蘇英杰，盧立新,2*，潘嘹,2，盧莉璟,2，林自東

1(江南大學(xué) 機(jī)械與工程學(xué)院，江蘇 無錫，214122)2(江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫，214122) 3(山東碧海包裝材料有限公司，山東 臨沂，276600)

氧化作用以及由病原微生物引起的微生物變質(zhì)會(huì)縮短食品的貨架期已成為全球關(guān)注的主要問題，而旨在控制食品氧化和微生物生長的食品包裝材料為延長貨架期提供了一種有效的解決辦法[1-2]。當(dāng)前使用的活性包裝材料大多在與食品直接接觸后才發(fā)揮作用[3]，對(duì)固體食品有限的功效以及安全性是限制其普遍使用的主要因素[4-5]。精油是摻入固體食品包裝材料中的極具吸引力的化合物，因?yàn)樗鼈兪翘烊磺腋咝У目咕鷦┖涂寡趸瘎?，可以揮發(fā)到包裝的頂部空間，對(duì)食品表面和頂部空間環(huán)境進(jìn)行殺菌[6-7]，而且已獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)批準(zhǔn)，通常被認(rèn)為是安全的，可用于食品用途[8]。大量研究致力于將這些敏感活性物質(zhì)摻入包裝材料中，同時(shí)最大程度地減少它們?cè)诩庸み^程中的損失并保持其抗菌抗氧化功能[9]。

與將精油直接加入聚合物中相比，將其封裝在納米載體中可以更好地控制釋放速率，提供有效且持久的抗菌抗氧化性能[13]。埃洛石納米管(halloysite nanotube，HNT)是一種天然且廉價(jià)的納米粒子，分子式為A12Si2O5(OH)·nH2O，具有較大的中空管腔結(jié)構(gòu)，長度在0.2～1.5 μm，外徑為50～75 nm，管腔內(nèi)徑為10～30 nm，能夠有效負(fù)載活性物質(zhì)，延長作用時(shí)間，且在聚合物包裝材料中有較好的分散性，能夠改善包裝材料的阻隔性能與力學(xué)性能，在活性包裝材料研究中具有極大的應(yīng)用潛力[16]。盡管HNT確實(shí)延長了精油作用時(shí)間，但是精油在HNT中的負(fù)載量較低以及初期的快速釋放在一定程度上限制了其在活性包裝中進(jìn)一步發(fā)展。

本文選用牛至精油主要活性成分香芹酚作為精油模型，使用4 mol/L鹽酸對(duì)HNT內(nèi)壁氧化鋁層進(jìn)行刻蝕，增大了其比表面積，利用真空負(fù)載法將香芹酚封裝在經(jīng)4 mol/L鹽酸刻蝕后的HNT中，制備了埃洛石納米管-香芹酚復(fù)合物，提高了香芹酚的負(fù)載量，再通過吸附正負(fù)聚電解質(zhì)對(duì)埃洛石納米管-香芹酚復(fù)合物進(jìn)行包封，顯著降低了香芹酚初期釋放速率，具有明顯的控釋效果，為精油在抗菌抗氧化食品包裝材料中的開發(fā)和應(yīng)用積累數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

HNT、香芹酚、聚乙烯亞胺(polyethyleneimine，PEI，Mw≈10 000 Da)、聚苯乙烯磺酸鈉(polystyrene sulfonate, PSS，Mw≈70 000 Da)，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；鹽酸、無水乙醇，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

WH220-HT磁力攪拌器，德國Wiggens；Q700超聲波破碎儀，美國QSONICA；RJ-DTL-50A低速臺(tái)式離心機(jī)，無錫瑞江分析儀器有限公司；Autosorb-IQ氮?dú)馕絻x，美國康塔儀器公司；Alpha紅外光譜儀，布魯克公司；JEM-2100F透射電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社(JEOL)；TA Q500熱重分析儀，美國TA儀器公司；UV-1800紫外分光光度計(jì)，日本島津公司；Zeta SIZER2000電位測(cè)定儀，美國MALVERN公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 HNT酸刻蝕

稱取5 g HNT置于100 mL三口燒瓶中，接著加入80 mL的4 mol/L鹽酸溶液。80 ℃下水浴加熱，磁力攪拌反應(yīng)8 h。反應(yīng)結(jié)束后，將埃洛石懸浮液離心5 min分離出固體物質(zhì)，去離子水洗滌后烘干研磨，得到4 mol/L鹽酸刻蝕后的HNT，并命名為HNT-4M。

1.3.2 香芹酚負(fù)載

分別將HNT、HNT-4M與香芹酚以固液比為0.1∶1(g∶mL)的比例混合。將混合后的懸浮液在冰浴中超聲處理30 min(超聲2 s，關(guān)閉3 s)。然后將懸浮液轉(zhuǎn)移至連接了真空泵的真空干燥器中，開啟真空泵進(jìn)行抽真空，當(dāng)干燥器內(nèi)的真空度達(dá)到-0.1 MPa后，保持30 min，然后恢復(fù)至常壓(抽真空過程中除去了管腔內(nèi)部空氣，恢復(fù)常壓過程中香芹酚通過空氣壓力被加載到管腔內(nèi)部)，重復(fù)該操作2次以增加負(fù)載效率。5 000 r/min離心5 min，分離出懸浮液中的固相，再用乙醇離心洗滌2次，除去外表面吸附的香芹酚分子，真空干燥24 h后研磨成粉狀，得到HNT負(fù)載香芹酚的復(fù)合物與HNT-4M負(fù)載香芹酚的復(fù)合物，分別命名為HNT/carvacrol、HNT-4M/carvacrol。

1.3.3 聚電解質(zhì)封裝

用去離子水配制質(zhì)量濃度為2 mg/mL的PEI和PSS聚電解質(zhì)溶液。將一定量的HNT-4M/carvacrol復(fù)合物按質(zhì)量比2∶8加入PEI溶液，室溫下攪拌混合10 min，離心分離出固相，去離子水洗滌，完成第一層包封；再加入與PEI溶液等體積的PSS溶液，攪拌10 min，再進(jìn)行分離和洗滌，完成第二層包封。重復(fù)上述步驟，依次完成第三層、第四層包封，最后將不同包封層數(shù)的HNT-4M/carvacrol復(fù)合物真空干燥24 h，研磨成粉狀。

1.3.4 香芹酚釋放速率測(cè)定

在23 ℃、相對(duì)濕度50%的恒溫恒濕箱中進(jìn)行釋放試驗(yàn)，每隔5 d準(zhǔn)確稱取0.05 g復(fù)合物于離心管中，加入10 mL無水乙醇，超聲25 min，4 ℃下放置24 h后，以5 000 r/min離心15 min，取上清液，無水乙醇稀釋，用紫外分光光度計(jì)測(cè)量稀釋溶液的吸光度，代入香芹酚標(biāo)準(zhǔn)曲線中，計(jì)算出稀釋溶液中的香芹酚濃度并推算出復(fù)合物中香芹酚的剩余含量，通過公式(1)計(jì)算香芹酚的釋放率:

(1)

式中：V，香芹酚的釋放率，%；n1，放置一定時(shí)間后復(fù)合物中香芹酚含量，mg/g；n2，復(fù)合物中香芹酚初始含量，mg/g。

1.3.5 性能測(cè)試

利用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定樣品的官能團(tuán)振動(dòng)吸收峰來判定物質(zhì)的變化(掃描400～4 000 cm-1)；利用透射電子顯微鏡觀測(cè)埃洛石納米管酸刻蝕前后的形貌特征，測(cè)試加速電壓為300 kV；利用氮?dú)馕絻x(脫氣溫度150 ℃，脫氣時(shí)間10 h)測(cè)定樣品的在液氮恒溫下的氮?dú)馕?脫附等溫曲線，采用BET(brunauer-emett-teller)模型[19]計(jì)算埃洛石納米管的比表面積；利用熱重分析儀測(cè)定樣品的熱失重(氮?dú)鈿夥障聫?0 ℃升至800 ℃，升溫速度10 ℃/min)；采用SIZER2000型Zeta電位測(cè)試儀，對(duì)不同包封層數(shù)后復(fù)合物懸浮液的Zeta電位進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 埃洛石納米管成分及結(jié)構(gòu)形貌特征

2.1.1 成分分析

圖1為HNT和HNT-4M的紅外光譜圖，3 621和3 693 cm-1處的吸收峰歸屬于Al—OH的—OH伸縮振動(dòng)，1 029 cm-1處的吸收峰歸屬于Si—O的伸縮振動(dòng)，913 cm-1處的吸收峰歸屬于Si—OAl的伸縮振動(dòng)；與HNT相比，由于HNT-4M管腔內(nèi)表面的氧化鋁層被破壞，大量Al原子在酸刻蝕過程中被氫原子所取代，導(dǎo)致Al—OH減少，Si—OAl轉(zhuǎn)變?yōu)镾i—OH，HNT-4M在3 621和3 693 cm-1的Al—OH的—OH振動(dòng)吸收峰以及913 cm-1處的吸收峰都出現(xiàn)了減弱的現(xiàn)象[20]。

圖1 HNT和HNT-4M的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of mesoporous HNT and HNT-4M

2.1.2 形貌結(jié)構(gòu)分析

圖2為HNT與HNT-4M的透射電鏡圖，從圖2-a和圖2-c中可以清晰看到HNT中空的管狀形態(tài)，內(nèi)外管壁平整光滑，管口并不整齊。從圖2-b和圖2-d中可以看到HNT-4M的外管壁形態(tài)并未發(fā)生變化，管口處以及內(nèi)管壁有刻蝕痕跡，內(nèi)表面變得凹凸不平，并能夠觀察到殘留的納米SiO2顆粒[21]。

a-未處理HNT;b-HNT-4M;c-未處理HNT(管口);d-HNT-4M(管口)圖2 HNT與HNT-4M的透射電鏡圖Fig.2 Transmission electron microscopy images of HNT and HNT-4M

圖3為HNT與HNT-4M的氮?dú)馕矫摳降葴鼐€。該吸附脫附曲線類似于Ⅳ型，在較低的P/P0區(qū)域，吸附氣體的量隨P/P0的增加而緩慢增加，在0.4

圖3 HNT和 HNT-4M的氮?dú)馕?脫附等溫曲線Fig.3 Nitrogen adsorption-desorption isotherm of HNT and HNT-4M

表1 HNT and HNT-4M的比表面積與孔容數(shù)據(jù)Table 1 Specific surface area and pore volume of HNT and HNT-4M

2.2 熱穩(wěn)定性與香芹酚負(fù)載量分析

圖4為HNT、HNT/carvacrol和HNT-4M/carvacrol的熱重分析圖，HNT的熱重曲線顯示405～516 ℃時(shí)發(fā)生了約14%的質(zhì)量損失，這是由于HNT的羥基脫失產(chǎn)生的，而HNT-4M/carvacrol在405～516 ℃失重量明顯比HNT/carvacrol有所降低，說明羥基減少，這也與紅外光譜圖數(shù)據(jù)一致；與HNT相比，HNT/carvacrol與HNT-4M/carvacrol還在95～180 ℃出現(xiàn)了失重現(xiàn)象，這主要是負(fù)載在管腔內(nèi)的香芹酚熱分解脫失，通過這一階段的失重率可間接推算出香芹酚在HNT上的負(fù)載量，計(jì)算得出HNT/carvacrol，HNT-4M/carvacrol的香芹酚負(fù)載量分別為6.7%，24.2%。由此可見，HNT經(jīng)4 mol/L鹽酸酸刻蝕后，將香芹酚的負(fù)載量提高了近4倍。

圖4 HNT、HNT/carvacrol和HNT-4M/carvacrol的熱重分析圖Fig.4 Thermogravimetric plots of HNT、HNT/carvacrol and HNT-4M/carvacrol

2.3 Zeta電位分析

如圖5所示，HNT-4M/carvacrol復(fù)合物呈負(fù)電性，其電位值為-23.5 mV，這是因?yàn)镠NT外表面具有豐富的羥基，在水中呈負(fù)電性。利用靜電力作用，依次吸附帶正電的PEI聚電解質(zhì)和帶負(fù)電的PSS聚電解質(zhì)可以有效地包封HNT[23]。包封一層PEI聚電解質(zhì)后，HNT-4M/carvacrol復(fù)合物電位值變?yōu)?30.2 mV，繼續(xù)包封PSS后電位值變?yōu)?35.6 mV。隨著正負(fù)聚電解質(zhì)的包封，HNT-4M/carvacrol復(fù)合物的電位值出現(xiàn)正負(fù)交替變化。

2.4 HNT-4M/carvacrol包封后的熱穩(wěn)定性分析

圖6是HNT-4M/carvacrol復(fù)合物包封后的熱重分析圖，包封后的HNT-4M/carvacrol復(fù)合物有3個(gè)失重階段，比之未包封的HNT-4M/carvacrol復(fù)合物多出了250～450 ℃的失重階段，且包封層數(shù)越大，失重越多，這主要是包封的PEI、PSS聚電解質(zhì)的熱分解脫失。另一方面，HNT內(nèi)部負(fù)載的香芹酚也隨著封裝層數(shù)的增加而減少，這應(yīng)該是HNT-4M/carvacrol復(fù)合物在封裝過程中攪拌離心等操作造成香芹酚的流失所致，所以封裝層數(shù)需要控制在2層以下，能夠保留較高的香芹酚負(fù)載量。

圖5 HNT-4M/carvacrol復(fù)合物的Zeta電位Fig.5 The Zeta potential of HNT-4M/carvacrol composites

圖6 HNT-4M/carvacrol復(fù)合物封裝后的熱重分析圖Fig.6 Thermogravimetric plots of HNT-4M/carvacrol with different layers

2.5 香芹酚的釋放性能分析

2.5.1 香芹酚標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

用無水乙醇配制不同濃度的香芹酚溶液，再用紫外分光計(jì)在276 nm下測(cè)定不同濃度香芹酚溶液的吸光度，繪制吸光度-濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，y=14.608 63x-0.004 76,R2=0.999 08,香芹酚溶液在0.01～0.08 mg/mL濃度下呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

2.5.2 香芹酚的釋放速率

圖7是包封前后HNT-4M/carvacrol復(fù)合物中香芹酚的釋放曲線，在23 ℃、50%相對(duì)濕度下，未包封的HNT-4M/carvacrol復(fù)合物在前期表現(xiàn)為快速釋放，香芹酚的釋放率幾乎與時(shí)間成正比，20 d釋放量達(dá)到67.4%后，釋放速率開始變緩慢。而包封后的HNT-4M/carvacrol復(fù)合物中香芹酚的前期釋放速率明顯減緩，20 d后，包封1層與包封2層的HNT-4M/carvacrol復(fù)合物香芹酚的釋放量分別為48.8%和38.7%。香芹酚初期釋放速率的下降主要是因?yàn)檎?fù)聚電解質(zhì)在納米管外部和管口處形成了良好的包封層，提供了擴(kuò)散屏障，減緩了香芹酚的釋放，而且包封層數(shù)越多，緩釋效果越明顯。因此，聚電解質(zhì)層在減緩香芹酚釋放速率方面是有效可行的。

圖7 不同封裝層數(shù)HNT-4M/carvacrol復(fù)合物的釋放曲線Fig.7 The release profiles of HNT-4M/carvacrol composites with different layers

3 結(jié)論與討論

本研究以4 mol/L鹽酸刻蝕后的HNT作為香芹酚的緩釋載體，將香芹酚的負(fù)載量由6.7%提高到24.2%。利用靜電力作用依次吸附帶正電的PEI聚電解質(zhì)和帶負(fù)電的PSS聚電解質(zhì)，對(duì)HNT-4M/carvacrol復(fù)合物進(jìn)行包封，結(jié)果表明，未包封的HNT-4M/carvacrol復(fù)合物20 d釋放量達(dá)到67.4%，經(jīng)聚電解質(zhì)層包封1層與包封2層后，香芹酚的釋放量降低為48.8%和38.7%，有效減緩了香芹酚從HNT中的釋放速率。因此，酸刻蝕HNT與聚電解質(zhì)包封為解決精油在HNT中的負(fù)載量較低以及初期的快速釋放問題提供了有效可行的方法。