘋果多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性的目的。LIU等[14]研究殼聚糖-曲酸復(fù)合膜發(fā)現(xiàn),殼聚糖中加入曲酸后,薄膜的力學(xué)性能明顯提高且具有顯著的抗菌效果。呂艷芳等[15]研究不同濃度曲酸對(duì)蘑菇PPO的抑制作用,發(fā)現(xiàn)0.3 mmol/L的曲酸可以使蘑菇PPO活性降至原酶活性的7.12%。近年來,曲酸及其衍生物在化妝品和醫(yī)藥行業(yè)的研究與應(yīng)用較為廣泛,然而,將曲酸用于聚乳酸食品包裝的研究卻鮮有報(bào)道。

本文以曲酸為天然抗氧化劑添加到聚乳酸基材中,制備抗氧化的食品活性包裝膜,探索曲酸對(duì)活性包裝膜的物理性能、抗氧化性能、化學(xué)結(jié)構(gòu)等的影響,以期為基于聚乳酸的新型食品活性包裝膜的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

聚乳酸,寧波志展新材料有限公司；曲酸,濟(jì)南允誠生物科技有限公司；三氯甲烷、無水乙醇、甲醇、無水氯化鈣、氯化鈉(均為分析純),天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical,DPPH)(分析純),華藍(lán)化工科技有限公司；蘋果,泰安市泰山區(qū)大潤發(fā)超市。

1.2 主要儀器設(shè)備

AL204型電子天平,梅特勒-托利多儀器有限公司；0～25 mm螺旋測微器,南京蘇測計(jì)量儀器有限公司；WSC-S色差儀,上海精密科學(xué)儀器有限公司；UV-5100B紫外分光光度計(jì),上海元析儀器有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式真空泵,鄭州長城科技工貿(mào)有限公司；78-1磁力加熱攪拌器,常州國華電器有限公司；IX73倒置熒光顯微鏡,日本奧林巴斯有限公司；Nicolet iS5型FTIR傅里葉紅外光譜儀,賽默飛世爾科技有限公司；XLW拉伸試驗(yàn)機(jī),濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；JSM-6610掃描電子顯微鏡,日本電子株式會(huì)社。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 曲酸抑制蘋果汁褐變的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

取新鮮蘋果,洗凈去皮后快速切分,液氮冷凍粉碎、裝袋,置于冰箱中備用。取4支離心管,依次加入0.5 g蘋果凍粉,再分別加入0、0.01、0.1和1 mg/mL曲酸,靜置觀察其顏色變化。

1.3.2 聚乳酸/曲酸膜的制備

參照ROY等[16]的方法并作適當(dāng)修改,稱取一定量的曲酸粉末,用無水乙醇溶解后得到曲酸溶液,將4 g聚乳酸顆粒溶于100 mL的三氯甲烷溶液中,并與曲酸溶液混合,室溫下磁力攪拌1 h后得到適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乳酸/曲酸膜溶液。攪拌結(jié)束后將膜溶液轉(zhuǎn)移至真空抽濾瓶中,借助真空泵將氣泡除去后倒在提前調(diào)平的水平玻璃板上,于通風(fēng)櫥中室溫干燥5～6 h后成膜,揭膜后放在干燥器中備用。成膜組分的配比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 聚乳酸/曲酸成膜組分配比Table 1 Polylactic acid/kojic acid film forming component ratio

1.3.3 膜的厚度、顏色及不透明度測定

膜厚度的測定采用精度為0.001 mm的螺旋測微器,在膜上隨機(jī)選取6個(gè)點(diǎn)測定,取平均值。

用WSC-S色差儀測定膜的顏色,白板作色差測定參比,每個(gè)處理重復(fù)測定6次,取其平均值,得到膜的L*、a*、b*。

不透明度的測定參照HU等[17]的方法,將薄膜切成矩形,置于比色皿內(nèi)一側(cè),以空白比色皿為對(duì)照,使用紫外分光光度計(jì)測定其在600 nm處的吸光度值,按公式(1)計(jì)算不透明度：

O=A600/L

(1)

式中：O,不透明度；A600,薄膜在600 nm下的吸光度值；L,膜的厚度,mm。

1.3.4 膜的含水量、膨脹程度、水溶性、水蒸氣透過率(water vapor permeability,WVP)的測定

參照孟文博等[18]的方法,將膜切成20 mm×20 mm的方形,記錄膜的初始質(zhì)量為m0。將切好的薄膜放入105 ℃的烘箱中干燥24 h后取出,冷卻后稱量,記錄質(zhì)量為m1,以[(m0-m1)/m0]×100表示膜的含水量。之后將薄膜分別放入30 mL的蒸餾水中,浸泡24 h后取出稱重,記錄為m2,以[(m2-m1)/m1]×100表示膜的膨脹度。最后再放入70 ℃的烘箱中干燥24 h,得到膜的最終質(zhì)量,記為m3,膜的水溶性用[(m1-m3)/m1]×100表示,每個(gè)處理重復(fù)3次。

水蒸氣透過率的測定參照LIAN等[19]的方法,將薄膜(60 mm×60 mm)固定在裝有無水氯化鈣的稱量皿上,氯化鈣與稱量皿口的間隙小于6 mm,記錄此時(shí)稱量皿的質(zhì)量m1。之后將稱量皿放入裝有飽和NaCl溶液的干燥器中,每隔24 h記錄稱量皿質(zhì)量,直至前后2次之差<0.001 g,得到稱量皿質(zhì)量m2,每個(gè)處理重復(fù)3次。按公式(2)計(jì)算水蒸氣透過率:

(2)

式中：m2-m1,通過膜的水的質(zhì)量,g；L,膜的厚度,m；A,薄膜的有效面積,m2；t,時(shí)間,s；ΔP,薄膜兩側(cè)的水蒸氣壓差,Pa。

1.3.5 膜的力學(xué)性能測定

力學(xué)性能的測定參照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的測定 第3部分：薄膜和薄片的試驗(yàn)條件》的方法并適當(dāng)調(diào)整。將樣品切成15 mm×150 mm的矩形,在23 ℃、相對(duì)濕度為53%的條件下放置2 d,用XLW拉伸試驗(yàn)機(jī)測定膜的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率和彈性膜量,以10 mm/min的恒定速度進(jìn)行拉伸直到膜斷裂。

1.3.6 膜的抗氧化性能測試

參照彭勇等[20]的方法,將膜樣品切成20 mm×20 mm的方形,在100 mL蒸餾水中放置1 h,取膜溶液1 mL與3 mL的DPPH甲醇溶液(150 μmol/L)混合,搖勻,以1 mL蒸餾水作為對(duì)照組,在25 ℃下的黑暗中反應(yīng)30 min,用紫外分光光度計(jì)測定其在516 nm下的吸光度,按公式(3)計(jì)算DPPH自由基清除率:

(3)

式中：AS,樣品的吸光值；AC,對(duì)照組的吸光值。

1.3.7 膜中曲酸的釋放測定

參照LIAN等[19]的方法并適當(dāng)調(diào)整,室溫下將膜樣品(20 mm×20 mm)浸泡在含有30 mL的蒸餾水中,每隔一段時(shí)間用移液槍吸取1 mL溶液和4 mL蒸餾水混合后放入離心管中,用紫外分光光度計(jì)測定其在269 nm處的吸光度,每個(gè)處理重復(fù)3次測定。實(shí)驗(yàn)前采用全波段掃描確定曲酸的最大吸收峰,并在此波長下測定溶液的吸光度,以某時(shí)間點(diǎn)曲酸的釋放量占總釋放量的百分比計(jì)算該時(shí)間點(diǎn)曲酸的釋放率,并制作釋放曲線。

1.3.8 膜的傅里葉紅外光譜

參照YE等[21]的方法,并作適當(dāng)調(diào)整。將膜切成20 mm×20 mm的方形,置于干燥器中干燥2周后取出,采用傅里葉變換紅外光譜儀的全反射模式進(jìn)行紅外掃描。光譜分辨率為4 cm-1,在4 000～650 cm-1掃描32次。

1.3.9 膜的表面形態(tài)與截面結(jié)構(gòu)

將薄膜用雙面膠固定于載玻片上,使用IX73倒置熒光顯微鏡觀察膜的表面形態(tài),調(diào)整適當(dāng)?shù)慕咕嗪凸庠磸?qiáng)度觀察并拍照記錄。

將薄膜樣品干燥后在液氮中淬裂,適宜大小的膜粘貼在金屬板上,將淬裂的截面進(jìn)行噴金處理,使用掃描電鏡在15 kV的電壓下放大1 000倍進(jìn)行觀察。

1.4 數(shù)據(jù)處理

結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,所有數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件中ANOVA程序的Duncan法進(jìn)行分析,P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 曲酸對(duì)蘋果汁褐變的影響

不同濃度的曲酸對(duì)蘋果汁褐變的影響見圖1,可以看出,不添加曲酸的對(duì)照組褐變現(xiàn)象最為嚴(yán)重,加入曲酸的蘋果汁液顏色明顯變淡,曲酸濃度越高抑制效果越好,當(dāng)曲酸含量達(dá)到1 mg/mL時(shí),能明顯抑制蘋果汁的褐變。蘋果汁發(fā)生褐變的主要因素是多酚氧化酶,而曲酸可以競爭性抑制PPO活性,螯合Cu2+以及還原形成黑色素的底物醌類化合物[22],此外,曲酸還可以清除一定量的氧自由基來阻止酶促反應(yīng)中對(duì)氧的吸收從而抑制褐變的發(fā)生[13]。

圖1 曲酸濃度對(duì)蘋果凍粉褐變的影響Fig.1 Effect of kojic acid concentration on browning of apple frozen powder

2.2 曲酸濃度對(duì)膜厚度、顏色及不透明度的影響

膜的厚度與構(gòu)成薄膜的組成成分和物質(zhì)含量有關(guān)[17],如表2所示,未添加曲酸的純PLA膜厚度最小,加入2%的曲酸后,膜的厚度略有增加,但無顯著差異。添加4%和6%曲酸的薄膜厚度顯著增加,PK4膜的厚度比純PLA膜增加了9.11%,PK6膜比純PLA膜增加了18.24%,膜厚度的增加可能是聚乳酸與曲酸相互作用的結(jié)果[14]。

薄膜的顏色可以影響消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的選擇和認(rèn)可,對(duì)照組純聚乳酸膜的L*、a*、b*值分別為92.93、0.04、3.29。加入曲酸后,復(fù)合膜與純聚乳酸膜相比都表現(xiàn)為L*、a*值降低,b*值顯著增加,即亮度下降、黃色增加,這與LIU等[14]將曲酸添加到殼聚糖膜的結(jié)果相似。但PK6薄膜的b*值更大,達(dá)到31.23,表明高濃度的曲酸會(huì)造成聚乳酸膜顏色的明顯變化。

薄膜具有一定的遮光性能可以減輕外界光照及輻射對(duì)食品產(chǎn)生不良影響,所以不透明度是決定食品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[17]。由表2可以看出,加入曲酸后,薄膜的不透明度降低,其中PK4和PK6處理組分別比對(duì)照組下降了5.40%和9.61%,不透明度的差異主要與膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)[23]。

表2 曲酸濃度對(duì)聚乳酸膜厚度、顏色及不透明度的影響Table 2 Effect of kojic acid concentration on thickness, color and opacity of polylactide film

2.3 曲酸濃度對(duì)膜含水量、膨脹度、水溶性及水蒸氣透過率的影響

如表3所示,純PLA膜的含水量最低,為9.51%,隨著曲酸濃度的增加,含水量逐漸上升,各處理間差異顯著,復(fù)合膜含水量增加的原因可能與曲酸的加入使復(fù)合膜形成了更多的氫鍵有關(guān)[7]。膨脹度和水溶性取決于膜中氫鍵的增減、氨基或羧基的離子化及膜結(jié)構(gòu)的再松弛,反映了薄膜對(duì)外界水分的抵制能力[19,23],表3中PK2膜的膨脹度最大,為10.38%,而PK6膜的膨脹度最小,兩者差異顯著,這可能由于少量的曲酸干擾了聚乳酸膜的氫鍵作用,但過量的曲酸重排了復(fù)合膜的氫鍵,使得復(fù)合膜抵制水分的能力增強(qiáng)。

食品包裝膜能有效地避免食品與周圍環(huán)境的水分轉(zhuǎn)移,防止食品中水分的流失,從而保持較長的貨架期,這要求薄膜的WVP應(yīng)盡可能低[17]。由表3可知,對(duì)照組純PLA膜的WVP最高,加入曲酸后,薄膜的WVP顯著下降,WVP的下降可能是PLA與曲酸結(jié)合后導(dǎo)致親水基團(tuán)減少,從而限制了水分子的移動(dòng)所致。

表3 膜的含水量、膨脹度、水溶性和水蒸氣透過率Table 3 Water content,swelling degree,water solubility and water vapor permeability of films

2.4 膜的力學(xué)性能

一定的延展性和適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度是生物基可降解薄膜在運(yùn)輸過程中保持完整性和阻隔性的關(guān)鍵[14]。圖2和圖3顯示了薄膜的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率及彈性模量。

由圖2、3所示,對(duì)照膜的拉伸強(qiáng)度為18.99 MPa,斷裂伸長率為16.97%,彈性膜量為1 468.29 MPa,具有一定的脆性。PK2膜的抗拉強(qiáng)度與彈性膜量較對(duì)照膜差異不大,這可能取決于曲酸在PLA基質(zhì)中良好的分散性。而PK4膜和PK6膜的抗拉強(qiáng)度較對(duì)照膜顯著增加,這可能是因?yàn)镻LA基質(zhì)與曲酸發(fā)生了分子間的強(qiáng)相互作用。與對(duì)照膜相比,PK4膜和PK6膜的彈性膜量也顯著增加。薄膜的斷裂伸長率隨著曲酸濃度的增加而逐漸增加,這與在殼聚糖膜中添加曲酸[14]和在聚乳酸膜中添加木質(zhì)素[6]的效果類似,表明曲酸增加了分子鏈的移動(dòng)性。

圖2 曲酸濃度對(duì)薄膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響Fig.2 Effect of kojic acid concentration on tensile strength and elongation at break of films

圖3 膜的彈性膜量Fig.3 Elasticity of films

2.5 曲酸濃度對(duì)膜抗氧化活性的影響

由圖4可以看出,樣品的DPPH自由基清除率與薄膜中曲酸的濃度呈正比關(guān)系,純PLA膜抗氧化能力極低,幾乎檢測不到,隨著曲酸濃度的增加,薄膜的DPPH自由基清除率顯著上升,曲酸濃度為4%和6%時(shí)分別達(dá)到51.75%和64.21%,抗氧化性的提高與薄膜中曲酸的釋放有關(guān)。

圖4 曲酸濃度不同的薄膜的自由基清除率Fig.4 Free radical scavenging rate of kojic acid films with different concentrations

2.6 膜中曲酸的釋放動(dòng)力學(xué)曲線

如圖5所示,所有處理組中曲酸的釋放呈現(xiàn)先快后慢的趨勢,在0.5 h內(nèi)釋放較快,而后釋放變慢(由于對(duì)照膜中沒有檢測到曲酸,作圖時(shí)未列出),這與百里香、姜黃素及其他抗氧化成分在聚乳酸膜中的釋放規(guī)律是相似的[4,16]。從3個(gè)濃度的曲酸處理比較來看,PK2膜中曲酸的釋放速率最慢,在0.5 h時(shí)PK2處理組釋放率達(dá)到57.13%,隨著膜中曲酸濃度的增加,其釋放速率逐漸增加,但PK4和PK6膜的釋放率差異并不明顯。復(fù)合膜中活性物質(zhì)的釋放可能與膜在蒸餾水中的溶解、膨脹以及膜的成分組成、氫鍵數(shù)量、功能基團(tuán)相互作用有關(guān)[19]。所有處理的釋放速率均呈現(xiàn)先快后慢的趨勢,這可能是因?yàn)槟偨胝麴s水時(shí),膜表面的曲酸直接溶解在蒸餾水中,導(dǎo)致前期檢測到的曲酸釋放速率快；中后期曲酸的釋放速率逐漸變慢,可能是由于復(fù)合膜的溶脹,內(nèi)部的曲酸逐步遷移造成的,姜黃素構(gòu)建的聚乳酸復(fù)合膜在蒸餾水中也表現(xiàn)出類似的釋放規(guī)律[16]。

圖5 不同復(fù)合膜中曲酸在蒸餾水中的釋放結(jié)果Fig.5 Release rate of kojic acid from different composite membranes in distilled water

2.7 膜的傅里葉紅外光譜分析

圖6 曲酸濃度不同的薄膜的傅里葉紅外光譜圖Fig.6 FTIR spectra of kojic acid films with different concentrations

2.8 曲酸濃度對(duì)膜表面形態(tài)與截面結(jié)構(gòu)的影響

圖7顯示了含不同濃度曲酸的聚乳酸薄膜的表面和截面形態(tài),通過IX73倒置熒光顯微鏡可以觀察到,純PLA膜的表面光滑、平整,而加入2%的曲酸后,薄膜表面變得粗糙,有明顯的顆粒狀結(jié)構(gòu),曲酸均勻地分布在PLA基質(zhì)中；當(dāng)曲酸濃度為4%和6%時(shí),薄膜的表面外觀發(fā)生顯著變化,PK4膜表面可以觀察到明顯的波紋,PK6膜的表面紋理減少,這可能與曲酸和PLA基質(zhì)的相互作用有關(guān)。

從截面圖中也可以看出,對(duì)照的聚乳酸膜截面結(jié)構(gòu)致密均勻、無裂紋,有蜂窩狀孔隙,這與PHAECHAMUD等[25]對(duì)聚乳酸結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果是相似的,聚乳酸做成的薄膜會(huì)通過分子鏈交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)加入曲酸時(shí),膜的結(jié)構(gòu)不再均勻一致,隨著曲酸濃度的增加,膜的孔隙減少,膜更致密緊湊,顆粒狀明顯。ROY等[16]研究表明曲酸的官能團(tuán)可與殼聚糖的羥基和氨基相互作用,從而影響膜的結(jié)構(gòu),本實(shí)驗(yàn)也表明曲酸可以通過分子間相互作用影響聚乳酸膜的微觀結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

曲酸對(duì)蘋果汁液的褐變具有一定的抑制作用,1 mg/mL的曲酸就可以觀察出明顯的效果。膜溶液中加入曲酸后顯著提高了復(fù)合膜的DPPH自由基清除率,抗氧化能力顯著提高。由于曲酸本身顏色及復(fù)合膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響,膜的不透明度、亮度下降,黃色顯著增加。4%和6%曲酸可以使復(fù)合膜的膨脹度及WVP同時(shí)降低。與純PLA膜和加入2%曲酸的復(fù)合膜相比,4%和6%曲酸使膜的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率及彈性膜量同時(shí)增加,提高了膜的力學(xué)性能。此外,加入曲酸后薄膜在1 750 cm-1處的峰值減弱,表明分子間的相互作用增強(qiáng),4%曲酸使薄膜產(chǎn)生了新的化學(xué)鍵,增強(qiáng)了復(fù)合膜組分分子鏈之間的相互作用,導(dǎo)致復(fù)合膜表面出現(xiàn)明顯的波紋,表現(xiàn)出明顯的曲酸濃度響應(yīng),但曲酸和PLA基質(zhì)的作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

a-CK；b-PK2；c-PK4；d-PK6注：上圖,薄膜的表面形態(tài)；下圖,截面結(jié)構(gòu)圖7 曲酸濃度不同的薄膜的表面形態(tài)和截面結(jié)構(gòu)Fig.7 Surface morphology and cross section structure of films with different kojic acid concentration