海藻酸钠纳米微球抗菌膜的制备及抑菌作用研究

文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１８)０３Ｇ０３０７６Ｇ０６
海藻酸钠纳米微球抗菌膜的制备及抑菌作用研究∗
陆㊀敏１,王利强１,２
(１．江南大学机械工程学院,江苏无锡２１４１２２;
２．江南大学中国包装总公司食品包装技术与安全重点实验室,江苏无锡２１４１２２)
摘㊀要:㊀将在茶多酚的抗菌纳米微球加入由海藻酸钠㊁羧甲基纤维素㊁甘油组成的膜液中,研究成膜的机械性能㊁水蒸气透过率等的影响,并研究其对圣女果的保鲜效果;方法采用单因素试验㊁正交试验考察各因素对膜机械性能等的影响,测定保鲜过程中圣女果的腐烂率㊁失重率等;结果表明,抗菌膜最优化的制备条件为海藻酸钠质量浓度１．５％,V(羧甲基纤维素)ʒV(海藻酸钠)＝１００ʒ３０,甘油添加量为１．５％,抗菌微球的浓度为１５m g/m L.抗菌涂层以及抗菌膜对圣女果的保鲜效果;无论是涂层还是抗菌膜,均能对圣女果的感官品质㊁酸含量㊁可溶性固形物等有一定的提升,可以有效地延长圣女果的保质期,是一种有发展前景的果实包装保鲜材料.
关键词:㊀抗菌纳米微球;抗菌膜;圣女果;保鲜
中图分类号:㊀T B３３２文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１８．０３．０１１
０㊀引㊀言
生鲜果蔬在采摘后运输㊁销售和贮藏中极易发生变质腐败[１].调查发现目前我国果蔬产后储存过程中的损失率达２０％~３０％,造成近８００亿元经济损失[２Ｇ３].具有抗菌功能的包装膜可以避免生鲜产品二次微生物污染㊁抑制微生物生长,延长货架期[４Ｇ５].抗菌包装膜具有抑制微生物生长的功能,从而避免被包装物二次污染,使其货架期延长[６Ｇ７].载茶多酚的海藻酸钠/壳聚糖纳米微球添加到海藻酸钠膜液中,杀死细菌的同时降解体内毒素引起的后期污染[８].茶多酚作为常用的食品添加剂,其代谢对生鲜果蔬的成熟衰老具有重要生理意义[９].目前国内对于通过研制抗菌纳米微球,将其添加到膜液中成膜来蔬果保鲜鲜有研究[１０].S e y e d e M a r z i e h H o s s e i n i等[１１]学者通过将海藻酸钠与淀粉进行接枝共聚制备出纳米微球,采用包埋法载抗菌剂n i s i n尼生素.研究发现接枝共聚改性的纳米微球对抗菌剂的载药率和包埋率提高了很多.且抗菌剂在纳米微球中的释放规律从某种程度上来说比较复合菲克扩散定律,相比没有接枝共聚的海藻酸钠微球释放的更缓慢.
１㊀材料与方法
１．１㊀材料与试剂
海藻酸钠(A R),壳聚糖(沪试),金龙鱼非转基因大豆油(市售),茶多酚(食品级,郑州瑞佳食品添加剂有限公司),T w e e n８０(C P),S p a n８０(C P),氯化钙(A R),正己烷(A R),醋酸(A R),无水乙醇(G R,沪试);平板计数琼脂培养基生化试剂,A R,国药集团化学试剂有限公司;新鲜圣女果(市售).
１．２㊀仪器与设备
A B２０４ＧN电子分析天平,梅特勒Ｇ托利多仪器有限公司;P X RＧ９高温鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;低速台式大容量离心机R JＧT D LＧ５０A,无锡瑞江分析仪器有限公司;磁力加热搅拌器S Z C LＧ３０,上海标本模司;S C I E N T ZＧ５０F冷冻干燥机,宁波新芝;恒温恒湿干燥箱K T H AＧ０１５T
B S,昆山庆声电子科技有限公司,L R XP l u s万能电子材料试验机,英国L L O Y D公司;手提式不锈钢压强蒸汽灭菌锅,上海申安医疗机械厂;S WＧ
C JＧ１G型单人净化工作台,苏州净化设备有限公司;生化培养箱,上海精宏实验设备有限公司;F RＧ２００B手动热封机,上海森合包装器材有限公司.１．３㊀方法
１．３．１㊀茶多酚/壳聚糖/海藻酸钠纳米微球的制备根据前一步的研究结果,纳米微球的优化的制备条件为海藻酸钠浓度１５m g/m L,壳聚糖浓度１０m g/m L, C a C l２浓度１５m g/m L,茶多酚浓度０．８m g/m L.取一定量的大豆油和乳化剂于烧杯中,水浴锅内搅拌１０m i n(４０ħ,４００r/m i n);然后加入一定量茶多酚海藻酸钠溶液,搅拌３０m i n;加入C a C l２溶液搅拌乳化３h.反应结束后,倒入正己烷搅拌１０m i n(１５０r/m i n),静置分层;取下层乳白色乳液,加入到壳聚糖醋酸水溶液中并磁力搅拌３０m i n;最后离心２０m i n(２０００r/m i n),得纳米微球;将制得的纳米微球洗涤２次,冷冻干燥
６７０３
０２０１８年第３期(４９)卷
∗基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(J U S R P２１１１５);２０１４江苏省研究生实践创新资助项目(１０７５２１０２３２１４１４１０);
２０１５江苏省研究生实践创新资助项目(１０７５２１０２３２１５８１１０)
收到初稿日期:２０１７Ｇ０７Ｇ１０收到修改稿日期:２０１７Ｇ１１Ｇ１０通讯作者:王利强,EＧm a i l:w l q c o m＠１６３．c o m
作者简介:陆㊀敏㊀(１９９３－),女,湖南常德人,在读硕士,师承王利强教授,主要研究方向为食品包装技术.
(－４０ħ预冻２４h ,放入冷冻干燥机中,设置温度曲线为初始温度－４０ħ,６h 后抽真空,５ħ/h 增长到
３５ħ恒温３h
),即制得茶多酚/壳聚糖/海藻酸钠纳米微球.
１．３．２㊀膜基液的制备
海藻酸钠溶液(水浴搅拌１０h (５０ħ,３００r /m i n ));１．５％的羧甲基纤维素溶液(水浴搅拌１０h (８０ħ,
３００r /m i n )).１．３．３㊀膜的制备工艺
不同配比海藻酸钠溶液和羧甲基纤维素溶液,加入一定量甘油和抗菌纳米微球,搅拌均匀;抽真空脱气,涂于玻璃板上干燥成膜;用C a C l ２溶液交联２m
i n ,最后烘干成膜.
１．３．４㊀研究各因素对海藻酸钠基膜性能影响
(１
)机械性能共混薄膜拉伸强度和断裂伸长率按照G B /T１０４０．
３Ｇ２００６[１２]
进行测定.厚度测试按照G B /T６６７２Ｇ２００１
进行[
１３]
.(２
)透光率和水蒸气透过率根据G B /T２４１０Ｇ２００８[１
４]
测定透光率.(３
)对圣女果的保鲜及保鲜效果指标测定方法[
１５Ｇ１６]
选取小番茄进行保鲜实验.按照１．３．１节的方法
制备含茶多酚纳米微球的海藻酸钠可食性抗菌膜液.４组对比实验:空白组㊁P E 膜组㊁抗菌涂层㊁抗菌膜将.分别用其对圣女果进行保鲜实验
失重率(％)＝
(处理时果质量－储藏后果质量)
处理时果质量
ˑ１
００％腐烂率(％)＝
腐烂的果粒数
果粒总数ˑ
１００％
㊀㊀样品中的酸含量测定方法为碱滴定法[１
７]
;可溶性固形物含量用手持折光仪测定.
２㊀结果与分析
２．１㊀海藻酸钠对抗菌膜性能的影响
由表１可见,海藻酸钠与膜的抗拉强度整体呈现正相关趋势,其原因在于海藻酸钠浓度会对成膜时的
分子量产生正相关作用,因此导致其分子间作用力的
增加,从而使得膜抗拉强度增加[
１８]
.随着海藻酸钠浓度增加,抗菌膜的断裂伸长率呈现两种规律即先上升后下降.因为当浓度足够大时,膜延展性降低㊁强度增加,从而导致伸长率减小.水蒸气透过率呈现下降趋势,抗菌膜的厚度增加.
表１㊀海藻酸钠对膜性能的影响
T a b l e １E f f e c t o f s o d i u ma l g i n a t e o n t h e p r o p
e r t i e s o
f t h e f i l m 海藻酸钠的量/％
抗拉强度/M P a
断裂伸长率/％
厚度/μm 水蒸气透过率/％透光率/％０．５
１４．７１
１６．４１
３１．２
３４．０９
８１．１
１．０１８．３４１９．３３３８．４３２．１８７７．３１．５２０．１２２４．１７４５．３３０．４１７５．５２．０２３．７５２０．５９５６．１２６．０７７３．６２．５
２６．８０
１８．７２
６４．２
２３．３４
７０．４
２．２㊀甘油的量对抗菌膜性能的影响
由表２可见,随着甘油浓度增加,膜的抗拉强度呈现下降趋势,断裂伸长率呈现先增加后减少,其上升说明膜的柔性增加.膜的水蒸气透过率逐渐增加,其原
因在于甘油分子与海藻酸钠分子反应后降低海藻酸钠分子之间交联作用,使得膜微观结构变得疏松,从而导致其透过率增大.抗菌膜的透明度逐渐也降低,膜的
厚度比较稳定[
１９]
.表２㊀甘油对膜性能的影响
T a b l e ２E f f e c t o f g l y c e r i no n t h e p r o p
e r t i e s o
f t h e f i l m 甘油的量/％
抗拉强度/M P a
断裂伸长率/％
厚度/μm 水蒸气透过率/％透光率/％０．５
２２．４６
２１．０３
４３．１０
２１．０４
１８．４１
１．０２１．７８２３．６２４４．４０２５．４２１６．１３１．５２０．９３２７．１８４５．２０２７．０３１３．７２２．０２０．１０２４．１７４６．４０３０．４１１１．２７２．５
１８．９２
２３．０４
４６．６０
３２．８７
９．８１
２．３㊀羧甲基纤维素和海藻酸钠比例对抗菌膜性能的
影响由表３可见,当比例逐渐增加时,膜的的抗拉强度
现增加后降低,但总体比单一海藻酸钠膜提高了很多.断裂伸长率在混合比例为１００ʒ３０时出现一个小峰,
随后缓慢下降.抗菌膜的水蒸气透过率也呈现逐渐增加的趋势.原因是羧甲基纤维素分子与海藻酸钠分子之间的发生作用,使得膜分子间排列更紧致,因此水蒸气透过率降低.抗菌膜的透明度逐渐增加.
７
７０３０陆㊀敏等:海藻酸钠纳米微球抗菌膜的制备及抑菌作用研究
表３㊀羧甲基纤维素对膜性能的影响
T a b l e ３E f f e c t o f c a r b o x y m e t h y l c e l l u l o s e o n t h e p r o p
e r t i e s o
f t h e f i l m V (海藻酸钠)ʒV (
羧甲基纤维素)抗拉强度/M P a
断裂伸长率/％
水蒸气透过率/％
透明度/％１２０ʒ１０
１９．０４
２３．８２
３４．７８
６９．８
１１０ʒ２０２０．１０２４．１７２７．６３７３．１１００ʒ３０２４．０１２５．４３３０．４１７５．３９０ʒ４０２１．３２２２．８７３１．２１７８．０８０ʒ５０
１９．８７
１９．０８
３２．３８
８２．１
２．４㊀抗菌纳米微球对抗菌膜性能的影响
由表４可见,膜的抗拉强度和断裂伸长率与抗菌纳米微球的含量均呈现负相关趋势.造成降低的原因在于,所制备的纳米微球粒径为５００n m 左右,
当加入膜液里面流延成膜后,仍然会造成抗菌膜内部结构的不平整,从而降低其抗拉强度和断裂伸长率.虽然抗菌微球与抗菌膜的水蒸气透过率和透光率都呈负相关趋势,但总体上来看影响很小.
表４㊀纳米微球对膜性能的影响
T a b l e ４E f f e c t o f n a n o s p h e r e s o n t h e p r o p
e r t i e s o
f t h e f i l m 纳米微球的浓度/m g
m L －１抗拉强度/M P a
断裂伸长率/％
水蒸气透过率/％透光率/％１０
２１．３２
２５．６９
３１．０４
７４．１
１５２０．０１２４．１７３０．４１７３．５２０１８．３５２２．８８２９．８７７１．４２５１７．６３２１．９３２９．０９６９．２３０
１７．０１
２１．０４
２８．９４
６６．８
２．５㊀正交实验优化制备条件
根据表６和７,综上所述,将膜的抗拉强度,断裂伸长率和水蒸气透过率作为重要指标,分别列出正交表
予以分析[２０
];抗菌膜透光率作为次重要指标予以参考,
通过综合分析,得到最优工艺参数海藻酸钠质量浓度
１．５％,V (羧甲基纤维素)ʒV (海藻酸钠)＝１００ʒ３０,
甘油添加量为１．５％,抗菌微球的浓度为１５m g
/m L .表５㊀抗菌膜的抗拉强度正交分析表
T a b l e ５O r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a t i o no f t e n s i l e s t r e n g
t ho f a n t i m i c r o b i a l f i l m 实验号A 甘油的质量分数
/％
B 纳米微球浓度/m g
m L －１C V (羧甲基纤维素)ʒV (
海藻酸钠)D 海藻酸钠浓度/％
抗拉强度/k P a
１
１(０．５)１(１０)１(１００ʒ３０
)１
１９．５４２１(１．０)２(１５)２(９５ʒ３５)２２２．０１３１(１．５)３(２０
)３(９０ʒ４０)３１８．５１４２２３１１８．９９５２３１２２４．３１６２１２３１６．９９７３３２１１７．２５８３１１２２４．２８９３２３３２１．１６K １２０．０２２０．２７２２．７１１８．５９K ２２０．０９２０．７２１８．７５２３．５３K ３２０．８９２０．０２１９．５５１８．８９R
０．８８
０．６９
３．９６
４．９４
３㊀复合膜对圣女果保鲜品质的影响
３．１㊀不同抗菌组对圣女果腐烂率的影响
由图１可见,空白组的圣女果的腐烂速度远比其它组要快,P E 膜组㊁抗菌包装膜组和抗菌膜液涂抹组的腐烂率相差不大,其中抗菌包装膜组的腐烂率最低.
由此说明抗菌纳米微球释放出来的茶多酚具有良好的抗菌效果,对圣女果起到了一定的保鲜效果.抗菌涂层能起到较好效果原因在于涂膜后的圣女果,涂层抑制了其呼吸作用,推迟了后熟时间,因而失水少,保存比较完好.
３．２㊀不同抗菌组对圣女果失重率的影响
圣女果水分含量很高,因此在贮存过程中很容易失水.由图２可见,贮存期间,圣女果的水分含量不断下降,空百组在贮存２５d 时,失重率近１０％,外观皱缩明显,且失去光泽;而P E 膜组和抗菌包装膜组失重率较少,抗菌涂层对失重率有一定的效果,但不是很大,
原因可能是膜液涂抹不匀.抗菌包装膜组失重率很低的原因在于羧甲基纤维素分子具有致密的网状分子结构,水分子不易渗透,能减缓葡萄果实中水分的蒸腾,
降低了果实的质量损失[
１９]
.由此可见,以羧甲基纤维素基可食性复合膜包裹葡萄比用涂抹的保鲜效果好,
８
７０３
０２０１８年第３期(４９
)卷
基本能达到与P E 膜一样的保鲜效果.
表６㊀抗菌膜的断裂伸长率正交分析表
T a b l e ６O r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a t i o no f e l o n g
a t i o na t
b r e a ko f a n t i m i
c r o b i a l f i l m 实验号A 甘油的质量分数
/％
B 纳米微球浓度/m g
m L －１C V (羧甲基纤维素)ʒV (
海藻酸钠)D 海藻酸钠浓度
/％
断裂伸长率/％
１
１(１．０)１(１０)１(１００ʒ３０
)１(１．０)２１．３
２１(１．５)２(１５)２(９５ʒ３５)２(１．５)２３．９８３１(２．０)３(２０
)３(９０ʒ４０)３(２．０)２０．１８４２２３１２３．９１５２３１２２６．４３６２１２３１８．５２７３３２１１８．８８３１１２２６．４７９３２３３２３．０６K １２１．８２２２．１０２４．７３２１．３４K ２２２．９５２３．６５２０．４３２５．６３K ３２２．７８２１．８０２２．３８２０．５９R
１．１３
１．８５
４．３
５．０４
图１㊀不同抗菌组对圣女果烂率的影响
F i g １E f f e c to fd i f f e r e n ta n t i b a c t e r i a l g r o u p
so nr o t Ｇt i n g r a t e o f c h e r r y t
o m a t o e s 图２㊀不同抗菌组对圣女果失重率的影响
F i g ２E f f e c t o f d i f f e r e n t a n t i b a c t e r i a l g r o u p
s o n w e i g h t l o s s o f c h e r r y t
o m a t o e s ３．３㊀不同抗菌组对圣女果酸含量的影响
由图３可见,由于果蔬的代谢作用,在贮藏过程中圣女果的酸含量整体是降低的.空白组酸含量随时间增长下降很明显,抗菌包装膜组和P E 膜组相较平缓一些.随着酸度的下降,果实的风味也逐渐变淡.由此说明含茶多酚纳米微球的抗菌膜对圣女果的营养成分和品质的保鲜效果达到塑料膜的程度.
３．４㊀不同组抗菌膜对圣女果可溶性固形物含量的影
响
由图４可见,随着贮藏时间的增加,可溶性固形物含量先略微增加出现峰值后整体下降,造成此结果的原因是随着贮藏之间的增加,果蔬呼吸作用同样会先
出现一个峰值使得圣女果慢慢变熟.在前２０d 之前,圣女果可溶性固体物含量整体下降缓慢,由此可以看出无论是抗菌膜涂抹还是抗菌包装膜均能有效地抑制果实的呼吸活跃程度,以减少果实的呼吸消耗.空白组后期可溶性固形物含量与非空白组呈现相反趋势的原因可能是贮藏时间过久果蔬严重失水,因而单位体积果汁内可溶性糖类物质相对含量增加.
图３㊀不同组抗菌膜对圣女果酸含量的影响
F i g ３E f f e c t o f d i f f e r e n t a n t i b a c t e r i a l g r o u p
s o n t i t r a t Ｇa b l e a c i do f c h e r r y t
o m a t o e s 图４㊀不同组抗菌膜对圣女果可溶性固形物含量的影
响
F i g ４E f f e c t o f t h e d i f f e r e n t a n t i b a c t e r i a l r o u p
s o n s o l Ｇu b l e s o l i d c o n t e n t o f c h e r r y t
o m a t o e s ４㊀纳米微球抗菌膜的抗菌测试
图５和６分别为添加抗菌纳米微球的抗菌膜对金
９
７０３０陆㊀敏等:海藻酸钠纳米微球抗菌膜的制备及抑菌作用研究
黄色葡萄球菌与大肠杆菌的抑制效果图.从图中可以看出制得的抗菌膜对金黄色葡萄球菌与大肠杆菌得抗菌作用都还比较好.
图５㊀抗菌膜对大肠杆菌的抑制作用
F i g５A n t i b a c t e r i a l e f f e c t o f a n t i m i c r o b i a l f i l mo n t h e
i n h i b i t i o no fE s c h e r i c h i a c o l i
图６㊀抗菌膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用
F i g６A n t i b a c t e r i a l e f f e c t o f a n t i m i c r o b i a l f i l mo n t h e
i n h i b i t i o no f S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s
５㊀结㊀论
通过制备载茶多酚的纳米微球,将其添加到由羧甲基纤维素㊁海藻酸钠㊁甘油组成的膜液中,制备成膜,并用C a C l２交联,通过单因素试验和正交实验相结合的方式研究各因素对机械性能㊁水蒸气透过率㊁透光率等膜性能的影响,确定抗菌膜最优化的制备条件:海藻酸钠质量浓度１．５％,V(羧甲基纤维素)ʒV(海藻酸钠)＝１００ʒ３０,甘油添加量为１．５％,抗菌微球的浓度为１５m g/m L.并研究抗菌涂层以及抗菌膜对圣女果的保鲜效果,最终发现无论是涂层还是抗菌膜,均能对圣女果的感官品质㊁酸含量㊁可溶性固形物等有一定的提升,可以有效地延长圣女果的保质期,是一种有发展前景的果实包装保鲜材料.后期将会在其它蔬果的保鲜方面进行应用,以验证其作为果实包装保鲜材料的可行性和实用性.
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０８０３０２０１８年第３期(４９)卷
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P r e p a r a t i o na n d t h e a n t i m i c r o b i a l a c t i v i t y o f n a n o s p
h e r e s s o d i u ma l g
i n a t e a n t i m i c r o b i a l f i l m s L U M i n １,WA N GL i q i a n g
１,
２
(１．C o l l e g e o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,J i a n g n a nU n i v e r s i t y
,W u x i ２１４１２２,C h i n a ;２．K e y L a b o r a t o r y o f F o o dP a c k a g i n g T e c h n o l o g y a n dS a f e t y ,C h i n aP a c k a g i n g C o r p
o r a t i o n ,J i a n g n a nU n i v e r s i t y
,W u x i ２１４１２２,C h i n a )A b s t r a c t :T h e a n t i b a c t e r i a lm i c r o s p h e r e s o f t e a p o l y p h e n o l sw e r e a d d e d i n t o t h e s o l u t i o n c o m p
o s e d o f s o d i u ma l Ｇg i n a t e ,c a r b o x y m e t h y l c e l l u l o s e a n d g l y c e r o l t o s t u d y t h e e f f e c t so n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n dv a p
o r t r a n s m i s Ｇs i o n r a t e ,a n d t o i n v e s t i g a t e i t s p r e s e r v a t i o n e f f e c t o n c h e r r y t o m a t o e s ．T h e e f f e c t s o f v a r i o u s f a c t o r s o n t h em e Ｇc h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h em e m b r a n ew e r e i n v e s t i g a t e db y s i n g l e f a c t o r t e s t a n do r t h o g o n a l t e s t ．T h e d e c a y r a t e a n dw e i g h t l o s s r a t e o f t h e c h e r r y t o m a t o e sw e r e a l s o d e t e r m i n e d ．T h e b e s t o p t i m i z a t i o n c o n d i t i o n s o f p r e p a r i n g
a n t i Ｇm i c r o
b i a l f i l m w e r e a s f o l l o w s :t h e
c o n c e n t r a t i o no f s o
d i u ma l g i n a t
e １．５％,t h e r a t i o o
f c a r b o x y m e t h y
l c e l Ｇl u l o s e t o s o d i u ma l g i n a t e １００m L :３０m L ,t h e c o n c e n t r a t i o n o f g l y
c e r o l １．５％,a n
d t h
e c o n c e n t r a t i o n o
f a n t i b a c Ｇt e r i a lm i c r o s p h e r e s １５m
g /m L ．B e s i d e s ,t
h e a n t
i Ｇb a c t e r i a l c o a t i n g a n d a n t i Ｇb a c t e r i a l f i l mh a d t h e f r e s h e f f e c t o n t h e c h e r r y t o m a t o e s ．B o t h t h e c o a t i n g a n d t h em e m b r a n e c o u l de n h a n c e t h e s e n s o r yq u a l i t y
,a c i dc o n t e n t ,a n d s o l u b l e s o l i d s o f t h e c h e r r y t o m a t o e s ,a n d a l s o e x t e n d e d t h e i r s h e l f l i f e ,w h i c hw a s a p r o m i s i n g f r e s h f r u i t p a c k Ｇa g i n g m
a t e r i a l ．K e y w o r d s :a n t i
b a
c t e r i a l n a n o s p h e r e s ;a n t i Ｇm i c r o b i a l f i l m ;c h e r r y t o m a t o e s ;k e e p f
r e s h １
８０３０陆㊀敏等:海藻酸钠纳米微球抗菌膜的制备及抑菌作用研究。