楊春敏，李 峰，張建國

（1.廣州工商學(xué)院 工學(xué)院，廣州 510850；2.華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510006；3.廣州市寶桃食品有限公司，廣州 510006）

0 引言

可持續(xù)發(fā)展對食品保鮮膜降解性能提出更高標(biāo)準(zhǔn)［1-2］。由于塑料包裝材料使用后無法被環(huán)境微生物分解，而具備生物降解功能的原料分子中存在多糖、蛋白質(zhì)等，可以同時滿足低生產(chǎn)成本要求［3-4］。殼聚糖（Chitosan，CTS）由于具備易成膜、可生物降解和抗菌等優(yōu)異特性，已經(jīng)在食品保鮮領(lǐng)域發(fā)揮重要作用［5-8］。將殼聚糖制作成薄膜后可以對空氣起到良好隔絕效果，并通過持續(xù)發(fā)揮抗菌的作用而避免食品發(fā)生腐爛的問題，實現(xiàn)保鮮功能。但殼聚糖分子的側(cè)鏈上含有羥基等部分親水官能團(tuán)，使得單純殼聚糖薄膜非常容易吸水并形成疏松的結(jié)構(gòu)，從而降低力學(xué)強(qiáng)度，引起薄膜保鮮能力的減弱。有學(xué)者通過測試發(fā)現(xiàn)，將SiO2、TiO2等細(xì)小氧化物顆粒加入有機(jī)薄膜可以促進(jìn)薄膜理化性能的顯著提升，進(jìn)一步提升薄膜的保鮮性能。當(dāng)選擇可控釋放的方式摻雜納米顆粒時，還能夠調(diào)節(jié)膜內(nèi)活性成分被持續(xù)緩慢釋放，由此促進(jìn)食品品質(zhì)的大幅提升，并獲得更長保質(zhì)期［9-10］。

本文采用殼聚糖制作薄膜基體，分別與無定形碳酸鈣（ACC）和海藻酸鈉（SA）/ACC 2種納米顆粒進(jìn)行摻雜測試，通過流延工藝制得CTS/ACC與CTS/SA/ACC 2種具備復(fù)合控釋效果的保鮮膜材料。測定復(fù)合膜力學(xué)特性、水蒸氣阻隔性和表面微觀結(jié)構(gòu)等，對比加入不同含量納米顆粒的殼聚糖膜性能差異性，深入分析摻雜納米載體對殼聚糖膜釋放效果的作用，綜合評價抗菌、抗氧化以及保鮮的能力。并對易腐水果九月黃（Akebia quinata fruit）進(jìn)行保鮮性能試驗，探究這款新型保鮮膜的保鮮性能。

1 試驗

試驗所用原料及試劑如表1所示。

表1 試驗原料及試劑Tab.1 Experimental materials and reagents

殼聚糖膜的制備具體流程：

（1）稱量2 g的殼聚糖粉末，將其加入至80 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的冰醋酸溶液內(nèi)，添加1 g丙三醇，經(jīng)過4 h攪拌處理得到成分均勻的殼聚糖溶液；（2）控制各類納米顆粒相對殼聚糖質(zhì)量比都為2%，添加20 mL去離子水并超聲分散，由此形成納米顆粒懸浮液；（3）把上述納米懸浮液加入至殼聚糖溶液中，并經(jīng)過3 h攪拌處理形成殼聚糖膜液；（4）采用超聲波清洗機(jī)持續(xù)對殼聚糖膜液進(jìn)行30 min超聲作用，確保膜液氣泡被完全去除；（5）量取20 mL膜液，將其流延到外徑尺寸100 mm的玻璃培養(yǎng)皿表面，保持水平方式將其放置到50 ℃烘箱內(nèi)持續(xù)干燥3 h得到膜層；（6）揭取已經(jīng)干燥的膜層，將其保存至50%的濕度狀態(tài)下靜置24 h。

負(fù)載姜黃素（Cur）的復(fù)合膜采用載藥后的納米顆粒并以同樣的操作方式制備得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米顆粒量優(yōu)化

在殼聚糖膜中摻入不同含量納米顆粒后，進(jìn)行微觀組織結(jié)構(gòu)表征，得到圖像如圖1所示。不同納米顆粒量下殼聚糖膜的水性能統(tǒng)計結(jié)果見表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜基膜材料殼聚糖、甘油與納米顆粒都達(dá)到良好相容的程度，并形成明顯的突出分界。隨著納米顆粒數(shù)量的增多，在表面區(qū)域產(chǎn)生更高比例的顆粒物，膜透光性發(fā)生持續(xù)減小的結(jié)果，可以更好地填充殼聚糖膜網(wǎng)格間隙，從而對光線起到良好的隔絕效果。膜層水接觸角明顯增大，這是因為復(fù)合膜具備明顯的疏水特性，并形成粗糙的表面形貌，隨著面粗糙度的增大，膜表面獲得更優(yōu)浸潤性能，顯著提升復(fù)合膜疏水性能。

圖1 不同納米顆粒量下殼聚糖膜的SEM圖像Fig.1 SEM images of chitosan membranes with different amounts of nanoparticles

把殼聚糖膜放入水中，引起復(fù)合膜局部破裂并發(fā)生溶解的現(xiàn)象。根據(jù)圖1可知，當(dāng)提高納米顆粒加入量后，出現(xiàn)復(fù)合膜水溶性大幅減小的結(jié)果，這是因為納米顆粒跟殼聚糖交聯(lián)后對親水位點起到占據(jù)作用，使羥基和水分子間形成更弱作用，抑制氫鍵的形成過程，最終制得水溶性更弱的復(fù)合膜。對表2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，相對單純殼聚糖膜表現(xiàn)出更小透水率，提高納米顆粒加入量后，復(fù)合膜對蒸氣透過率發(fā)生持續(xù)下降。綜合水接觸角，水溶性和蒸氣透過率以及成本，確定ACC納米顆粒加入量15%比較合理。相比較未添加納米顆粒的水接觸角提高22.2 °，水溶性降低 12%，蒸氣透過率降低 4.4 g/（m2·h）。

表2 不同納米顆粒量下殼聚糖膜的水性能分析Tab.2 Analysis of water properties of chitosan membranes with different quantities of nanoparticles

2.2 結(jié)構(gòu)表征

對殼聚糖膜進(jìn)行紅外光譜測試，譜圖數(shù)據(jù)如圖2所示?？梢钥吹?，殼聚糖在3 430 cm-1位置處形成由-OH與-NH伸縮振動而產(chǎn)生的較寬吸收峰，并存在2種峰區(qū)域疊加的現(xiàn)象。殼聚糖分子中存在眾多羥基與氨基，這2種官能團(tuán)可以結(jié)合生成氫鍵，并且隨著氫鍵的強(qiáng)弱與鍵長差異性引起峰寬度增加的結(jié)果。1 633 cm-1部位形成C=O伸縮振動峰，1 413 cm-1部位形成C-N伸縮振動峰，1 054 cm-1部位對應(yīng)C-O-C伸縮振動峰。

圖2 殼聚糖膜的FTIR圖Fig.2 FTIR of chitosan membrane

同時，殼聚糖膜還在1 200～1 700 cm-1區(qū)域中形成多個羧酸根伸縮振動峰，可以觀察到明顯偏移的現(xiàn)象，表明海藻酸鈉分子結(jié)構(gòu)羧基會跟殼聚糖分子中N-H與C-N形成靜電作用。

2.3 控釋性能分析

加入15%ACC納米顆粒，但SA顆粒添加不同時殼聚糖膜的Cur釋放效率結(jié)果如圖3所示。采用pH=2.1緩沖液對復(fù)合膜進(jìn)行釋放量測試，發(fā)現(xiàn)在初始Cur釋放階段釋放速率上升很快，超過4 h后進(jìn)入一個相對平穩(wěn)的階段。由于殼聚糖、ACC與SA/ACC顆粒都存在分解情況，并釋放Cur，隨著SA含量的增加，Cur釋放速率表現(xiàn)出單調(diào)降低的變化。由于納米顆粒內(nèi)摻入了SA，因此可以對釋放速率起到良好抑制作用。達(dá)到12 h時，對比未加SA顆粒的CTS/SA（5%）/ACC（15%）殼聚糖膜的Cur釋放速率降低59%。

圖3 加入不同含量SA顆粒時殼聚糖膜的Cur釋放效率Fig.3 Cur release efficiency of chitosan membrane with different quantities of SA particles added

物質(zhì)抗氧化能力可以根據(jù)自由基清除效率判斷，Cur還原性能根據(jù)DPPH自由基進(jìn)行檢驗。對影響抗氧化活性的DPPH自由基進(jìn)行清除效果測試，情況如圖4所示。逐漸增加釋放時間后，復(fù)合膜內(nèi)的Cur達(dá)到更強(qiáng)的抗氧化性。隨著復(fù)合膜內(nèi)釋放出更高含量的Cur，表明其還原性能也增強(qiáng)。增加復(fù)合膜介質(zhì)浸泡時間后，Cur釋放液達(dá)到更強(qiáng)的DPPH自由基去除作用，說明此時抗氧化能力獲得了提升。測試結(jié)果與前期DPPH清除測試結(jié)果相符，并且Cur濃度也會引起自由基清除效率的顯著變化。在殼聚糖膜內(nèi)加入一定量的Cur，實現(xiàn)殼聚糖膜穩(wěn)定性的顯著提升，同時也采用調(diào)節(jié)外部條件來獲得不同的釋放率，為進(jìn)一步增加復(fù)合膜應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要促進(jìn)作用。

圖4 殼聚糖膜DPPH自由基清除效率Fig.4 DPPH radical scavenging efficiency of chitosan membrane

2.4 抑菌性能分析

殼聚糖膜的大腸桿菌抑菌率見圖5所示，統(tǒng)計結(jié)果見表3。對大腸桿菌進(jìn)行24 h培養(yǎng)后，可以觀察到已形成明顯菌落群。跟對照組進(jìn)行比較可知，保持同樣的菌液濃度時，采用殼聚糖膜處理得到的菌體表現(xiàn)出更低的生長密度，因此可以判斷復(fù)合膜可以起到抑制大腸桿菌的效果。根據(jù)測試結(jié)果可知，CTS，CTS/ACC（15%）和 CTS/SA（5%）/ACC（15%）復(fù)合膜對于大腸桿菌抑制率依次為3.28%，52.62%，74.56%。根據(jù)釋放特性分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，將5%的SA納米顆粒摻入，有助于復(fù)合膜發(fā)揮更高效的抑菌性能，對實現(xiàn)食品保鮮功能具有積極作用。

圖5 殼聚糖膜的大腸桿菌抑菌率Fig.5 Inhibitory rate of Escherichia coli of chitosan membrane

采用MTT測試評價樣品對A549癌細(xì)胞存活率影響來判斷生物相容性，根據(jù)CTS復(fù)合膜表面的EAhy926內(nèi)皮細(xì)胞生長狀態(tài)判斷殼聚糖膜達(dá)到的生物相容效果，統(tǒng)計結(jié)果見表3。從圖6可以看到，在體外對內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行24 h培養(yǎng)后，對照組形成正常的細(xì)胞密度，其外形呈現(xiàn)梭形結(jié)構(gòu)，總體呈現(xiàn)2種生長形態(tài)，只在局部區(qū)域發(fā)生接觸；附著于CTS復(fù)合膜表面的內(nèi)皮細(xì)胞也形成梭狀結(jié)構(gòu)，并且還可以觀察到部分圓形細(xì)胞，表明此時細(xì)胞在復(fù)合膜表面達(dá)到良好生長狀態(tài)。MTT法屬于一類對細(xì)胞毒性進(jìn)行測試的高效方法，操作過程簡單，并且具備很高重復(fù)性，其根據(jù)細(xì)胞增殖度判斷復(fù)合膜引起的內(nèi)皮細(xì)胞毒性程度。加入復(fù)合膜進(jìn)行24 h培養(yǎng)得到的內(nèi)皮細(xì)胞達(dá)到80% 以上的較高存活率，可以認(rèn)為其細(xì)胞毒性屬于1級，表現(xiàn)出較低的毒性與良好生物相容性，滿足食品材料的毒性標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 殼聚糖膜的生物相容性Fig.6 Biocompatibility of chitosan membrane

表3 殼聚糖膜的抑菌性能統(tǒng)計Tab.3 Statistics of antibacterial performance of chitosan membrane （unit：%）

2.5 水果保鮮性能試驗

殼聚糖膜對九月黃的保鮮效果如圖7所示。增加貯藏時間后，形成顏色更暗的九月黃表皮，同時光澤度也發(fā)生下降。采用殼聚糖膜進(jìn)行處理后的九月黃表面發(fā)生最小程度的光澤度與平整度改變，實際腐爛速率也最小，提升了復(fù)合膜保水能力，避免果實水分大量散失，達(dá)到良好的保鮮性能。

圖7 殼聚糖膜的對九月黃的保鮮效果Fig.7 Preservation effect of chitosan membrane on September yellow

3 結(jié)語

為研究殼聚糖膜控釋及抑菌保鮮性能表征，分別以ACC與SA/ACC 2種納米顆粒進(jìn)行摻雜測試，得到如下結(jié)論：

（1）復(fù)合膜基膜材料殼聚糖、甘油與納米顆粒都達(dá)到良好的相容程度。相對單純殼聚糖膜，復(fù)合殼聚糖膜表現(xiàn)出更小透水率。提高納米顆粒加入量，復(fù)合膜的蒸氣透過率持續(xù)下降。綜合確定ACC納米顆粒量加入15%比較合理。

（2）SA/ACC納米顆粒填充能夠?qū)ur釋放發(fā)揮抑制效果，由此獲得更低的釋放速率，實現(xiàn)殼聚糖膜穩(wěn)定性的顯著提升。

（3）采用殼聚糖膜處理得到的菌體表現(xiàn)出更低的生長密度，可以起到抑制大腸桿菌的功能，表現(xiàn)出較低的毒性與良好生物相容性，滿足食品材料的毒性標(biāo)準(zhǔn)。

（4）采用殼聚糖膜的九月黃表面發(fā)生最小程度的光澤度與平整度改變，提升了復(fù)合膜保水能力，避免果實水分大量散失，達(dá)到良好保鮮性能。

目前研究多是將SiO2、TiO2等細(xì)小氧化物顆粒加入有機(jī)膜，還未見到海藻酸鈉顆粒增強(qiáng)CTS復(fù)合膜的研究，但所制備納米SA/ACC顆粒增強(qiáng)CTS膜在藥物載體方面還有待擴(kuò)展，其對酶、蛋白質(zhì)等活性物質(zhì)的負(fù)載和緩釋能力尚需考察，在人體內(nèi)的安全性也需進(jìn)一步研究。