茶多酚@沸石咪唑酯骨架材料/殼聚糖/海藻酸鈉活性包裝膜的制備及表征

蔡 月，王夢(mèng)軍，年琳玉，程抒劼，曹崇江,*，黃志剛

（1.中國(guó)藥科大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 211198；2.北京工商大學(xué)化學(xué)材料與工程學(xué)院，中國(guó)輕工業(yè)綠色塑料成型技術(shù)與質(zhì)量評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

果蔬食品活性包裝是果蔬食品產(chǎn)業(yè)的重要一環(huán)，合適的包裝不僅可以提高客戶的購(gòu)買力，還可以使產(chǎn)品盡可能維持在高營(yíng)養(yǎng)與品質(zhì)狀態(tài)下。初級(jí)包裝是指直接包裹果蔬食品表面的涂層/薄膜。目前的初級(jí)包裝主要由高分子聚合物如聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯等材料制成。一般來(lái)說(shuō)，有效的初級(jí)包裝有助于果蔬保藏，但只是防止化學(xué)、物理和微生物損傷的非功能性物理屏障。這類難降解的包裝膜不僅對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，而且還會(huì)因?yàn)槠渲杏泻ξ镔|(zhì)和化學(xué)物質(zhì)與食品直接接觸，造成食品的質(zhì)量安全隱患和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值損失。通過(guò)在初級(jí)包裝中加入可生物降解的材料、納米顆粒、天然活性提取物以開(kāi)發(fā)活性食品包裝，能夠同時(shí)保持食品的質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)，延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期，并減少食品包裝對(duì)環(huán)境造成的影響，是目前食品包裝研究的大趨勢(shì)。

天然聚合物如殼聚糖（chitosan，CS）、海藻酸鈉（sodium alginate，SA）、淀粉、明膠等由于其天然來(lái)源和較高的降解特性而引起了相關(guān)研究者的廣泛關(guān)注。已有許多研究將CS制備成涂膜、納米微粒、復(fù)合膜等形式用于食品包裝。而單獨(dú)使用SA制備成的薄膜機(jī)械性能較差，通常使用其他生物聚合物如CS、纖維素等進(jìn)行改性，來(lái)提高SA的機(jī)械性能和阻隔性能。

目前最重要的食品安全問(wèn)題之一是由各種微生物（如病毒、細(xì)菌和真菌）引起的食源性疾病。除了微生物生長(zhǎng)外，氧化是各種類型食物變質(zhì)的重要原因，它會(huì)導(dǎo)致食物的營(yíng)養(yǎng)和感官質(zhì)量的損失，甚至可能導(dǎo)致有毒醛的形成。因此集抗氧化和抗菌功能于一體的活性包裝是重要的研究方向。

茶多酚（tea polyphenols，TP）是一類從茶葉中提取的天然酚類物質(zhì)的統(tǒng)稱。因其獨(dú)特的抗氧化和抗菌特性而受到醫(yī)藥和食品行業(yè)的廣泛關(guān)注。然而，TP在加工和貯藏過(guò)程中非常不穩(wěn)定，對(duì)溫度、光照、pH值等環(huán)境因素非常敏感。因此，TP的利用需要有效的保護(hù)機(jī)制以維持其活性。

金屬有機(jī)框架（metal-organic frameworks，MOFs）又稱多孔配位聚合物（porous coordination polymers，PCPs），是由無(wú)機(jī)節(jié)點(diǎn)（金屬離子/簇）與有機(jī)配體通過(guò)自組裝的方式構(gòu)成的一類多孔晶體材料，具有較高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。先前的研究表明，MOFs與生物分子之間的相互作用可以有效地影響生物分子的物理化學(xué)性質(zhì)，從而改善生物分子的性能，例如MOFs可以作為載體封裝酶、藥物、納米材料、天然活性產(chǎn)物等從而提高這些物質(zhì)的穩(wěn)定性，并達(dá)到緩釋的效果。目前已經(jīng)合成了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MOFs材料，沸石咪唑酯骨架材料（zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs）是其中的一種。ZIFs是利用Zn或Co與咪唑配位自組裝形成的一類金屬有機(jī)骨架材料，其中，ZIF-8是一種典型的ZIFs材料，其通過(guò)Zn與2-甲基咪唑配位組裝后具有方鈉石拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性可達(dá)420 ℃。已有文獻(xiàn)報(bào)道，敏感型天然活性物質(zhì)姜黃素被封裝到納米晶體ZIF-8后，其水溶性和穩(wěn)定性都得到了改善。

由于目前鮮見(jiàn)將TP封裝于MOFs材料中并制備成包裝的應(yīng)用，因此本實(shí)驗(yàn)以CS和SA為成膜基質(zhì)，并以TP@ZIF-8納米復(fù)合材料為功能性成分，通過(guò)層層組裝的方式制備TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜?？疾鞆?fù)合膜的形貌、阻隔性能、抗氧化性能以及抑菌性能，以期為果蔬保鮮提供新思路。

1 材料與方法

1.1 菌株、材料與試劑

革蘭氏陽(yáng)性菌（美國(guó)模式培養(yǎng)物集存庫(kù)（American Type Culture Collection，ATCC）6538）和革蘭氏陰性菌（ATCC 25922）ATCC。

CS（脫乙酰度≥95%，黏度100～200 MPa·s）上海麥克林生化科技有限公司；SA、TP 上海源葉生物科技有限公司；六水硝酸鋅、2-甲基咪唑（均為分析純） 阿拉丁試劑（上海）有限公司；冰醋酸、甘油（均為分析純） 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SU8020場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（field emission scanning electron microscope，SEM） 日本日立公司；UV-2600紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)、DTG-60熱重分析儀（thermal gravimetric analyzer，TGA） 日本島津公司；Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR）儀、MULTISKAN GO酶標(biāo)儀 美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司；ME204電子天平 瑞士梅特勒托利多儀器有限公司；SW-CJ-1FD超凈臺(tái)、SPX-100B-Z生化培養(yǎng)箱上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司；THZ-C-1搖床蘇州培英實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；TA-XT質(zhì)構(gòu)儀英國(guó)Stable Micro Systems公司；CS-280色差儀 杭州彩譜科技有限公司；DSC 204 F1差示掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC） 德國(guó)耐馳儀器制造有限公司；數(shù)字千分尺 東莞市三量五金器械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 ZIF-8的制備

ZIF-8的合成參考文獻(xiàn)[21]的方法并稍作修改。首先將Zn(NO)溶液加入2-甲基咪唑溶液，混合溶液中Zn與2-甲基咪唑濃度比為1∶70，室溫下劇烈攪拌10 min；然后10 000 r/min離心10 min收集白色粉末狀沉淀，用純水洗滌3 次后在60 ℃的烘箱中干燥24 h，得到ZIF-8備用，常溫避光貯藏。

1.3.2 TP@ZIF-8的制備

分別將40 mL不同質(zhì)量濃度（0.625、1.250、1.875、2.500、3.125、3.750 mg/mL）的TP溶液加入10 mL 0.197 mol/L Zn(NO)溶液中。超聲攪拌30 min使其均勻分散后，在室溫下快速加入40 mL 3.456 mol/L 2-甲基咪唑水溶液中，用頂置電動(dòng)攪拌器劇烈攪拌20 min，轉(zhuǎn)速為500 r/min，混合溶液中Zn與2-甲基咪唑的濃度比為1∶70。然后10 000 r/min離心10 min，收集上清液（后續(xù)用于測(cè)定TP質(zhì)量濃度）和灰色粉末沉淀，用純水洗滌沉淀3 次，然后在40 ℃的烘箱中干燥24 h，得到TP@ZIF-8后稱量質(zhì)量，常溫避光貯藏備用。

1.3.3 TP@ZIF-8的表征

采用TGA對(duì)TP、ZIF-8、TP@ZIF-8（用3.125 mg/mL的TP溶液制備的樣品）的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。加熱速率為20 ℃/min，熱分解溫度為30～800 ℃。對(duì)2 mg樣品在25～300 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行DSC分析，加熱速率為20 ℃/min。利用Nicolet iS50 FT-IR儀分析TP、ZIF-8、TP@ZIF-8（用3.125 mg/mL的TP溶液制備的樣品），掃描波數(shù)范圍為300～4 000 cm。采用SU8020場(chǎng)發(fā)射SEM觀察ZIF-8、TP@ZIF-8（用3.125 mg/mL的TP溶液制備的樣品）微觀形貌，加速電壓15 kV。并進(jìn)行復(fù)合材料的包封率、裝載率、TP釋放率、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除能力的測(cè)定。

1.3.3.1 裝載率及包封率測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[22]的方法進(jìn)行裝載率和包封率的測(cè)定并稍作修改。采用福林-酚法測(cè)定1.3.2節(jié)上清液中TP的質(zhì)量濃度。取0.5 mL 0.25mol/L的福林-酚試劑與0.5 mL的各樣品液充分混合并靜置3 min，再加入1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)15% NaCO溶液，靜置30 min后，通過(guò)酶標(biāo)儀在760 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度。同時(shí)配制2 mg/mL的沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，并依次稀釋至0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/mL，與福林-酚溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)15% NaCO反應(yīng)，在760 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。TP的包封率及納米粒子的裝載率分別按式（1）、（2）計(jì)算。

式中：為加入TP質(zhì)量/g；為將樣品吸光度代入標(biāo)準(zhǔn)曲線中計(jì)算出的TP質(zhì)量濃度/（mg/mL）；為上清液的體積/mL；為1.3.2節(jié)最終干燥后的TP@ZIF-8質(zhì)量/g。

1.3.3.2 緩釋行為模擬及TP釋放率測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[22]的方法并稍作修改進(jìn)行緩釋行為的模擬及TP釋放率的測(cè)定。將50 mg TP和TP@ZIF-8（用3.125 mg/mL的TP溶液制備的樣品）分別溶于20 mL蒸餾水中，然后將混合溶液分別裝入透析袋中，將2 個(gè)透析袋分別放入盛有400 mL pH 7.4、0.04 mol/L（后同）磷酸鹽緩沖液（phosphate buffered saline，PBS）的燒杯中，并在37 ℃、120 r/min的水浴振蕩器中持續(xù)振蕩。分別在2、4、6、8、10、12、24、36 h從燒杯取出5 mL PBS（即緩釋液），然后在兩個(gè)燒杯中分別補(bǔ)充等體積新鮮PBS。將取出的PBS通過(guò)福林-酚法測(cè)定TP質(zhì)量濃度。TP釋放率按式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：、分別為T(mén)P緩釋液、TP@ZIF-8緩釋液的中TP質(zhì)量濃度/（mg/mL）。

1.3.3.3 DPPH自由基清除能力的測(cè)定

DPPH自由基清除率實(shí)驗(yàn)根據(jù)文獻(xiàn)[23]的方法并稍作修改。用50%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇配制5×10mol/L DPPH-乙醇溶液備用。分別將0.100 0 g TP、ZIF-8、TP@ZIF-8溶于1 mL蒸餾水中配制成樣品溶液。分別向200 μL各樣品溶液中加入200 μL上述DPPH-乙醇溶液，靜置避光反應(yīng)20 min后用酶標(biāo)儀測(cè)定517 nm波長(zhǎng)處的吸光度，以50%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇作為空白對(duì)照測(cè)定吸光度。DPPH自由基清除率按式（4）計(jì)算。

式中：為樣品溶液與DPPH溶液的吸光度；為空白對(duì)照的吸光度。

1.3.4 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的制備

采用層層組裝的方法制備CS/SA雙層復(fù)合膜。首先在100 mL超純水中加入1.0 g CS，然后加入0.50 mL冰醋酸（純度≥99.5%）使其溶解，再加入0.4 g甘油作為增塑劑。CS溶解后，利用超聲波消除泡沫，然后將CS溶液倒入25 cm×25 cm的模具中，在40 ℃烘箱中干燥4 h。之后將1.0 g SA加入100 mL超純水，再加入0.4 g甘油作為增塑劑，攪拌溶解后50 Hz超聲去除泡沫。再將SA溶液倒在CS膜表面，在40 ℃烘箱中干燥12 h，直到CS/SA復(fù)合膜完全干燥即得到CS/SA復(fù)合膜。

類似地，采用層層組裝的方法制備TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜。首先，將100 mL CS溶液（質(zhì)量濃度為0.01 g/mL）溶解后加入模具中干燥4 h，得到CS膜，然后分別在100 mL超純水中加入0.010 0、0.025 0、0.050 0 g TP@ZIF-8納米復(fù)合材料，50 Hz超聲分散處理30 min，再向上述溶液中加入1.0 g SA和0.4 g甘油。待SA完全溶解后，將溶液倒在CS膜上，在40 ℃烘箱中干燥12 h，待TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜完全干燥，得到添加量分別為1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后同）、2.5%、5% TP@ZIF-8復(fù)合材料的TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜（以CS/SA復(fù)合膜作為添加量0%的TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜）。

1.3.5 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的表征

1.3.5.1 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的SEM表征

取TP@ZIF-8添加量分別為0%、5%的TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜樣品參考1.3.3節(jié)方法采用SEM觀察其微觀形貌。

1.3.5.2 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的厚度、色澤測(cè)定

利用數(shù)字千分尺對(duì)復(fù)合膜的厚度進(jìn)行測(cè)量。用CS-280色差儀測(cè)定復(fù)合膜的*（亮度）、*（紅/綠度）值，以標(biāo)準(zhǔn)白板為背景，在每個(gè)膜表面隨機(jī)選取10 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.5.3 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性表征

參考1.3.3節(jié)方法，采用TGA和DSC對(duì)剪碎的薄膜樣品的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1.3.5.4 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的FT-IR表征

取剪碎的TP@ZIF-8添加量為5%的TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜、SA固體粉末、CS固體粉末參考1.3.3節(jié)方法進(jìn)行FT-IR分析。

1.3.5.5 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的穿刺強(qiáng)度

根據(jù)Kurek等的方法并稍作修改測(cè)定TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的穿刺強(qiáng)度。首先，將復(fù)合膜切成長(zhǎng)2.5 cm×2.5 cm的正方形，穿刺速率設(shè)置為50 mm/min，薄膜樣品平展于夾具中并夾緊，測(cè)定穿刺強(qiáng)度，每組5 個(gè)平行。

1.3.5.6 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的氧氣透過(guò)率

氧氣透過(guò)率的測(cè)定參考文獻(xiàn)[25]并稍作修改。用薄膜將裝有脫氧劑的50 mL離心管密封，稱量離心管初始質(zhì)量后，放入盛有飽和氯化鋇溶液（相對(duì)濕度85%）的干燥器中48 h。氧氣透過(guò)率按式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Δ為離心管增加的質(zhì)量/g；為測(cè)定時(shí)間/h；為離心管口的面積/m。

1.3.5.7 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的二氧化碳透過(guò)率

二氧化碳透過(guò)率參考文獻(xiàn)[26]進(jìn)行測(cè)定。在50 mL離心管中加入濃氫氧化鈉溶液（10 mol/L），然后將薄膜固定在50 mL離心管的管口并稱量質(zhì)量/g，48 h后稱量離心管的質(zhì)量/g。二氧化碳透過(guò)率按式（6）進(jìn)行計(jì)算。

式中：為測(cè)定時(shí)間/h；為離心管口的面積/m。

1.3.5.8 透光率和不透明度

透光率是影響消費(fèi)者對(duì)食品質(zhì)量敏感度的重要因素，而不透明度是決定活性包裝膜質(zhì)量的重要因素。透光率和不透明度的測(cè)定參考文獻(xiàn)[27]。將待測(cè)復(fù)合膜裁成50 mm×6 mm的長(zhǎng)條，利用UV-2600紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定200～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透光率以及600 nm波長(zhǎng)處的吸光度，以空的比色皿作為空白對(duì)照。每個(gè)試樣重復(fù)3 次，取平均值。透光率越大表明膜的透光性越強(qiáng)。膜不透明度按式（7）進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值越大表明試樣的不透明度越高。

式中：為600 nm波長(zhǎng)處的吸光度；為膜的厚度/mm。

1.3.6 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜抑菌實(shí)驗(yàn)

以和為模型細(xì)菌驗(yàn)證TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的抑菌效果。將貯藏于-80 ℃的菌種取出，置于37 ℃的恒溫水浴鍋中10 min，再分別取500 μL和菌種接種至200 mL新鮮LB液體培養(yǎng)基（含10 g/L胰蛋白胨、5 g/L酵母提取物、10 g/L NaCl，pH 7.0），在搖床中37 ℃培養(yǎng)24 h后10 000 r/min離心10 min，分別收集和菌體沉淀。加入生理鹽水重懸細(xì)菌，調(diào)整菌體濃度為1×10CFU/mL。然后稱取200 mg的不同復(fù)合膜，并將其剪碎，分別加入30 mL和菌液中，孵育12 h，以不添加復(fù)合膜的菌液作為對(duì)照。然后將上述處理的菌液稀釋1 000 倍，取50 μL的菌液均勻涂布于平板上，在培養(yǎng)箱培養(yǎng)12 h后，用Image J軟件進(jìn)行計(jì)數(shù)，按式（8）計(jì)算抑菌率。

式中：為對(duì)照組平板上的菌落數(shù)/個(gè)；為添加復(fù)合膜樣品組平板上的菌落數(shù)/個(gè)。

1.3.7 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜抗氧化活性測(cè)定

TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜DPPH自由基清除率的測(cè)定參考1.3.3.3節(jié)方法并略作修改，將樣品剪切成50 mm×50 mm的正方形，然后放入盛有100 mL 50%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇的燒杯中，溶解成透明的膠狀體。然后通過(guò)抽濾系統(tǒng)獲得洗脫液備用。將1.0 mL的洗脫液與2.0 mL的60 μmol/L DPPH-50%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇溶液混合制成DPPH測(cè)定液。將混合物置于室溫（25 ℃）黑暗環(huán)境下孵育1 h。然后使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定混合溶液在517 nm波長(zhǎng)處的吸光度。以50%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇作為空白對(duì)照。按式（4）計(jì)算DPPH自由基清除率。

2,2’-聯(lián)氮-雙-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（2,2’-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)，ABTS）陽(yáng)離子自由基清除率測(cè)定參考文獻(xiàn)[23]方法并稍作修改。將1.0 mL洗脫液和2.0 mL ABTS反應(yīng)溶液混合，以50%乙醇作為空白對(duì)照，室溫黑暗處反應(yīng)1 h。用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定混合溶液在734 nm波長(zhǎng)處的吸光度。按式（9）計(jì)算ABTS陽(yáng)離子自由基清除率。

式中：為樣品液體與ABTS反應(yīng)液在靜置避光條件下反應(yīng)1 h后在734 nm波長(zhǎng)處的吸光度；為空白對(duì)照的吸光度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用鄧肯檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析，＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 TP@ZIF-8的形貌表征結(jié)果

首先通過(guò)一鍋法合成了ZIF-8，通過(guò)類似的方法合成TP@ZIF-8納米復(fù)合材料，即將TP分散到含有Zn和2-甲基咪唑的溶液中，Zn可與2-甲基咪唑中的N原子配位形成ZIF-8，ZIF-8直接包裹TP形成TP@ZIF-8納米復(fù)合材料。ZIF-8和TP@ZIF-8在SEM下的微觀形貌和粒徑分布如圖1所示。ZIF-8呈規(guī)則的十二面晶體，與管靖瑋的研究結(jié)果一致；且ZIF-8大小較均一，平均粒徑為（55.79±8.18）nm；添加TP后，TP@ZIF-8的尺寸增大，平均粒徑為（82.79±11.95）nm，且TP@ZIF-8顆粒的表面較ZIF-8粗糙。

圖1 ZIF-8和TP@ZIF-8的微觀形貌（A）及粒徑分布（B）Fig. 1 Microstructure (A) and particle size distribution (B) of ZIF-8 and TP@ZIF-8

2.2 TP@ZIF-8納米復(fù)合材料的DPPH自由基清除能力

DPPH自由基清除能力是評(píng)價(jià)物質(zhì)抗氧化能力的常用指標(biāo)之一。由圖2可知，隨著TP@ZIF-8納米復(fù)合材料中TP添加量的逐漸增加，TP@ZIF-8的DPPH自由基清除能力呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)TP溶液的質(zhì)量濃度為3.125 mg/mL時(shí)，TP@ZIF-8的DPPH自由基清除能力最高。TP@ZIF-8復(fù)合材料的DPPH自由基清除能力介于ZIF-8和TP之間。以上結(jié)果說(shuō)明TP@ZIF-8具有優(yōu)異的抗氧化能力，同時(shí)側(cè)面證明TP@ZIF-8納米復(fù)合材料合成成功。

圖2 TP@ZIF-8的DPPH自由基清除能力Fig. 2 DPPH radical scavenging capacity of TP@ZIF-8

2.3 TP@ZIF-8納米復(fù)合材料的包封率及裝載率

不同TP質(zhì)量濃度下形成的TP@ZIF-8納米材料的包封率和裝載率如圖3所示，當(dāng)TP質(zhì)量濃度逐漸增加時(shí)，包封率呈現(xiàn)出先增加后逐漸變緩的趨勢(shì)，當(dāng)TP質(zhì)量濃度達(dá)到2.500 mg/mL時(shí)，包封率不再增加，原因可能是TP的—OH與Zn形成的配位鍵已達(dá)到飽和。而裝載率與TP質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，原因可能是隨著TP質(zhì)量濃度的增加，TP@ZIF-8的產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢，速率遠(yuǎn)不及TP質(zhì)量濃度增加速率，因此裝載率依次遞增。

圖3 不同質(zhì)量濃度TP溶液制備TP@ZIF-8納米材料的包封率和裝載率Fig. 3 Encapsulation rates and loading rates of TP@ZIF-8 nanomaterials formed with different concentrations of tea polyphenol

2.4 TP@ZIF-8納米復(fù)合材料的TP釋放率

純TP溶液和TP@ZIF-8溶液在37 ℃、pH 7.4的PBS中釋放TP的效果如圖4所示，純TP溶液釋放速率快，在透析6 h時(shí)釋放率即達(dá)到22.40%，這可能是由于TP分子質(zhì)量較低，因而在沒(méi)有其他作用力的情況下便很快地?cái)U(kuò)散。而通過(guò)ZIF-8搭載的TP在透析開(kāi)始的前2 h出現(xiàn)爆發(fā)釋放，釋放率達(dá)2.10%，然后釋放速率逐漸變緩，在透析4 h及6 h時(shí)的釋放率分別為2.67%和3.05%，之后釋放率變化較小。說(shuō)明ZIF-8載體可以實(shí)現(xiàn)TP的緩慢釋放，達(dá)到延長(zhǎng)TP釋放時(shí)間的效果。TP@ZIF-8最初以近乎恒定的速率釋放TP，該釋放行為遵循零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。隨后是持續(xù)穩(wěn)定的釋放，這種行為可歸因于初始爆發(fā)釋放后CS納米粒溶脹形成凝膠，其對(duì)TP的釋放起控制作用。

圖4 純TP溶液和TP@ZIF-8納米復(fù)合材料溶液的TP釋放率Fig. 4 TP release rates of pure TP solution and TP@ZIF-8 nanocomposite solution

2.5 TP@ZIF-8納米復(fù)合材料的FT-IR分析結(jié)果

ZIF-8、TP、TP@ZIF-8的FT-IR分析結(jié)果如圖5所示。ZIF-8和TP@ZIF-8在600～1 500 cm之間都出現(xiàn)特征吸收峰，歸因于咪唑環(huán)的振動(dòng)。421 cm處的吸收峰歸因于Zn-N振動(dòng)。3 135 cm處的吸收峰歸因于ZIF-8和TP@ZIF-8中不飽和烴C-H的輕度伸縮振動(dòng)。ZIF-8中2 962 cm處的吸收峰歸因于飽和烴的C-H（CH）反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，2 966 cm處的吸收峰歸因于TP@ZIF-8中飽和烴的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)。與ZIF-8相比，在TP和TP@ZIF-8中可以觀察到苯環(huán)的伸縮振動(dòng)峰，TP的吸收峰位于1 629、1 610 cm處，TP@ZIF-8的吸收峰位于1 597、1 565 cm處，表明TP可通過(guò)自組裝法封裝到ZIF-8中。綜上所述，在TP@ZIF-8中觀察到ZIF-8和TP的特征峰，證明TP@ZIF-8合成成功。

圖5 ZIF-8、TP、TP@ZIF-8的FT-IR圖Fig. 5 FT-IR spectra of ZIF-8, TP and TP@ZIF-8

2.6 TP@ZIF-8納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性

通過(guò)TGA對(duì)制備材料的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，如圖6所示，TP和TP@ZIF-8在200 ℃前質(zhì)量都輕微降低。ZIF-8在300 ℃左右時(shí)出現(xiàn)第1個(gè)質(zhì)量損失階段，是由于孔外溶劑分子的失去。300～646 ℃是質(zhì)量逐漸損失的階段，幾乎沒(méi)有平臺(tái)期，原因可能是ZIF-8的結(jié)構(gòu)被破壞，ZIF-8的框架開(kāi)始崩塌，說(shuō)明其具有良好的熱穩(wěn)定性；而TP@ZIF-8在595 ℃開(kāi)始分解，雖然與ZIF-8相比分解溫度降低，但是總體上保留了ZIF-8較好的熱穩(wěn)定性。

圖6 ZIF-8（A）、TP（B）、TP@ZIF-8（C）的TGA曲線Fig. 6 TGA curves of ZIF-8 (A), TP (B) and TP@ZIF-8 (C) nanocomposite

2.7 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的形貌、色澤、不透明度、穿刺強(qiáng)度、透光率、FT-IR、TGA、DSC分析結(jié)果

薄膜的透光性影響消費(fèi)者對(duì)食品的感官評(píng)價(jià)，由于TP@ZIF-8納米復(fù)合材料呈現(xiàn)紅灰色，因此，含有TP@ZIF-8納米材料的復(fù)合膜亦呈現(xiàn)紅灰色。由圖7可知，不含有TP@ZIF-8納米材料的CS/SA復(fù)合膜具有較高的透明度，而且隨著TP@ZIF-8納米材料添加量的增加，復(fù)合膜的透明度逐漸降低。圖8A是TP@ZIF-8添加量分別為0%、5%時(shí)復(fù)合膜的表面形貌圖，不含有TP@ZIF-8納米材料的復(fù)合膜表面較為平滑，而TP@ZIF-8 納米材料添加量為5%的復(fù)合膜表面變得粗糙。圖8B為T(mén)P@ZIF-8添加量分別是0%、5%時(shí)復(fù)合膜的橫截面圖，可以看出復(fù)合膜明顯的雙層結(jié)構(gòu)，兩種復(fù)合膜之間的厚度相差較大，與表1的厚度數(shù)據(jù)相互印證。利用CS-280色差儀對(duì)復(fù)合膜的色澤進(jìn)行定量分析，*值越大，代表膜的透光性越好。由表1可知，隨著TP@ZIF-8納米材料的含量增加，*值逐漸降低，表明復(fù)合膜的透光性在逐漸降低。*值為負(fù)代表色澤偏綠色，*值為正代表色澤偏紅色，*值的絕對(duì)值越大表示膜的顏色越深，由表1可知，復(fù)合膜的顏色偏紅色。復(fù)合材料的添加量越大，膜的顏色越深。隨著TP@ZIF-8納米材料添加量的增加，復(fù)合膜的厚度也逐漸增加。薄膜的機(jī)械強(qiáng)度是評(píng)價(jià)復(fù)合膜品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，利用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行了薄膜穿刺實(shí)驗(yàn)，隨著TP@ZIF-8復(fù)合材料添加量的增加，薄膜的穿刺強(qiáng)度也逐漸增加。

圖7 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的外觀照片F(xiàn)ig. 7 Photographs of TP@ZIF-8/CS/SA composite films

圖8 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的表面圖（A）及截面圖（B）Fig. 8 Surface (A) and cross-sectional (B) observation of TP@ZIF-8/CS/SA composite films

表1 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的相關(guān)性能表征Table 1 Properties of TP@ZIF-8/CS/SA composite films

紫外線會(huì)破壞食物中的抗氧化劑、脂類、營(yíng)養(yǎng)素、色素和維生素等成分，并形成異味，對(duì)果蔬和其他食品的品質(zhì)造成不利的影響，因此，制備具有抗紫外線輻射作用的食品包裝是當(dāng)前的重要研究方向之一。圖9為復(fù)合膜對(duì)紫外-可見(jiàn)光的吸收光譜，圖10為復(fù)合膜對(duì)紫外-可見(jiàn)光的透光率，可以看出各復(fù)合膜在紫外波長(zhǎng)區(qū)（200～300 nm）內(nèi)有吸收，對(duì)紫外光有一定的阻隔性能，且隨著TP@ZIF-8納米材料添加量的增加，對(duì)紫外光的吸收強(qiáng)度也越大，紫外光的透過(guò)率總體也越來(lái)越低。因此，該復(fù)合膜可以保護(hù)食品免受紫外線的傷害。

圖9 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的紫外-可見(jiàn)吸收光譜Fig. 9 Ultraviolet absorption spectra of composite films

圖10 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的透光率Fig. 10 Transmittance of composite films

進(jìn)一步利用FT-IR對(duì)復(fù)合膜中的官能團(tuán)變化進(jìn)行分析。如圖11所示，在所有的薄膜中3 200～3 600 cm范圍內(nèi)的寬峰歸因于-O-H的拉伸或分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用。除此之外，觀察到各組薄膜在1 650 cm處出現(xiàn)特征吸收峰，可能歸因于-C＝O的伸縮振動(dòng)；還觀察到SA和復(fù)合膜在1 143 cm和1 148 cm處存在特征吸收峰，可能歸因于-C-O-C-的振動(dòng)。在TP@ZIF-8復(fù)合膜中可以觀察到CS、SA和TP@ZIF-8特殊官能團(tuán)的存在，表明復(fù)合膜制備成功。熱穩(wěn)定性也是生物可降解復(fù)合膜的性能的重要指標(biāo)，由圖12可知，各組復(fù)合膜都出現(xiàn)3 個(gè)質(zhì)量損失的過(guò)程，在30～200 ℃范圍內(nèi)的質(zhì)量損失可能是由于水分的蒸發(fā)；在200～300 ℃處觀察到第2次質(zhì)量損失，這可能是由于甘油以及SA和CS的降解，300～500 ℃各組復(fù)合膜的質(zhì)量損失趨于平緩，為生物聚合物的炭化過(guò)程。對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行DSC分析，從圖13中可以看出，0%的復(fù)合膜在200 ℃左右出現(xiàn)熔化峰，而1%、2.5%、5%復(fù)合膜組在225℃左右出現(xiàn)熔化峰，總體上，加入TP@ZIF-8納米材料的熔化峰對(duì)應(yīng)的溫度高于沒(méi)加TP@ZIF-8納米材料組，說(shuō)明材料的加入可以改善膜的熱穩(wěn)定性。

圖11 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的FT-IRFig. 11 FT-IR spectra of the composite films

圖12 復(fù)合膜的TGA曲線Fig. 12 TGA curves of composite films

圖13 復(fù)合膜的DSC曲線Fig. 13 DSC curves of composite films

2.8 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的阻隔性能

氧氣透過(guò)率是評(píng)價(jià)生物可降解薄膜的重要指標(biāo)，氧氣可以使包裝中的食物發(fā)生氧化反應(yīng)而變質(zhì)，食品包裝的氧氣透過(guò)率低會(huì)對(duì)食品品質(zhì)的維持發(fā)揮有益作用。由圖14可知，隨著TP@ZIF-8納米材料添加量的增加，復(fù)合膜的氧氣透過(guò)能力在逐漸地降低。通常，CS膜的氧氣透過(guò)能力與氧氣和CS中的NH的結(jié)合有關(guān)，而TP@ZIF-8納米材料的加入降低了CS/SA復(fù)合膜的氧氣透過(guò)率，可能是由于TP@ZIF-8納米材料可以改變SA和CS的結(jié)構(gòu)，從而降低了氧氣透過(guò)率。同時(shí)，還可以看出TP@ZIF-8納米材料的加入也顯著降低了CO透過(guò)率，且其添加量越高，復(fù)合膜對(duì)二氧化碳的阻隔性能越好。綜上，TP@ZIF-8納米復(fù)合材料添加量為5%時(shí)對(duì)復(fù)合膜阻隔氧氣和二氧化碳性能改善效果較好，這可能是由于TP@ZIF-8納米材料與SA和CS發(fā)生了相互作用，提高了復(fù)合膜的O和CO阻隔性能。

圖14 復(fù)合膜的阻隔性能Fig. 14 Barrier properties of composite films

2.9 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜對(duì)細(xì)菌的抑制效果

抑菌食品包裝膜的研究近年來(lái)引起了極大的關(guān)注。抑菌食品包裝膜可以作為防止細(xì)菌入侵的有效物理屏障，延長(zhǎng)食品保質(zhì)期。因此，包裝材料的抑菌性能也是評(píng)價(jià)其性能的較為重要的指標(biāo)。如圖15所示，各組復(fù)合膜對(duì)與的抑菌效果基本一致，復(fù)合材料添加量為5%的復(fù)合膜抑菌率將近100%。抑菌性能的顯著提高，一方面是因?yàn)門(mén)P從ZIF-8緩慢地釋放，促進(jìn)了細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)活性氧含量的增加從而發(fā)揮抑菌性能；另一方面是因?yàn)閆IF-8在與細(xì)菌共同孵育的液體中發(fā)生降解，釋放Zn和2-甲基咪唑。許多研究表明，鋅基顆粒中Zn的釋放是ZIF-8發(fā)揮抑菌性能的重要原因。Zn使細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)膜變形，細(xì)胞的形狀發(fā)生變化，離子滲入細(xì)胞壁導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)泄漏，這些因素導(dǎo)致細(xì)胞的最終死亡，因此，ZIF-8能夠發(fā)揮顯著的抑菌作用。綜上，TP@ZIF-8納米材料的加入改善了CS/SA復(fù)合膜的抑菌性能。

圖15 復(fù)合膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌性能Fig. 15 Antibacterial performance of composite films against Escherichia coli and Staphylococcus aureus

2.10 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的抗氧化活性

由圖16可知，當(dāng)復(fù)合材料的添加量為5%時(shí)，復(fù)合膜的DPPH自由基清除能力和ABTS陽(yáng)離子自由基清除能力最高。主要是因?yàn)槠渲饕钚猿煞諸P作為供氫體與自由基發(fā)生反應(yīng)，終止了自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使DPPH溶液和ABTS溶液明顯褪色。復(fù)合膜在與水接觸的同時(shí)，水分子會(huì)逐步侵入到復(fù)合膜中，該過(guò)程會(huì)導(dǎo)致復(fù)合膜溶脹溶解，使得TP從ZIF-8中逐步被釋放出來(lái)，從而起到清除DPPH自由基和ABTS陽(yáng)離子自由基的作用。而當(dāng)溶液達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，TP含量最高，清除DPPH自由基和ABTS陽(yáng)離子自由基的能力也隨之提高。

圖16 TP@ZIF-8/CS/SA復(fù)合膜的抗氧化活性Fig. 16 Antioxidant activities of composite films

3 結(jié) 論

TP@ZIF-8納米材料的加入對(duì)CS/SA復(fù)合膜的外觀有一些影響，使膜的顏色變深（變?yōu)榧t色），并使膜的表面變得粗糙；TP@ZIF-8納米材料的加入對(duì)復(fù)合膜的機(jī)械性有明顯的改善作用，TP@ZIF-8納米材料的添加增加了復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性能；此外，與CS/SA復(fù)合膜相比，TP@ZIF-8納米材料的添加量為5%時(shí)復(fù)合膜的阻隔性能（紫外線、氧氣、二氧化碳等）顯著提升（＜0.05）。TP@ZIF-8納米材料的加入賦予了復(fù)合膜良好的抑菌性能和抗氧化性能，因此，本實(shí)驗(yàn)制備的TP@ZIF-8/CS/SA活性包裝膜有望應(yīng)用于食品保鮮。