王利強，賈超，盧立新，謝甲有

1(江南大學包裝工程系，江蘇無錫，214122)

2(中國包裝總公司食品包裝技術與安全重點實驗室，江蘇無錫，214122)

3(浙江海正藥業(yè)股份有限公司，浙江臺州，318000)

淀粉基復合膜是以淀粉為主要成膜物質，并與其他多糖、蛋白質、脂肪結合在一起，通過不同分子之間的相互作用而形成的具有多孔網絡結構的薄膜。與單膜相比，復合膜在性能上不僅能夠取長補短，而且可以相互協(xié)同，達到單膜所不具備的優(yōu)異性能。淀粉膜具有良好的拉伸性、透明度、耐折性、水不溶性和低透氣率等特點。其中，馬鈴薯淀粉膜在膜強度、柔韌性、透明度和溶解度等方面都優(yōu)于谷物淀粉所成的膜［1］。普魯蘭多糖制成的薄膜透明，有光澤，強度高，具有良好的熱封性，透氣性比其它高分子膜低，氧氣、氮氣、二氧化碳、香氣等氣體幾乎不能透過，且具有抗油脂的特性［2］。明膠可食性膜具有阻氧性、防止油脂遷移和抗微生物繁殖等作用，可用于包裹水分含量低、含脂量高的食品或藥物囊衣［3］。麝香草酚又稱百里香酚，最初發(fā)現于麝香草、薄荷科芬芳植物和陳皮的精油中，具有防腐殺菌及抗氧化的作用［4］。丁香為桃金娘科植物丁香的干燥花蕾，其性辛溫，主要成分是丁香酚，占丁香油含量的80% ～95%。丁香油具有較強的抗菌殺菌能力和抗氧化作用，可用作食品保鮮劑，它的抑菌譜寬，對酵母、細菌、霉菌都有較強的抑制力［5-6］。本文將麝香草酚和丁香油添加到馬鈴薯淀粉基復合膜中，研究抗菌劑對復合膜機械性能、水蒸氣透過率、水溶性、透光率的影響，并采用抑菌圈實驗研究添加抗菌劑的復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果，從而為抗菌可食膜的理論研究和實際商業(yè)應用提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉、明膠、甘油、無水CaCl2、牛肉浸膏、瓊脂粉、麝香草酚、NaOH，國藥集團化學試劑有限公司;普魯蘭多糖，河南所以化學試劑有限公司;丁香油，中國醫(yī)藥(集團)上?；瘜W試劑公司;魚蛋白胨，北京奧博星生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

YJ501超級恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;JB200-S數字顯示轉速電動攪拌機，上海標本模型廠;恒溫恒濕試驗機，慶聲科技股份有限公司;Q/ILBN2-2006CH-1-S千分手式薄膜測厚儀，上海六菱儀器廠;LRX Plus型萬能電子材料試驗機，英國LLOYD公司;UV-2802型紫外可見光分光光度計，尤尼柯(上海)儀器有限公司;SYQ-DSX-280B型手提式壓力蒸汽滅菌鍋，上海申安醫(yī)療器械廠;智能人工氣候箱，常州諾基儀器有限公司;SW-CJ-1G型單人凈化工作臺，蘇凈凈化設備有限公司;THZ-85B型臺式恒溫振蕩器，常州諾基儀器有限公司;SPX-150B-Z型生化培養(yǎng)箱，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠。

1.3 實驗方法

用100 mL去離子水溶解3.5 g馬鈴薯淀粉，80℃水浴糊化20 min，加入1 g普魯蘭多糖和0.5 g明膠，水浴攪拌20 min，加入 0.5 g甘油和 0.1 g CaCl2，隨后加入一定質量的麝香草酚或丁香油，用去離子水定容到200 mL，水浴攪拌15 min，制成成膜物質的質量分數為2.5%，抗菌劑的含量(w/v)為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的溶液，在有機玻璃板上流延成膜，在50℃干燥箱中烘干。冷卻揭膜，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 性能測試

1.3.2.1 厚度測定

用千分手式薄膜測厚儀(測量精度為0.001 mm)在被測膜上隨機取5點測定，取平均值。

1.3.2.2 機械性能測定

根據 GB1040.3-2006［7］，將薄膜裁成 15 mm ×150 mm的長條，在材料試驗機上以50 mm/min的速度測定薄膜的機械性能。

小學數學的教學內容雖然具有一定的理論性，但這些理論知識往往普遍地體現在生活當中，教師在教學過程中，要圍繞學生的現實生活展開積極的聯想，發(fā)掘其中蘊含數學知識的現象或場景，并將其進行加工和設計，合理地引入到課堂教學中來，把理論化的知識通過現實的事物表現出來，易于學生理解和接受。

1.3.2.3 水蒸氣透過率(WVP)測定

水蒸氣透過率(water vapor permeability，WVP)參照王靜平［8］所述的方法進行測定。

1.3.2.4 水溶性測定［9］

將薄膜裁剪成50 mm×50 mm大小，與燒杯一起干燥至恒重，稱量薄膜的質量m0及薄膜與燒杯的總質量m1。在燒杯中加入100 mL水，室溫下浸泡24 h，倒掉水后將薄膜和燒杯干燥至恒重，稱量薄膜與燒杯的總質量m2，計算水溶性(S):

1.3.2.5 透光率測定［10］

將薄膜裁成長100 mm、寬12 mm的矩形，緊貼于比色皿一側，在600 nm波長下測定其透光率，以空比色皿作為對照。

1.3.2.6 抗菌性能測定

(1)菌種的活化與菌懸液的制備

將大腸桿菌和金黃色葡萄球菌用牛肉膏蛋白胨瓊脂斜面培養(yǎng)基連續(xù)培養(yǎng)活化2次，從2次活化的斜面培養(yǎng)基上取1菌環(huán)量的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌接種到裝有100 mL無菌牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基的三角瓶中，于37℃、每分鐘振蕩120次的往返式振蕩器中培養(yǎng)12 h，得測試菌液。用無菌生理鹽水對測試菌液做10倍梯度稀釋，取濃度為107CFU/mL的菌懸液備用

(2)抑菌圈實驗

在超凈工作臺中，將熔化的牛肉膏蛋白胨瓊脂固體培養(yǎng)基倒入無菌培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿中倒15 mL，冷卻得到培養(yǎng)基平板，用移液槍吸取0.2 mL菌懸液滴加到培養(yǎng)基平板上，用無菌涂布環(huán)將菌懸液涂布均勻，制得含菌培養(yǎng)基平板，干燥10 min。

用打孔器分別將不含抗菌劑的薄膜和含有抗菌劑的薄膜打成直徑為6.5 mm的圓片，紫外燈下滅菌30 min，用無菌鑷子夾起薄膜放入含菌培養(yǎng)皿中，貼放好后，用無菌鑷子輕壓膜片，使其緊貼于平板表面。每個培養(yǎng)皿分別放置膜片1片，平行做3個培養(yǎng)皿。蓋好培養(yǎng)皿，倒置于37℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)18～24 h，觀察結果。用游標卡尺測量抑菌圈的直徑(包括膜片)并做記錄，用抑菌圈面積大小衡量薄膜的抗菌效果。

抑菌面積=抑菌圈整個面積-膜片面積

2 結果與討論

2.1 抗菌劑對復合膜機械性能的影響

由圖1可知，添加麝香草酚的復合膜抗拉強度先減小后增加，而斷裂伸長率先增加后減小。未添加麝香草酚的復合膜的抗拉強度和斷裂伸長率分別為23.93 MPa和10.51%。

圖1 麝香草酚對復合膜機械性能的影響Fig.1 Effect of thymol on the mechanical properties of composite films

隨著麝香草酚的添加，復合膜的抗拉強度先減小，當麝香草酚的含量為0.2%時，復合膜的抗拉強度減小到最小，最小抗拉強度為14.96 MPa，與未添加麝香草酚的復合膜相比，減小了37.48%。隨著麝香草酚含量的繼續(xù)增加，復合膜的抗拉強度開始增加。復合膜的抗拉強度減小可能是由于麝香草酚使復合膜的平均孔徑增加造成的;隨著麝香草酚含量的增加，抗拉強度增加，可能是由于麝香草酚與成膜物質之間形成了交聯［11］。隨著麝香草酚含量的增加，復合膜的斷裂伸長率先增加，當麝香草酚的含量為0.2%時，復合膜的斷裂伸長率達到最大，最大斷裂伸長率為12.14%，與未添加麝香草酚的復合膜相比，增加了15.51%。隨著麝香草酚含量的繼續(xù)增加，復合膜的斷裂伸長率開始減小。薄膜的斷裂伸長率代表了薄膜拉伸的能力，通常抗拉強度的增加伴隨著斷裂伸長率的減小。Jang等［11］的研究結果表明，添加麝香草酚的紅藻-明膠復合膜的抗拉強度先減小后增加，而斷裂伸長率沒有明顯變化。

由圖2可知，添加丁香油的復合膜抗拉強度先增加后減小，而斷裂伸長率呈先減小后增加的趨勢。隨著丁香油含量的增加，復合膜的抗拉強度先增加，當丁香油的含量為0.2%時，抗拉強度達到最大，最大抗拉強度為25.13 MPa，與未添加丁香油的復合膜相比，增加了5.01%。當添加的丁香油含量大于0.2%時，復合膜的抗拉強度急劇減小，當丁香油含量為0.5%時，減小到了17.07 MPa。丁香油的主要成分是丁香酚，占丁香油含量的80% ～95%［6］。丁香酚含有羥基，在復合膜中添加丁香油后，復合膜的抗拉強度增加，可能是由于丁香酚所含的羥基與成膜物質所含的羥基、氨基或羰基形成氫鍵，從而增加了成膜物質之間的相互作用。而當丁香油含量較高時，過多的丁香油會造成薄膜網絡微觀結構的破壞［12］，因而抗拉強度減小。復合膜的斷裂伸長率隨著丁香油含量的增加先增加，當丁香油含量為0.1%時，斷裂伸長率增加到13.24%，隨后開始減小，直到丁香油含量為0.3%時，復合膜的斷裂伸長率減小到最小，最小斷裂伸長率為8.44%，與未添加丁香油的復合膜相比，減小了19.70%。隨著丁香油含量的繼續(xù)增加，復合膜的斷裂伸長率開始增加。

圖2 丁香油對復合膜機械性能的影響Fig.2 Effect of clove oil on the mechanical properties of composite films

2.2 抗菌劑對復合膜WVP的影響

由圖3可知，在復合膜中添加麝香草酚和丁香油，復合膜的WVP均增加。添加麝香草酚，復合膜的WVP增加，可能是由于添加麝香草酚后復合膜的平均孔徑增加［11］，從而導致復合膜對水的滲透性提高。添加丁香油，復合膜的WVP增加，可能是由于丁香油的主要成分丁香酚的羥基與水相互作用，增加了復合膜的含水量，從而使復合膜的滲透性增加。

圖3 抗菌劑對復合膜WVP的影響Fig.3 Effect of antibacterial agents on the WVP of composite films

Jang等［11］的研究結果表明，添加麝香草酚的紅藻-明膠復合膜的WVP增加。而Han等［13］的研究結果卻表明，添加麝香草酚的低密度聚乙烯/聚酰胺膜的WVP減小。Wang等［12］的研究結果表明，殼聚糖膜中添加丁香油后，殼聚糖膜的WVP增加。

2.3 抗菌劑對復合膜水溶性的影響

由圖4可知，添加麝香草酚的復合膜的水溶性先增加后減小，而添加丁香油的復合膜的水溶性逐漸增加。未添加抗菌劑的復合膜的水溶性為25.55%，隨著麝香草酚的加入，復合膜的水溶性逐漸增加，當麝香草酚的含量為0.2%時，水溶性達到最大，最大水溶性為42.27%，與未添加麝香草酚的復合膜相比，增加了65.44%。隨著麝香草酚含量的繼續(xù)增加，復合膜的水溶性開始減小。在復合膜中添加少量的麝香草酚，造成了復合膜平均孔徑的增加［11］，因而水溶性增加;隨著麝香草酚含量的增加，復合膜的水溶性減小，這可能是由于麝香草酚與成膜物質之間形成了交聯［11］，使復合膜的結構變得更加緊密，因而水溶性減小。在復合膜中添加丁香油，復合膜的水溶性增加，這主要是由于成膜物質與多元酚相互作用，從而削弱了成膜物質之間的相互作用［14］。Gómez-Estaca等［14］的研究結果表明，在明膠膜中添加丁香油會顯著增加薄膜的水溶性。

圖4 抗菌劑對復合膜水溶性的影響Fig.4 Effect of antibacterial agents on the water-solubility of composite films

2.4 抗菌劑對復合膜透光率的影響

由圖5可知，在復合膜中添加麝香草酚和丁香油，復合膜的透光率均先減小后增加。未添加抗菌劑的復合膜的透光率為84.66%，隨著抗菌劑的加入，復合膜的透光率逐漸減小，當麝香草酚和丁香油的含量分別為0.2%和0.3%時，復合膜的透光率均減小到最小，最小透光率分別為64.40%和64.67%，與未添加抗菌劑的復合膜相比，分別減小了23.93%和23.61%。隨著抗菌劑含量的繼續(xù)增加，復合膜的透光率又有所增加。

圖5 抗菌劑對復合膜透光率的影響Fig.5 Effect of antibacterial agents on the light transmission rate of composite films

2.5 抗菌劑對復合膜抗菌性能的影響

由圖6可知，添加麝香草酚的復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積均隨麝香草酚含量的增加而增加。當麝香草酚的含量為0.1%時，復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積分別為27.63 mm2和36.97 mm2。隨著麝香草酚含量的增加，抑菌圈面積逐漸增加，當麝香草酚含量為0.5%時，抑菌圈面積分別達到46.31 mm2和53.46 mm2。

由圖6還可以看到，除麝香草酚含量為0.4%外，添加麝香草酚的復合膜對金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積都大于對大腸桿菌的抑菌圈面積，說明添加麝香草酚的復合膜對金黃色葡萄球菌的抑制作用強于對大腸桿菌的抑制作用。這是由于麝香草酚是疏水的，它能夠破壞革蘭氏陰性菌外面的膜，使其釋放出脂多糖，從而增加細胞質膜對ATP的滲透性［15］。研究認為細菌的細胞膜結構是由兩層磷脂分子組成的，麝香草酚具有較強的表面活性和脂溶性，能迅速穿入細胞膜，使其結構發(fā)生變化，引起膜的擴張和不穩(wěn)定，增加膜的流動性，從而破壞細胞的生理代謝，抑制細菌正常的生理活動［16-17］。

圖6 麝香草酚對復合膜抗菌性能的影響Fig.6 Effect of thymol on the antibacterial properties of composite films

Jang等［11］的研究結果表明，添加麝香草酚的紅藻-明膠復合膜對大腸桿菌有抑制作用，且隨著麝香草酚濃度的增加，抑制作用增加。Gniewosz等［18］的研究結果表明，添加麝香草酚的普魯蘭多糖膜對金黃色葡萄球菌的抑制作用強于對大腸桿菌的抑制作用。Kuorwel等［19］的研究結果表明，用麝香草酚涂層的淀粉基薄膜能夠有效地抑制金黃色葡萄球菌的生長，且抑菌效果隨著麝香草酚濃度的增加而顯著增加。

由圖7可知，添加丁香油的復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積均隨丁香油含量的增加而增加。當丁香油的含量為0.1%時，復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積分別為28.57 mm2和27.63 mm2。從圖中可以發(fā)現，當丁香油含量較低時，添加丁香油的復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積相差不大，其對大腸桿菌的抑菌圈面積略大于對金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積。當丁香油含量大于0.3%時，添加丁香油的復合膜對金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積急劇增加，明顯大于對大腸桿菌的抑菌圈面積，說明當丁香油含量較高時，添加丁香油的復合膜對金黃色葡萄球菌的抑制作用強于對大腸桿菌的抑制作用。當丁香油含量為0.5%時，復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積分別達到42.00 mm2和55.39 mm2。丁香提取物的抗菌機理可能是與氨基糖苷類競爭性抑制蛋白質的合成過程有關［20］，而 Wendakoon 等［21］猜測，丁香酚的羥基可能與蛋白質結合，從而阻止酶的作用。Gómez-Estaca 等［14，22］的研究結果表明，添加丁香油的明膠膜和明膠/殼聚糖膜都能夠抑制大腸桿菌的生長。Wang等［12］的研究結果也表明，添加丁香油的殼聚糖膜對金黃色葡萄球菌的抑制作用強于對大腸桿菌的抑制作用。

圖7 丁香油對復合膜抗菌性能的影響Fig.7 Effect of clove oil on the antibacterial properties of composite films

由圖6和圖7可以發(fā)現，添加麝香草酚和丁香油的復合膜對金黃色葡萄球菌的抑制作用都強于對大腸桿菌的抑制作用。大腸桿菌是典型的革蘭氏陰性菌，而金黃色葡萄球菌是典型的革蘭氏陽性菌，大多數研究表明，精油對革蘭氏陽性菌的抑制效果比對革蘭氏陰性菌的抑制效果好，這是因為革蘭氏陰性菌細胞壁周圍有一層外膜，它限制了疏水性化合物通過它的脂多糖覆蓋物的擴散［16］。然而，也有一些研究人員得出了相反的結論。Nutcha等［23］證實，添加丁香酚的纖維素基薄膜對大腸桿菌的抗菌效果比對金黃色葡萄球菌的抗菌效果好。李京晶等［5］對丁香油的抗菌試驗研究表明，丁香油對大腸桿菌的抗菌活性與對金黃色葡萄球菌的抗菌活性相當。

3 結論

通過研究天然抗菌劑麝香草酚和丁香油對馬鈴薯淀粉基復合膜性能的影響，結果表明:麝香草酚和丁香油能夠顯著影響復合膜的機械性能，增加復合膜的水蒸氣透過率和水溶性，降低復合膜的透光率。添加抗菌劑的復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有較強的抑制作用，復合膜的抗菌效果隨著抗菌劑含量的增加而逐漸增強，且添加這兩種抗菌劑的復合膜對金黃色葡萄球菌的抑制作用均強于對大腸桿菌的抑制作用。

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