茶多酚-殼聚糖活性保鮮膜的制備及其穩(wěn)定性研究

劉佳禾，王晨曦，張晟寶，郭 瑤，李彥儀，姚沁含，蔣企洲

（中國藥科大學，江蘇 南京 210000）

隨著能源危機和“白色污染”等環(huán)境問題日益嚴峻，保鮮膜作為日常生活中使用較多的塑料制品，市場需求極大。但其使用時間短、作用效果不佳，需要頻繁更換，而又難以降解，是白色污染的重要來源。天然高分子材料作為一種環(huán)境友好型材料近來逐漸步入人們視野，以原材料易得、性質(zhì)可控、可降解為特點，為制備可降解保鮮膜提供新的思路，對環(huán)境保護具有重大的實踐意義，也是節(jié)約資源，綠色可持續(xù)循環(huán)理念的體現(xiàn)。

殼聚糖又稱脫乙酰甲殼素，是由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)經(jīng)過脫乙酰作用得到的，化學名稱為聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D 葡萄糖。由于殼聚糖的生物兼容性好，可生物降解，無毒副作用，因此在醫(yī)藥、化工、食品等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。

但通常純殼聚糖薄膜存在機械性能較差、水阻隔率較低、抗菌性較弱不足等問題，對此可以通過制備多組分復合膜的方法進行改進。茶多酚作為保鮮抑菌活性成分，檸檬酸則可以通過抑制呼吸酶降低果蔬的能量代謝進程，減緩生鮮食品的腐敗，以達到保鮮效果。本研究在殼聚糖液中添加茶多酚和檸檬酸，制備了理化性能較好且具有一定抗氧化性、抑菌性的茶多酚-殼聚糖復合材料保鮮膜。

1 試驗材料與設(shè)備

1.1 試驗材料

茶多酚（98%），購自陜西嘉禾生物科技股份有限公司；殼聚糖（98%），購自安徽酷爾生物工程有限公司；檸檬酸（95%），購自濰坊英軒實業(yè)有限公司；甘油、乙酸，購自南京化學試劑有限公司；司盤、無水三氯化鐵、抗壞血酸、明膠、鹽酸，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

KH-500DB 型數(shù)控超聲波清洗器，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；721 型紫外-可見光分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司；電子天平，力辰科技；數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司；鼓風干燥箱，上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司。

2 試驗方法

2.1 殼聚糖膜的制備及性能考察

2.1.1 醋酸濃度對殼聚糖溶解影響

堿性多糖殼聚糖可溶于酸性溶液中，pH 較低時殼聚糖的氨基發(fā)生質(zhì)子化使得殼聚糖成為一種水溶性陽離子聚電解質(zhì)。取0.2 g 殼聚糖分別溶于0.5%、1%、2%、3%四個濃度20 mL的醋酸溶液中，在40℃水浴鍋中保溫攪拌30 min，觀察其結(jié)果。

2.1.2 交聯(lián)劑對殼聚糖膜性能的影響

配置1%的殼聚糖溶液溶于2%的乙酸溶液中，分別添加0.5%甘油、0.5%甘油和0.75%明膠、0.5%甘油和0.5%司盤作為性質(zhì)改良劑，超聲脫氣1 h，40℃烘干，觀察其結(jié)果。

2.1.3 成膜溫度對殼聚糖膜性能的影響

依據(jù)復合膜的制備方法，選取不同的干燥溫度：30℃、35℃、40℃、45℃、50℃烘干18 h，觀察成膜情況。

2.2 茶多酚-殼聚糖膜的制備及性能考察

2.2.1 茶多酚-殼聚糖膜的制備

稱取殼聚糖40℃環(huán)境下溶于100 mL 濃度為2%的乙酸溶液，并加入0.5%的甘油。稱取茶多酚與檸檬酸溶于20 mL純化水中，充分溶解之后與殼聚糖溶液混合均勻。超聲脫氣1 h，取20 mL 平鋪于直徑為9 cm 的圓形培養(yǎng)皿中，置于40℃烘箱中18 h干燥成膜。

殼聚糖濃度單因素實驗中，分別添加濃度為1%（w/v）、1.5%（w/v）及2%（w/v）的殼聚糖于膜液中；茶多酚濃度單因素實驗中，分別添加濃度為0.1%（w/v）、0.2%（w/v）及0.3%（w/v）的茶多酚溶液于膜液中；檸檬酸濃度單因素實驗中，分別添加濃度為0.07%（w/v）、0.1%（w/v）及0.13%（w/v）的檸檬酸于膜液中。

2.2.2 茶多酚-殼聚糖膜透濕性的測定

采用失重法，稱取40 mL純化水于小燒杯中，用膜密封杯口。把燒杯置于干燥器中，使得膜內(nèi)外存在一定的蒸氣壓差，通過定時測量燒杯質(zhì)量，計算透濕量WVT：

式中：A——薄膜的面積，m2；t——兩次間隔時間，h；Δm——t時間內(nèi)燒杯減少的質(zhì)量，g。

2.2.3 茶多酚-殼聚糖膜延展性測定

記拉伸前薄膜的長度l0，均勻拉伸薄膜兩端，直至薄膜斷裂時記長度l1,

式中：l0——拉伸前薄膜的長度，cm；l1——薄膜斷裂時的長度，cm。

2.2.4 茶多酚-殼聚糖膜液還原性的測定

準確配制復合膜液之后取1 mL 十倍稀釋，取1 mL 作為測定樣品。取若干比色管，依次編號，按照圖1 所示方法，按順序加入試劑，混合均勻，離心過濾，充分反應(yīng)，測定反應(yīng)體系的吸光度。平行測定兩次，取均值做分析。

圖1 茶多酚還原能力測定實驗流程Fig.1 Experimental procedure for determination of reducing capacity of tea polyphenols

2.2.5 茶多酚-殼聚糖膜液抑菌能力的測定

通過牛津杯法測定膜液的抗菌活性大小。取金色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌各一鉑環(huán)的量到10 mL液體培養(yǎng)基中溫度達37℃過夜培養(yǎng)，達到細菌指數(shù)生長期。取0.2 mL的菌液均勻分散在LB 瓊脂平板上，放置牛津杯，向牛津杯中定量加入制備好的膜液樣品，37℃培養(yǎng)12 h 后測量抑菌圈的直徑。

2.2.6 茶多酚-殼聚糖膜可降解性測定

將膜剪成1 cm×4 cm 塊狀，測量初始質(zhì)量，將膜分別添加在10 mL 濃度為0 mol/L、0.1 mol/L、0.15 mol/L、0.2 mol/L 的HCl溶液中進行降解，24 h后烘干，測量其干質(zhì)量。

式中：w1——降解前干質(zhì)量；w0——降解24 h后干質(zhì)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 醋酸濃度對殼聚糖溶解影響

表1 醋酸濃度對殼聚糖溶解影響Tab.1 Effect of acetic acid concentration on chitosan dissolution

依據(jù)初步溶解情況，選擇2%濃度的醋酸溶液溶解殼聚糖。殼聚糖在醋酸溶液中溶解初期出現(xiàn)溶脹團塊，在吸附或自聚集過程中粒度增大，隨時間推移殼聚糖分子展開，團塊逐漸減小，殼聚糖溶解，溶液中離子濃度增大，若醋酸濃度過大，產(chǎn)生-NH3+基團過多，聚合物分子間斥力增加，其間空隙由酸性溶液填充造成，總體表現(xiàn)為溶液黏度增大。

3.2 添加劑對殼聚糖膜性能的影響

表2 添加劑對殼聚糖溶解影響Tab.2 Effect of additives on chitosan dissolution

考慮到膜的使用與整體性質(zhì)，選用純甘油作為性質(zhì)改良劑。小分子物質(zhì)甘油加大了大分子間的距離，降低了分子間的作用力，從而使膜整體表現(xiàn)得柔軟，可塑性得到增強。明膠有效增強分子間交聯(lián)作用，分子鏈間相互作用形成更緊密的結(jié)構(gòu)。司盤作為表面活性劑乳化殼聚糖溶液，可增強其穩(wěn)定性，但是由于其親油性，易于甘油結(jié)合，降低甘油的利用率減小甘油增塑劑的作用，自身作用也因此受限，故整體作用并不大。

3.3 成膜溫度對殼聚糖膜性能的影響

表3 成膜溫度對殼聚糖溶解影響Tab.3 Effect of film forming temperature on chitosan dissolution

18 h 的固定烘干時間下，40℃左右較適宜。40℃時水分蒸發(fā)的速度較為適宜，殼聚糖分子能有序排列，形成理化性質(zhì)良好的殼聚糖膜。溫度過低，水分蒸發(fā)速度慢，分子排列緩慢不利于形成較為致密的固體結(jié)構(gòu)。溫度過高則聚合物分子過早沉積，機械強度下降，膜較脆、拉伸性弱。

3.4 不同成分濃度變化對復合膜透濕性的影響

表4 不同成分濃度變化對復合膜透濕性的影響Tab.4 Effect of concentration change of different components on moisture permeability of composite films

隨著殼聚糖濃度的增加，其分子鏈間總作用力增強，形成的薄膜結(jié)構(gòu)致密性上升，從而使得透濕性減小，這與成膜的觀察結(jié)果一致。

用直接添加法將茶多酚添加入成膜基質(zhì)中，其中茶多酚存在大量酚羥基等活性基團，衰弱了殼聚糖膜溶液分子間的氫鍵，降低膜對水蒸氣的親和性。

改變檸檬酸在成膜基質(zhì)中的濃度后，復合膜的透濕性先降低后升高，存在一個最低點,可能的原因是檸檬酸與茶多酚、殼聚糖分子間的氫鍵形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在疏水的同時水分子也難以通過，但隨著檸檬酸濃度繼續(xù)增大，復合膜的阻水性反而降低。

3.5 不同成分濃度變化對復合膜延展性的影響

從實驗結(jié)果可知，復合膜延展性隨殼聚糖濃度的增加先上升再下降，當殼聚糖濃度為1.5%時復合膜延展性較好，當茶多酚添加量為0.3%時復合膜延展性較好，檸檬酸濃度變化對復合膜延展性影響不大。

表5 不同成分濃度變化對復合膜延展性的影響Tab.5 Effect of concentration changes of different components on ductility of composite films

3.6 不同成分濃度變化對復合膜液還原性的影響

表6 不同成分濃度變化對復合膜液還原性的影響Tab.6 Effect of concentration change of different components on reducibility of composite membrane solution

從實驗結(jié)果可知，殼聚糖濃度變化和檸檬酸濃度變化對復合膜液能力影響較小，而復合膜液還原能力隨茶多酚濃度的增加而增大，復合膜液的還原性主要來自于茶多酚中的活性成分。

3.7 不同成分濃度變化對復合膜液抑菌性的影響

表7 不同成分濃度變化對復合膜液抑菌性的影響Tab.7 Effect of concentration change of different components on antibacterial activity of composite membrane liquid

復合膜液對大腸桿菌、金色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑菌作用隨殼聚糖濃度以及檸檬濃度變化不明顯，隨茶多酚濃度的升高而增大。

3.8 不同成分濃度變化對復合膜可降解性的影響

表8 不同成分濃度變化對復合膜可降解性的影響Tab.8 Effect of concentration change of different components on degradability of composite films

由于縮醛結(jié)構(gòu)的存在，殼聚糖在酸性溶液中發(fā)生降解，隨殼聚糖濃度和鹽酸濃度上升，復合膜降解性呈上升趨勢；隨茶多酚濃度增加，可降解率隨之上升，適量的檸檬酸對提高降解率有幫助。

4 結(jié)論

本實驗以殼聚糖為成膜基質(zhì)，以乙酸溶液作為溶劑，甘油作為增塑劑改良復合膜的物理性質(zhì)，綠茶提取物茶多酚以及檸檬酸作為活性添加成分制備具有生物降解性、環(huán)境友好、無抗原性、無毒害性且具有良好抑菌性的生物材料保鮮膜。研究結(jié)果表明：2%的乙酸可較好的溶解大分子材料殼聚糖并成膜，0.5%甘油作為增塑劑可在增添延展性的同時保持殼聚糖膜的韌性，40℃的成膜溫度可使膜液以適宜的速度蒸發(fā)，殼聚糖分子能有序排列形成致密殼聚糖膜。

本實驗采用牛津杯法探究復合膜液對金色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌的抑菌性。殼聚糖通過帶正電的氨基同細菌細胞壁的負電荷成分結(jié)合，導致細菌破損死亡。茶多酚可引起菌體內(nèi)部的核酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的外泄，干擾細菌的生長代謝。殼聚糖與茶多酚兩者對細菌有相加的抗菌效果。此次實驗通過將復合膜與含菌培養(yǎng)基共同培養(yǎng)證實復合膜具有較好的抑菌性。

本實驗涉及成膜過程，但在眾多文獻以及此次實驗中對成膜過程的許多條件仍未提及，例如相對濕度、空氣流動條件等，導致最終成膜品質(zhì)不夠穩(wěn)定且存在厚薄不均，成膜不同步等問題，工藝控制還需進一步優(yōu)化。

本研究雖證實最終產(chǎn)物在物理性能以及抑菌性能均具有可行性，但其對各種水果、糕點等各種生鮮類物資的保鮮效果還需進一步研究。