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        酚酸/淀粉復(fù)合膜的制備及抑菌性能研究

        2021-11-24 09:49:00酈丹妮余文怡胡佩佩覃寒珍余作龍魏云瀟
        現(xiàn)代食品 2021年19期
        關(guān)鍵詞:抑菌劑抑制性膽酸

        ◎ 徐 平,酈丹妮,余文怡,胡佩佩,覃寒珍,余作龍,魏云瀟

        (浙江樹人大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院,浙江 杭州 310015)

        食品包裝材料與食品保存、食品安全等關(guān)系密切,如何使食品包裝材料安全、環(huán)保成為研究熱點,尤其是近年對可食性包裝膜研究較多[1-2]??墒承园b膜分為蛋白質(zhì)類、多糖類、脂類以及它們的復(fù)合成膜[3-5],加入天然多功能活性成分取代人工合成及傳統(tǒng)的單功能食品添加劑已成為新亮點[6-7]。其中淀粉基可食膜是以淀粉為基質(zhì),以多元醇(如甘油、山梨醇、聚乙二醇等)及類脂物質(zhì)(如脂肪酸、單甘油脂、表面活性劑等)為增塑劑,動植物膠(如褐藻膠、瓊脂等)為增強劑制作而成[8-10]。酚酸廣泛分布于自然界、種類繁多、可食用,其抗氧化、抗腫瘤、抑菌等活性功能已得到普遍認可[11-13]。本文以淀粉基可食性膜為研究對象,篩選苯甲酸型酚酸(水楊酸、龍膽酸、沒食子酸)和肉桂酸型酚酸(對香豆酸、綠原酸)(結(jié)構(gòu)式如圖1所示)為抑菌劑,制備成抑菌性可食膜,對抑菌劑的抑制性和復(fù)合膜的性能進行研究。進而為酚酸類抑菌膜在功能性包裝膜的應(yīng)用領(lǐng)域提供參考。

        圖1 5種抑菌劑的結(jié)構(gòu)式圖

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        淀粉(煙臺東方蛋白科技有限公司(維德力));海藻酸鈉(山東精協(xié)海洋科技發(fā)展有限公司);甘油(浙江杭州雙林化工試劑廠);水楊酸、龍膽酸、沒食子酸、對香豆酸、綠原酸(上海阿拉丁試劑有限公司);大腸桿菌(Escherichia coli)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)和酵母菌(Yeast),均由浙江樹人大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院微生物實驗室提供;肉湯培養(yǎng)基、Luria-Bertani培養(yǎng)基(LB培養(yǎng)基)和酵母浸出粉胨葡萄糖培養(yǎng)基(YPD培養(yǎng)基),按要求自行配制;其他化學(xué)試劑均為分析純。

        1.2 試驗設(shè)備

        TA.XT plus物性儀(英國Stable Micro System公司);HZQ-X300C恒溫振蕩培養(yǎng)箱(上海一恒科技有限公司);PHS-2F精密pH計(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司);YJ-VS-1單人垂直超凈工作臺(無錫一凈凈化設(shè)備有限公司);GI80TR高壓蒸汽滅菌鍋(美國ZEALWAY(致微)有限公司);KQ-500DE數(shù)控超聲波清洗(昆山市超聲儀器有限公司);JHS-2/90恒速數(shù)顯攪拌機(杭州儀表電機有限公司)。

        1.3 實驗方法

        1.3.1 MIC測定

        采用平板打孔法[14-16]。將配制好的5種抑菌劑溶液分別加入到含有大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和酵母菌的含菌平板中,將平板放入恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),觀察實驗結(jié)果。大腸桿菌與枯草芽孢桿菌的培養(yǎng)溫度為37 ℃,酵母菌培養(yǎng)溫度為30 ℃,培養(yǎng)時間為24~48 h。同時做空白對照。

        1.3.2 抑菌膜的制備

        參考文獻[17]方法,100 mL水溶液中添加11 g豌豆淀粉、1.2 mL甘油、0.4 g海藻酸鈉,在95 ℃下,300 r·min-1攪拌30 min,待淀粉糊化后,按照抑菌劑的MIC加入10倍~20倍量酚酸(按淀粉質(zhì)量比計)考察抑菌性;加入10%抑菌劑(按淀粉質(zhì)量比計)考察不同抑菌膜的力學(xué)性能。攪拌10 min,經(jīng)真空脫氣后,流延鋪膜于鋼板上,并在50 ℃烘干,揭膜,儲存待用。

        1.3.3 膜的抑菌性

        分別配制蛋白胨培養(yǎng)基、LB培養(yǎng)基、YPD培養(yǎng)基等3種固體培養(yǎng)基,等待平板冷卻后用移液槍分別移取100 μL各菌懸液于對應(yīng)的培養(yǎng)基上,涂布均勻。將淀粉膜和不同濃度的酚酸/淀粉抑菌膜打成3 mm小圓片,分別將膜片放置于涂有菌液的平板上。倒置培養(yǎng)24~48 h,通過觀察平板上抑菌圈的大小,衡量膜的抑菌性[18]。

        1.3.4 膜的力學(xué)性能

        選擇平整、均勻、無孔洞、無皺褶的膜,用螺旋測微器(精度0.01 mm)測樣品的4個頂點和中心點上的厚度,取5個值的平均值,即為膜的厚度,單位為mm[19]。參照GB/T 1040.3—2006[20],將樣品裁成長10 cm,寬0.5 cm的長條,用物性儀測定膜的拉伸強度(TS)和斷裂延伸率(E),每組各測3個垂直與水平樣品,共6個平行樣品,并根據(jù)式(1)、式(2)計算平均TS與E。標距為50 mm,試樣速度為100 mm·min-1。

        式中:TS-抗拉強度(MPa);F-膜所受拉力(N);S-膜的橫截面積(m2)。

        式中:E-斷裂延伸率(%);L0-試樣原始標準距離(mm);L-試樣斷裂時標準距離(mm)。

        1.3.5 紅外光譜分析

        裁剪一小片制得的可食膜樣品,在Tensor 27型紅外光譜儀進行紅外光譜掃描,檢測膜組分對膜結(jié)構(gòu)的影響。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 MIC分析

        5種抑菌劑的MIC表現(xiàn)出不同的抑菌特性,結(jié)果如圖2、表1所示,其中水楊酸的抑菌能力最好,而龍膽酸的抑菌性較差,甚至對酵母菌沒有抑制性。水楊酸對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和酵母菌的MIC分別為9.375 mg·mL-1、15.625 mg·mL-1和9.375 mg·mL-1,而抑制性最差的龍膽酸分別為143.75 mg·mL-1、193.75 mg·mL-1和沒有抑制性。

        表1 5種抑菌劑的MIC表(單位:mg·mL-1)

        圖2 5種抑菌劑的MIC圖

        SáNCHEZ-MALDONADO等[21]從構(gòu)效關(guān)系的角度研究12種酚酸的抗菌活性,發(fā)現(xiàn)相同取代基的肉桂酸型酚酸抗菌能力優(yōu)于苯甲酸型酚酸,且羥基數(shù)目越多,苯甲酸型酚酸抗菌效力越弱,而對肉桂酸型酚酸影響不大;氧甲基團取代后,苯甲酸型酚酸抗菌作用增強,而肉桂酸型酚酸的抑菌能力無顯著性變化;親油性對苯甲酸型酚酸抗菌活性的影響大于對肉桂酸型酚酸。本實驗中相同羥基的水楊酸抑菌性大于對香豆酸,而含兩個羥基龍膽酸抑菌性低于含3個羥基的沒食子酸。因此酚酸的兩親性和所在的培養(yǎng)體系對抑菌劑的抑菌效果影響不可忽視[22-23]。

        由于大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和酵母菌分別代表革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和真菌,因其細胞壁的厚薄程度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和與細胞膜的關(guān)系導(dǎo)致同一種抑菌劑的MIC不一,同時,不同抑菌劑的MIC沒有一致性。

        2.2 膜的抑菌性分析

        不同抑菌膜的抑菌性如圖3和表2所示,當抑菌劑加入到淀粉膜中,其抑菌性降低明顯,如水楊酸和對香豆酸;或沒有抑菌性,如沒食子酸、綠原酸和龍膽酸。水楊酸/淀粉膜對酵母菌的抑制性較為明顯,MIC由水楊酸的MIC 9.375 mg·mL-1增加到水楊酸抑菌膜的MIC 117.125 mg·g-1;而對香豆酸加入淀粉膜中的MIC增幅最小。主要原因是制膜為水溶液,對濃度較高、油溶性的抑菌劑在膜液中分散影響較大,同時成膜后固體膜影響抑菌劑在培養(yǎng)基上擴散效果。過高濃度的沒食子酸、綠原酸和龍膽酸無法成膜,所以其膜的抑菌性實驗無法開展。

        表2 不同抑菌膜的MIC表(單位:mg·g-1)

        圖3 不同抑菌膜的MIC圖

        2.3 膜的力學(xué)性能分析

        不同抑菌劑對淀粉膜的力學(xué)性能如圖4所示,抑菌劑降低了淀粉膜的拉伸強度,而對淀粉膜的斷裂延伸率影響不一。從圖3中不同膜的圖片可知,膜的均一性和表面光滑程度隨著抑菌劑的比例和種類而變化,其中對香豆酸/淀粉膜內(nèi)出現(xiàn)肉眼可見的細小顆粒,進而表明對香豆酸對淀粉膜的拉伸強度改變最大,由15.33 MPa降低到4.28 MPa,由于小分子的抑菌劑加入起到增塑作用,降低了膜的強度;而相對淀粉膜的斷裂延伸率為62.67%,抑菌劑綠原酸具有與淀粉單元相似的結(jié)構(gòu)和柔性成分,使膜的斷裂延伸率略微提高到67.45%。

        圖4 淀粉膜和不同抑菌膜的力學(xué)性能圖

        2.4 紅外光譜分析

        對抑菌劑和其抑菌膜的FTIR分析如圖5和圖6所示。在3 400~3 200 cm-1波長處的吸收峰均是各物質(zhì)分子內(nèi)或分子間的O-H伸縮振動峰;過強的羥基峰導(dǎo)致無法觀察到C-H伸縮振動峰。在1 750~1 650 cm-1波長處為各物質(zhì)的C=O伸縮振動峰;在1 520 cm-1、1 450 cm-1、1 380 cm-1和780 cm-1波長處為芳香環(huán)骨架的振動吸收峰;在約12 00 cm-1波長處為O-H的彎曲振動吸收峰[24-25]。當抑菌劑加入淀粉膜后,O-H伸縮振動峰更加強烈,C=O伸縮振動峰有所減弱,但發(fā)生了紅移,說明有新的氫鍵生成,同時也可能導(dǎo)致抑菌效果的變化。

        圖5 5種抑菌劑的FTIR圖

        圖6 淀粉膜和不同抑菌膜的FTIR圖

        3 結(jié)論

        本文通過對兩個種類的5種酚酸對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和酵母菌的MIC、加入到淀粉膜中對3種菌的MIC以膜性能進行考察。結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)相似的5種酚酸對3種菌的抑制性差異較大,其中水楊酸的抑菌性最佳,龍膽酸的抑菌性最差,甚至對酵母菌沒有抑制性;當加入到淀粉膜中抑菌性均有不同程度的下降,其中,沒食子酸、綠原酸和龍膽酸表現(xiàn)出沒有抑菌性;抑菌劑的加入對淀粉膜的斷裂延伸率影響不大,而對膜的拉伸強度影響較大,通過FTIR分析,分子間的作用力起到一定作用。

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