食品表面微生物的生长繁殖及全球气候变暖, 导致食品变质现象日益严重。此外, 含有脂肪的食物被氧化现象日益严重, 而氧化作用会降低脂类产品的风味和营养价值, 还会产生自由基, 危害人类健康。活性包装是一种全新意义上的包装, 在食品包装领域, 欧洲特别研究中心提出了可改善包装物储存条件的体系, 通过释放、排除或抑制物质来延长包装物的使用寿命, 提高食品卫生的安全性, 改善食品气味和口感, 同时保证其品质稳定不变[1,2]。最常用的方法是向包装材料中添加活性物质, 使包装系统获得新的功能, 减少或者消除传统惰性包装对于防腐剂和抗氧化剂等添加剂的过量使用[3~5]。

纤维素是自然界含量最丰富的天然高分子, 甲基纤维素是由纤维素化学改性而来, 所制备的膜具有优良的透气性和抗溶剂等性能[6]。随着全球人口数量的快速增长, 石油等不可再生能源的过度消耗以及环境污染问题的日益严重, 引起了人们对生物质资源百富策略白菜网研究的高度重视。但是, 生物活性物质易在甲基纤维素膜表面生长, 导致膜的生物污染, 使甲基纤维素膜的百富策略白菜网受到限制;而厚朴提取物是天然的、可食用的, 不会危害人类的健康, 同时还具有优良的抗菌性和抗氧化性[7,8]。

鉴于甲基纤维素和厚朴提取物的特性, 本文以甲基纤维素为基体, 以厚朴提取物为功能性添加剂, 以期制备同时具有抗菌性能和抗氧化性能的厚朴提取物/甲基纤维素复合膜, 从而抑制微生物在食品表面繁殖生长且不被空气氧化, 以维持食品的原有品质, 延长食品的货架期, 提高商品价值。本文还考察了厚朴提取物添加量对甲基纤维素复合膜抗菌性能、抗氧化性能、物理力学性能、阻隔性能及外观性能等与食品包装相关性能的影响。此外, 结合衰减全反射傅里叶红外光谱、X射线衍射图谱和电镜对复合膜的结构进行分析及表征, 探索厚朴提取物与甲基纤维素分子间的相互作用, 为以甲基纤维素为基体的食品活性包装膜提供基础数据和技术支撑。

甲基纤维素:分析纯, 相对分子质量为 (186.86) n, 广州市金渡化工仪器有限公司;聚乙二醇400 (PEG-400) :分析纯, 平均聚合度1750±50, 醇解度98.0%~99.0%, 江苏省海安石油化工厂;无水乙醇、甲醇:分析纯, 天津市大茂化学试剂厂;无水氯化钙 (CaCl2) :分析纯, 广州一马试剂有限公司;厚朴提取物:纯度为90%, 广州合诚三先生物科技有限公司;1.1-二苯基-2-苦肼基TCL (DPPH) :分析纯, 上海如吉生物科技发展有限公司;牛肉浸粉、技术琼脂粉、细菌学蛋白胨:生物试剂, 广东环凯微生物科技有限公司;氯化钠 (NaCl) :分析纯, 西陇化工股份有限公司;氢氧化钠 (NaOH) :分析纯, 西陇化工股份有限公司;大肠杆菌、金黄色葡萄球菌:上海鲁微科技有限公司。

GB-3型数字测厚仪、GBH电子拉力试验机:广州标际包装设备有限公司;ZQX-1000型纸张透气度测定仪:长春市月明小型试验机有限责任公司;YQ-Z-48A白度颜色测定仪:杭州轻通博科自动化技术有限公司;YX系列压力蒸汽灭菌器:合肥华泰医疗设备有限公司;S54型紫外-可见分光光度计:上海棱光技术有限公司。

将3g甲基纤维素均匀溶解于66 mL无水乙醇中, 再加入33mL水, 同时加入0.9g PEG-400, 0.045g无水氯化钙, 用HW 60实验室顶置式搅拌机以100r/s的转速持续搅拌10min, 搅拌均匀后, 置于水浴锅中加热至60~70℃, 并持续搅拌30min, 制得甲基纤维素溶液;将不同质量的厚朴提取物分别加入到上述溶液中, 并用搅拌机以100r/s的转速持续搅拌10min, 制得厚朴提取物相比甲基纤维素的质量浓度分别为0%、5%、10%、20%、30%的成膜液;将上述溶液, 放入离心杯中, 称量, 保证对称两边溶液质量相等 (误差小于0.1g) 调节离心机转速为3000r/min, 时间设定为5min, 除去甲基纤维素复合膜膜液中的气泡;将上述步骤制得的甲基纤维素复合膜膜液流延在直径为9.3cm的玻璃培养皿上, 并在50℃烘箱中烘2.5h;待冷却揭膜, 将得到的厚朴提取物/甲基纤维素复合膜按不同试验需要制成试样, 并在室温及75%环境湿度下平衡48h后使用。

采用Nicolet/Nexus 670型傅里叶变换红外光谱仪的衰减全反射测量附件测量膜的红外吸收光谱。膜样品的大小为2cm×2cm, 测量时探针直接接触膜表面, 扫描范围为4000~700cm-1, 扫描次数为64, 分辨率为4cm-1。

采用日本理学D-MAX 2200VPC型旋转靶X射线衍射仪测定膜的晶形结构。测试范围为3°~40°, 扫描速率为10 (°) /min。

将膜用液氮淬冷后掰断, 断面喷金后采用JSM-6330F场发射扫描电子显微镜对试样断口形貌进行观测。

采用牛津杯法测定抗菌性能。在无菌操作下用移液枪移取100μL添加不同浓度厚朴提取物的膜液分别滴加于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的有菌培养基平板的圆柱型小孔中, 然后将培养皿置于37℃恒温箱中培养24h。通过测量抑菌圈的直径来评价抗菌膜的抑菌效果, 同时将不加抗菌剂的膜液按照同样的操作步骤作空白对照。

厚朴提取物/甲基纤维素复合膜的抗氧化性能用1.1-二苯基-2-苦基TCL肼 (DP-PH) 自由基清除率来表征。鉴于BIois[9]和Ubonrat等[10]的方法, 并略有改动。将3mL浓度为10-6 mol/L的DPPH甲醇溶液与9mL添加不同浓度厚朴提取物的厚朴提取物甲基纤维素复合膜液混合。将混合液放入暗室反应30min, 然后用紫外分光光度计在517nm处测定混合液的吸光度。每个样品做6次平行实验, 结果取平均值。

DPPH自由基清除率的计算如式 (1) :

式中:DPPH scavenging activity———DPPH自由基清除率;As (o) ———在517nm处DPPH甲基纤维素膜液和DPPH甲醇溶液的吸光度;AS———在517nm处厚朴提取物/甲基纤维素复合膜膜液和DPPH甲醇溶液混合液的吸光度。

复合膜的力学性能, 包括拉伸强度和断裂伸长率的测定按照参考文献[11]的方法进行。

复合膜的透气度测定采用参考文献[11]的方法进行。

将复合膜试样 (1cm×4cm) 称量 (Wi) , 放入培养皿中, 加入30mL的蒸馏水, 5h之后取出试样, 用滤纸轻轻擦去试样表面的水, 然后称量 (Wf) , 实验采用3个平行样, 结果取平均值, 溶胀度 (SI) 的计算如式 (2) :

式中:Wf———试样溶胀后的质量;Wi———试样溶胀前的质量。

颜色采用YQ-Z-48A白度颜色测定仪进行测量, 其中L*表示亮度 (由白到黑) , a*值表示红度 (正值是红, 负值是绿) , b*值表示黄度 (正值是黄, 负值是蓝) 。总色差用ΔE*表示, 色度用C*表示。

透光率采用上海棱光技术有限公司生产的S54型紫外-可见分光光度计测得。将膜取样成9mm×30mm的矩形, 贴在比色皿 (1cm) 的一侧, 在560nm下测定其透光率 (T) , 每个样品重复处理3次, 以空皿做空白。

式中:Tr———薄膜在560 mm下的透光率;To———对照, 为不放薄膜时光的透光率 (透光率为100%) 。

Fig.1为甲基纤维素膜和厚朴提取物/甲基纤维素复合膜的FT-IR谱图。Fig.1中谱线a对应于甲基纤维素膜, 谱线b~e分别为添加厚朴提取物质量分数为5%、10%、20%、30%的厚朴提取物/甲基纤维素复合膜的红外光谱。FT-IR谱图中906cm-1处为环氧基的特征吸收峰。在厚朴提取物/甲基纤维素复合膜中, 不难发现随着厚朴提取物添加量的增加, 在3450cm-1处附近归属于厚朴提取物的氢键O-H的伸缩振动峰向低波数方向移动;吸收峰在1055cm-1处的峰变宽归属于MC醚键的伸缩振动峰并没发生变化。厚朴提取物质量分数为20%和30%的复合膜中在2900cm-1处产生了新峰, 这个峰是厚朴提取物/甲基纤维素复合膜中C-H键伸缩振动产生的。1300cm-1处的峰强度变得越来越弱甚至消失, 说明随着厚朴提取物的增加, 甲基纤维素中的C-O-C键可能发生了断裂, 使得甲基纤维素的分子链变短。

Fig.2中 (A) 和 (B) 分别为厚朴提取物和甲基纤维素膜、厚朴提取物/甲基纤维素复合膜的XRD曲线图。其中a、b、c、d、e分别是添加厚朴提取物浓度为0%、5%、10%、20%、30%的复合膜的XRD曲线图。Fig.2 (A) 中, 在测试范围内厚朴提取物的XRD图为大量峰较弱但很尖的衍射峰, 其中在2θ=2.5°~19.5°范围内出现了2个较强且很尖的衍射峰, 说明厚朴提取物具有一定的结晶性且晶粒较大;Fig.2 (B) 中, 在2θ=13.5°~17.5°范围内出现了2个很尖的衍射峰, 但衍射峰的峰较宽, 表明甲基纤维素膜和复合膜均具有一定的结晶性但晶粒较小, 且随着厚朴提取物添加量的增加, 在2θ=13.5°~17.5°范围内2个衍射峰的峰强度逐渐变弱, 但位移始终没有变化, 表明厚朴提取物和甲基纤维素之间存在着分子间相互作用, 降低了甲基纤维素分子链的规整排列, 使复合膜的结晶性受到一定的影响。直到厚朴提取物添加量达到20%时, 峰强度突然变大, 可能是厚朴提取物量较大, 使复合膜体系中存在一部分游离的厚朴提取物, 而厚朴提取物自身结构的XRD衍射峰与复合膜的XRD的衍射峰叠加作用, 导致XRD测试的结果显示复合膜的衍射峰突然增强。

Fig.3为甲基纤维素膜和厚朴提取物添加量为30%的厚朴提取物/甲基纤维素复合膜断面的SEM图。由图中可知, 30%的厚朴提取物/甲基纤维素复合膜的断面较为均一, 说明厚朴提取物与甲基纤维素之间具有良好的相容性;与甲基纤维素膜相比, 较为粗糙, 表明加入厚朴提取物后, 甲基纤维素分子与厚朴提取物分子之间存在较强的相互作用, 这与红外光谱的结果相互佐证。

微生物的生长繁殖是造成食品变质的主要原因之一。添加不同浓度厚朴提取物的厚朴/甲基纤维素复合膜对金黄色葡萄球菌 (A、B) 、大肠杆菌 (C、D) 的抑菌效果如Fig.4, Fig.5所示。由Fig.4和Fig.5可知, 厚朴提取物/甲基纤维素复合膜液的培养基均有明显的抑菌圈, 而未添加厚朴提取物的膜液的培养基无明显抑菌圈, 即甲基纤维素膜液没有抑菌能力, 而厚朴/甲基纤维素复合膜液可以有效抑制金黄色葡萄球菌革兰氏阳性菌、大肠杆菌革兰氏阴性菌的生长, 且当厚朴提取物添加量为5%时, 金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈分别显著增至21mm和19mm, 并随厚朴提取物浓度增加而逐渐增大。实验结果显示, 在高温成膜过程中, 厚朴提取物的抗菌性未受到影响, 且对金黄色葡萄球菌的抑菌效果优于大肠杆菌, 这与李园莉[12]的厚朴酚与厚朴酚高效提制技术及抗菌活性的研究结论一致。厚朴提取物/甲基纤维素复合膜百富策略白菜网于食品包装, 具有抗菌性能, 对通过杀死或抑制食品在加工、储运和处理过程中表面的残留微生物来延长食品货架期起关键作用。

在食品和生物系统中, 氧化反应产生的有害化合物是自由基, 它具有强氧化性, 可损害体系中的组织和细胞, 所以清除自由基是非常重要的, 自由基清除率的高低通常能反映物质的抗氧化性能, 测定抗氧化剂对1, 1-二苯基-2-苦肼基/TCL (DPPH) 自由基的清除率是常用的一种方法, 它可以检验抗氧化剂清除自由基的能力, 进而评价其抗氧化性能。

Fig.6显示了厚朴提取物/纤维素复合膜清除DPPH自由基的能力, 甲基纤维素膜不具有抗氧化性能, 但当厚朴提取物添加量为5%时, 复合膜的DPPH自由基清除率已达80.3%, 说明添加厚朴提取物能使厚朴提取物/甲基纤维素复合膜具有很强的抗氧化性能。进一步研究发现, 随着厚朴提取物添加量的增加, 复合膜的自由基清除率变化不大, 趋于稳定;这可能是由于复合膜的溶解度随厚朴提取物添加量的增加而降低, 影响厚朴提取物在DPPH/甲醇溶液的溶解量;这说明添加厚朴提取物可在一定范围内增强甲基纤维素膜的抗氧化能力, 之后趋于稳定, 这与胡迎芬[13]的厚朴抗氧化作用研究结论一致。

Fig.7为膜在75%相对湿度环境下的拉伸强度及断裂延伸率随厚朴提取物含量的变化趋势图。由图可知, 随着厚朴提取物添加量的增加, 复合膜的拉伸强度和断裂伸长率均呈下降趋势。当厚朴提取物添加量从0%增加至20%时, 复合膜的拉伸强度由35.06 MPa降低至27.8 MPa, 下降了20.7%;断裂伸长率由61.32%降低至36.56%, 下降了40.4%。

甲基纤维素分子链在成膜时形成的聚集态结构及分子链长度会影响膜的力学性能。厚朴提取物的主要成分是2种多酚类物质———厚朴酚及厚朴酚, 是小分子化合物, 不具有成膜性。当甲基纤维素与厚朴提取物混合流延成膜时, 甲基纤维素与厚朴提取物分子间的相互作用会影响甲基纤维素分子链的聚集态结构, 而使厚朴提取物/甲基纤维素复合膜中甲基纤维素分子链的网络结构发生改变, 导致厚朴提取物/甲基纤维素复合膜的力学性能下降。此外, 厚朴提取物作为添加剂加入到甲基纤维素中, 当厚朴提取物与甲基纤维素分子间的相互作用强度小于甲基纤维素分子间的相互作用, 甲基纤维素分子链之间的应力传递能力下降, 这可能是导致厚朴提取物/甲基纤维素复合膜力学性能下降的主要原因。Moradi等[14]将葡萄籽提取物和蔷薇精油加入到壳聚糖中, 也出现所制备的复合膜力学性能低于壳聚糖膜的现象。

食品包装膜能够有效地阻碍食物与周围环境的水分及气体的交换, 起到保湿和护色的保鲜效果, 从而延长其货架期。Fig.8给出了复合膜的透气度和溶胀度随厚朴提取物添加量的变化。由图可知, 添加厚朴提取物后, 复合膜的透气度和溶胀度均呈上升趋势。当厚朴提取物添加量从0%增大至20%时, 透气度从6.6×10-5μm/ (Pa·s) 增大到9.1×10-5μm/ (Pa·s) , 相比增大了27.5%;且溶胀度从0%增至1196.2%。这是因为甲基纤维素分子含有大量亲水性的羟基, 而厚朴提取物的主要成分是厚朴酚与厚朴酚, 含有大量亲水性的羟基, 能促进气体和水分向膜内的扩散, 导致厚朴提取物/甲基纤维素复合膜的吸湿性能增强, 而阻湿性能明显降低, 不利于阻止水分的转移。

包装膜的颜色是影响包装产品外观的重要因素之一。不同颜色的包装膜会影响人们对食品的感官感受。厚朴/甲基纤维素复合膜的a* (红度) , b* (黄度) , L* (亮度) , C* (色度) , ΔE* (色差) 值见Tab.1, 由Tab.1可知, 随着厚朴提取物的浓度的增加, 复合膜的a*、b*、C*随之增大;而复合膜的L*、ΔE*和透光率T随之减小, 复合膜的颜色发生了变化。随着厚朴提取物浓度增大, 红度a*值变大说明厚朴/甲基纤维素复合膜由深绿色逐渐变为浅绿色;黄度b*值变大则说明厚朴/甲基纤维素复合膜由浅黄色向深黄色变化;色度C*值变大说明厚朴/甲基纤维素膜的颜色更加鲜艳;而亮度L*值的减小说明厚朴/甲基纤维素膜的亮度变低。综合上述几种数值的变化, 厚朴/甲基纤维素复合膜呈现出淡黄色外观;且随着厚朴提取物添加量的增加, 黄色加深, 同时复合膜的透光率和透明度降低。与Gómez-Guillén等[15]在鱼胶膜中添加抗氧化剂琉璃苣的研究一致。

(1) 添加厚朴提取物后, 厚朴提取物/甲基纤维素复合膜同时具有抗菌能力和抗氧化能力。且厚朴提取物/甲基纤维素复合膜抑菌能力随厚朴提取物添加量的增大而增强, 厚朴提取物/甲基纤维素复合膜对菌的抑菌能力:金黄色葡萄球菌革兰氏阳性菌>大肠杆菌阴性菌;其抗氧化能力亦随着添加厚朴提取物浓度的增加而显著提高, 后逐渐趋于稳定。

(2) 随着厚朴提取物添加量的增加, 复合膜的透气度、溶胀度显著提高, 导致阻隔性能降低;拉伸强度和断裂伸长率呈下降趋势。

(3) 随着厚朴提取物添加量的增加, 复合膜的密度增大, 水含量减小, 透明度下降。在颜色方面, 红度a*值、黄度b*值和色度C*值显著提高, 而亮度L*值、色差ΔE*值和透光率T显著降低, 说明复合膜透明度降低, 膜逐渐呈现出淡黄色的外观, 且随着厚朴提取物添加量的增加, 这种颜色会越来越深。

(4) 通过FT-IR、XRD和SEM对膜进行结构分析, FT-IR结果表明随着厚朴提取物这种功能性成分添加量的增加, C-O-C键发生了断裂, 使得甲基纤维素的分子链变短, 影响其分子链的规整性, 这是造成复合膜力学性能下降的主要原因;XRD结果表明添加厚朴提取物, 会导致甲基纤维素的衍射峰的峰形发生变化, 分子链的规整排列降低, 影响其结晶性。此外, SEM结果表明厚朴提取物与甲基纤维素之间未出现相分离, 两者之间具有良好的相容性, 且甲基纤维素与厚朴提取物分子之间存在较强的相互作用力。以上3种表征方法的分析结果相互佐证。