陳晨偉，許哲瑋，馬亞蕊，謝 晶,*，張勤軍，唐智鵬，楊福馨

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306；3.農業(yè)部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室（上海），上海 201306；4.食品科學與工程國家級實驗教學示范中心（上海海洋大學），上海 201306）

隨著食品包裝技術的不斷發(fā)展，活性包裝薄膜材料作為一種非常具有發(fā)展前景的包裝技術，已經受到國內外研究人員的廣泛關注。釋放型食品活性包裝薄膜是活性包裝薄膜材料的一種，是指將抗菌劑、抗氧化劑等活性物質加入塑料薄膜材料中，在食品貯藏過程中能從薄膜內向食品中釋放出活性物質，延長食品貨架壽命、改進感官品質、提高食品安全性，從而維持食品品質[1]。

聚乙烯醇（poly-(vinyl alcohol)，PVA）是一種多羥基的合成高分子聚合物，具有優(yōu)異的生物相容性、成膜性、透明性、氣體阻隔性、可降解性等優(yōu)點[2-4]，被廣泛應用于包裝材料、醫(yī)藥等領域，已被美國農業(yè)部批準用于肉類、家禽類食品的包裝[5]。因此，國內外學者開展了大量以PVA為基材的活性包裝薄膜研究，制備得到含不同類型活性物質的具有抗菌、抗氧化性能的包裝薄膜[6-14]，延長了奶酪、牛肉、鳊魚等食品的貨架期[15-18]。對于釋放型活性包裝薄膜，其抗菌/抗氧化功能性的實現(xiàn)是基于活性物質從薄膜基質向食品中的擴散作用。因此，在抗菌/抗氧化包裝薄膜的開發(fā)過程中，掌握薄膜中活性物質的釋放規(guī)律極其重要。食品是一個多成分的復雜體系，為方便研究，常用食品模擬物代替真實食品來進行薄膜中活性物質的釋放規(guī)律研究，如歐盟法規(guī)中規(guī)定以10%（體積分數(shù)，下同）乙醇溶液、3%醋酸溶液、20%乙醇溶液及50%乙醇溶液、植物油和聚2,6-二苯基苯乙烷（60～80 目、200 nm）食品模擬物分別代表水性、酸性、含酒精類、高脂肪類和干性食品[19]。大量學者通過釋放實驗研究了薄膜在不同食品模擬物體系中活性物質的釋放性能，并通過動力學模型揭示其釋放規(guī)律[20-23]。常用的動力學模型有Fickian模型[20-22]、Fickian＋一級動力學模型[23]、Weibull模型[24]和短期釋放模型[21]，其中Fickian模型應用最為廣泛。

目前大部分動力學模型研究都是基于某一種模型對薄膜在食品模擬物中活性物質的釋放規(guī)律進行表征，評價模型的擬合效果，而鮮有采用不同動力學模型對其釋放規(guī)律進行表征及比較分析的相關報道。本研究通過釋放實驗探究了PVA薄膜中茶多酚（tea polyphenols，TP）向水中的釋放規(guī)律，比較分析了4 種不同動力學模型對茶多酚釋放規(guī)律的表征，為研究活性包裝薄膜在水性食品模擬體系中活性物質的釋放規(guī)律提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

100-27 1799型PVA樹脂（分子質量70 000～85 000 Da，聚合度1 700，醇解度99%） 中國石化上海石油化工股份有限公司；茶多酚（純度≥98%） 鄭州景德化工產品有限公司；丙三醇、無水碳酸鈉、硼酸、冰乙酸、無水乙醇、福林-酚試劑 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

UTP-313電子天平 上?；ǔ彪娖饔邢薰?；安全智能型反壓高溫蒸煮鍋 北京發(fā)恩科貿有限公司；LHS-150HC-II恒溫恒濕箱、DZF-6030A真空干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；AZY-SERIES加熱臺 深圳市安卓源科技電子有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 邦西儀器科技（上海）有限公司；UV-2100型紫外-可見分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司；超聲波清洗器 上?？茖С晝x器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 包裝膜制備

參照前期研究的方法[25]，采用溶液流延法制備得到3 種含不同質量分數(shù)（分別占PVA樹脂質量的0.5%、2.0%、4.0%）茶多酚的PVA活性薄膜，分別標記為PVA-0.5TP、PVA-2.0TP和PVA-4.0TP，將其裝入高阻隔袋中抽真空密封后放入干燥器內備用。

采用螺旋測微儀測量薄膜厚度；通過天平稱取薄膜質量，計算得到薄膜的密度。PVA-0.5TP、PVA-2.0TP和PVA-4.0TP薄膜測得的厚度分別為（0.058±0.001）、（0.059±0.002）mm和（0.058±0.001）mm，測得的密度分別為（1.308±0.010）、（1.301±0.011）g/cm3和（1.305±0.007）g/cm3。

1.3.2 釋放實驗

1.3.2.1 薄膜中茶多酚質量濃度的測定

將厚度相近且均勻的薄膜樣品裁切成40 mmh40 mm，取6 片薄膜樣品加入含50 mL 75%（體積分數(shù)，下同）乙醇溶液的棕色玻璃瓶中，在45 ℃、40 Hz下超聲處理120 min。采用福林-酚法，將1 mL待測液加入5 mL質量分數(shù)10%福林-酚溶液中，搖勻并在3～8 min后加入4 mL質量分數(shù)7.5%碳酸鈉溶液，搖勻并在室溫下靜置60 min，在765 nm波長處測定吸光度，做3 個平行試樣，取平均值，計算得到茶多酚質量濃度。將薄膜取出，瀝干后加入新的50 mL 75%乙醇溶液中，重復上述步驟，測定待測液中的茶多酚質量濃度；重復以上操作直至待測液中的茶多酚質量濃度足夠?。ú怀^5h10－5g/100 mL），最后將各次測得的質量濃度經計算相加得到薄膜中茶多酚的總量[26]。

1.3.2.2 薄膜中茶多酚向水中釋放量測定

以水為食品模擬液，將厚度相近且均勻的薄膜樣品裁切成40 mmh40 mm，取12 片薄膜樣品加入100 mL水中，密封避光放置于25 ℃環(huán)境中，間隔一定時間（0～0.5 h時，每間隔10 min取樣；0.5～3.0 h時，每間隔30 min取樣；3.0～8.0 h，每間隔60 min取樣；之后每間隔24 h取樣）從中移取1 mL模擬液，采用1.3.2.1節(jié)福林-酚法測定其吸光度，做3 個平行試樣，取平均值，經計算得到該時刻水中茶多酚的釋放量。

1.3.3 釋放動力學模型的建立

1.3.3.1 Fickian模型

Fickian第二定律常被用來模擬食品接觸材料中活性物質的釋放行為。在釋放實驗中，根據(jù)包裝材料體積與食品/模擬液體積之間的關系，F(xiàn)ickian模型可以分為有限包裝-無限食品模型和有限包裝-有限食品模型。由于本釋放實驗中包裝材料的體積與食品體積相比是不可忽略的，所以選擇有限包裝-有限食品模型，方程分別如式（1）、（2）所示。

式中：qn為方程tan qn＋αqn＝0的非零正根；M（t）為茶多酚在t時刻從薄膜中釋放到食品模擬液中的釋放量；MF,∞為平衡時茶多酚從薄膜中釋放到食品模擬液中的釋放量；MP,0為薄膜中茶多酚的總量；D為薄膜中茶多酚的擴散系數(shù)；L為薄膜的一半厚度；α為釋放平衡時食品模擬液中茶多酚質量濃度與薄膜中茶多酚質量濃度的比值；M（t）/MP,0為釋放率。

1.3.3.2 Fickian＋一級動力學模型

有研究發(fā)現(xiàn)，低分子質量化合物在聚合物中的擴散通常由兩種同時發(fā)生的現(xiàn)象所支配：一種是隨機現(xiàn)象（與布朗運動有關），滲透流完全由濃度梯度驅動；另一種是由局部系統(tǒng)的距離驅動的松弛現(xiàn)象[23]。與布朗運動有關的傳質通常用Fickian模型描述，由距離驅動的薄膜結構松弛可用一級動力學方程描述，分別如式（3）、（4）所示。

式中：MF（t）為由濃度梯度驅動的隨機現(xiàn)象引起的茶多酚在t時刻從薄膜中釋放到食品模擬液中的釋放量；MR（t）為由距離驅動的薄膜結構松弛現(xiàn)象引起的茶多酚在t時刻從薄膜中釋放到食品模擬液中的釋放量；XF為茶多酚的釋放機制偏離理想Fickian定律的衡量參數(shù)，XF＝1時方程（4）為Fickian模型，XF＝0時為反常擴散；τ為與聚合物弛豫相關的弛豫時間。

1.3.3.3 Weibull模型

Weibull分布在描述復雜的動力學方面表現(xiàn)了優(yōu)異的模型性能，已有研究使用該模型表征了聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯薄膜中乳酸鏈球菌肽向水中的釋放動力學[24]，方程如式（5）所示。

式中：b為尺度參數(shù)；k為形狀因子。

以上方程以包裝材料中的活性物質含量變化為參數(shù)，將其轉化為以食品模擬液中的活性物質含量變化為參數(shù)，方程如式（6）所示。

1.3.3.4 短期釋放模型

在活性物質的釋放過程中，當M（t）/MF,∞＜0.67時，活性物質的釋放可由Fickian模型的簡化方程來表征[26]，并被文獻[18]證實該短期釋放模型具有一定的可靠性，方程分別如式（7）、（8）所示。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)處理、作圖采用Matlab 2014a、Origin 8.0軟件，模型參數(shù)由Origin 8.0軟件對不同釋放動力學模型和實驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合計算得到。

2 結果與分析

2.1 薄膜中茶多酚向水中的釋放規(guī)律分析

由圖1可知，薄膜中的茶多酚向水中釋放時初期釋放速率較快，然后釋放趨于平緩，約8 h后達到平衡狀態(tài)。PVA薄膜中的茶多酚質量濃度越高，水中的茶多酚平衡質量濃度也越高，但其釋放率越低。這可能是由于茶多酚含有疏水性的苯環(huán)基團，隨著薄膜中茶多酚質量濃度的增加，薄膜內所含有的苯環(huán)基團增加，從而提高了薄膜的疏水性[25]?；钚晕镔|從溶脹型薄膜中的釋放主要依賴以下3 個方面：1）食品模擬液基質向薄膜中擴散；2）薄膜基材溶脹；3）活性物質通過溶脹薄膜向食品模擬液基質中擴散[27-29]。PVA薄膜具有很強的親水性，當其與水發(fā)生接觸時，水分子向薄膜擴散進入薄膜結構中，薄膜吸水后不斷溶脹，結構變得松弛，使茶多酚從薄膜中逐漸釋放出來，而水中的茶多酚質量濃度逐漸增加，直至達到平衡狀態(tài)。這也是溶脹型薄膜中活性物質的釋放原理，與海藻酸鈉膜[20]、蛋白膜[28]等親水性薄膜中的活性物質釋放原理類似。

圖1 PVA薄膜中茶多酚在水中的釋放規(guī)律曲線Fig.1 Release curves of tea polyphenols from PVA fi lms into water

2.2 釋放動力學模型比較分析

表1 PVA薄膜中茶多酚在水中釋放的不同動力學模型參數(shù)及其擬合效果評價Table1 Correlational coeff i cients of different kinetic models for the release of tea polyphenols from PVA fi lms into water

根據(jù)釋放實驗所得的數(shù)據(jù)，分別應用不同的釋放動力學模型對PVA薄膜中茶多酚在水中的釋放規(guī)律進行擬合，對應的模型參數(shù)和評價指標如表1所示。對比4 種模型的擬合效果可得，F(xiàn)ickian模型和Fickian＋一級動力學模型擬合效果較好，擬合度（R2）≥97.27，表明這兩個動力學模型可以很好地模擬PVA薄膜中茶多酚向水中的釋放規(guī)律，后者更優(yōu)（R2≥99.01）。Weibull模型的擬合度稍低（R2≥85.21），表明該模型模擬茶多酚的釋放較Fickian模型和Fickian＋一級動力學模型差。短期釋放模型的R2≥91.32，表明在M（t）/MF,∞＜0.67時該模型可以較好地模擬茶多酚的釋放。

對比Fickian模型和Fickian＋一級動力學模型，后者的擬合度略高（圖2），表明其可以更好地模擬PVA薄膜中茶多酚向水中的釋放，也進一步表明了茶多酚的釋放是隨機擴散現(xiàn)象和薄膜結構松弛現(xiàn)象共同作用的結果。當PVA薄膜與水發(fā)生作用時，薄膜發(fā)生溶脹，聚合物大分子被迫以新的構象重新排列，該過程是導致茶多酚釋放機制偏離理想的Fickian擴散行為的主要原因[23,30]。采用兩個模型擬合得到的擴散系數(shù)（D），其大小均在同一數(shù)量級，且數(shù)值相差不大，其偏離參數(shù)XF≥0.92，表明Fickian＋一級動力學模型中的一級動力學模型對Fickian模型的影響相對較小，進一步表明隨機擴散現(xiàn)象在PVA薄膜茶多酚的釋放中占主導作用。對比3 種PVA薄膜，含質量分數(shù)0.5%茶多酚的PVA薄膜的XF值相對最小，表明該薄膜的結構松弛現(xiàn)象在茶多酚釋放中的貢獻度在3 種薄膜中最大。此外，D值與薄膜中茶多酚質量分數(shù)無明顯規(guī)律，表明PVA薄膜中茶多酚的質量分數(shù)對其釋放速率的影響不大。

圖3 PVA薄膜中茶多酚向水中釋放至平衡狀態(tài)之前的Weibull模型擬合曲線Fig.3 Fitting curves of Weibull models for the release of tea polyphenols from PVA fi lms into water before reaching equilibrium

對于Weibull模型，如果以剛接近平衡狀態(tài)之前的實驗數(shù)據(jù)為擬合對象，Weibull模型的R2≥92.2，其擬合曲線如圖3所示，表明該模型可以較好地模擬從釋放開始到平衡初期之間薄膜中茶多酚的釋放。但是Weibull模型中只有形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，沒有類似Fickian模型和Fickian＋一級動力學模型中的D值來定量表征其釋放速率。對于短期釋放模型，盡管該模型可以較好地模擬薄膜中茶多酚的短期釋放，但是該模型得到的D值與Fickian模型和Fickian＋一級動力學模型不是同一個數(shù)量級，且變化趨勢不同，表明短期釋放模型不適合用于模擬評估該薄膜中茶多酚在整個釋放過程中的釋放性能。而于文喜等研究發(fā)現(xiàn)，采用該模型評估多糖基抑菌膜內山梨酸鉀在食品模擬液中的釋放規(guī)律具有一定的可靠性[21]。因此，針對不同類型薄膜中的活性物質在食品模擬液中的釋放不能直接使用短期釋放模型來模擬評估。

3 結 論

PVA薄膜中的茶多酚向水中釋放時初期釋放速率較快，后期漸漸趨于平緩，其釋放率隨薄膜中茶多酚質量濃度的增加而降低。對比4 種模型的擬合效果，F(xiàn)ickian＋一級動力學模型模擬效果最好，F(xiàn)ickian模型次之，兩者均能很好地模擬茶多酚的釋放，Weibull模型的擬合效果較前兩個模型差，但是該模型可以較好地模擬從釋放開始到平衡初期之間釋放過程；短期釋放模型對短期釋放的擬合效果較好，但其擴散系數(shù)與Fickian模型和Fickian＋一級動力學模型得到的擴散系數(shù)相差較大，不適用于模擬評估PVA薄膜中茶多酚整個釋放過程的釋放規(guī)律。