謝 斌 毛 龍 劉躍軍

1.湖南工業(yè)大學 先進包裝材料與技術(shù) 湖南省重點實驗室 湖南 株洲 412007

2. 廈門理工學院 福建省功能材料及應用 重點實驗室 福建 廈門 361024

0 引言

塑料包裝是目前使用最廣泛的包裝材料之一，但是這些不可降解的塑料會對環(huán)境造成污染，甚至危害人體的健康[1]。添加蛋白質(zhì)、多糖或脂質(zhì)的生態(tài)友好型生物基高分子材料[2]，以及含天然抗氧化劑的生物基活性包裝材料在全球范圍內(nèi)受到越來越多的關(guān)注。

殼聚糖（chitosan，CS）是幾丁質(zhì)的天然衍生物，是僅次于纖維素的第二大多糖。CS因具有高分子量、線性結(jié)構(gòu)、抗菌活性、生物相容性、生物降解性以及安全無毒的特性[3-4]，而備受研究者的青睞，已成為全球最廣泛使用的天然高分子材料之一[5]。

聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）是一種可生物降解的水溶性結(jié)晶聚合物，由于其良好的生物降解性、水溶性、成膜性、阻氣性以及生物相容性，能與不同的合成或天然聚合物共混，被廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療和食品接觸包裝領(lǐng)域[6-7]。PVA也被美國農(nóng)業(yè)部批準用于肉類和家禽產(chǎn)品包裝[8]。

兒茶素是綠茶提取物中的主要茶多酚，主要由表兒茶素、表沒食子兒茶素、表兒茶素沒食子酸酯、表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）組成[9-10]。EGCG是綠茶提取物中活性最高的多酚類化合物，兒茶素含量最高（7～74 mg/g）[9]。EGCG因出色的抗氧化性、抗菌活性、抗增殖和抗腫瘤活性而得到了廣泛研究。一些研究表明[11-12]，EGCG結(jié)構(gòu)的修飾增強了其抗氧化活性，其分子結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 EGCG的分子結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 The molecular structure diagram of EGCG

本研究以聚乙烯醇和殼聚糖為基材，以EGCG為改性劑，通過調(diào)整EGCG的添加量，制備了一系列PVA/CS/EGCG復合薄膜，并對復合薄膜的理化性能進行系統(tǒng)分析，旨在更大程度地提升PVA/CS基薄膜的綜合性能，為研發(fā)環(huán)境友好型的PVA/CS基包裝材料提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 主要原材料與儀器設備

1）原材料

聚乙烯醇，AQ-4104，日本可樂麗株式會社。殼聚糖，MW=30 000；表沒食子兒茶素沒食子酸酯，純度為98%；冰乙酸（glacial acetic acid，HAC）。以上材料均為分析純，購買于上海麥克林生化科技有限公司。

2）儀器與設備

恒溫加熱磁力攪拌器，DF101型，邦西儀器科技（上海）有限公司；電子天平，YP202N型，上海精密科學儀器有限公司；平頭測厚規(guī)，精度為0.001 mm，深圳市源恒通科技有限公司；分光色差儀，TS7020型，深圳市三恩時科技有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀，ALPHA型，德國Bruker；紫外-可見分光光度計，SPECORD 210 PLUS型，德國Analytik Jena；萬能力學測驗機，ETM502B-Ex型，深圳萬測試驗設備有限公司。

1.2 PVA/CS/EGCG復合薄膜的制備方法

在裝有蒸餾水（12 mL）、攪拌子的三口燒瓶中加入0.56 g的PVA粉末，先在室溫下攪拌15 min，使其充分溶脹，再升溫至98 ℃持續(xù)攪拌1 h，使PVA完全溶解至均勻透明的溶液[13]，冷卻至室溫備用。在裝有一定量的2%冰乙酸水溶液的燒杯中加入一定量的EGCG（分別為PVA、CS和EGCG總質(zhì)量的0%, 0.5%, 1%, 3%, 5%），充分溶解后再加入0.14 g的CS粉末，繼續(xù)攪拌至其完全溶解；然后，將冷卻好的PVA溶液倒入燒杯中并緩慢攪拌，混合均勻后將混合液體超聲15 min，以去除氣泡；最后，將其置于水平放置的聚四氟乙烯模具中，在35 ℃干燥箱內(nèi)干燥24 h，得到添加不同質(zhì)量分數(shù)EGCG的PVA/CS/EGCG復合薄膜，分別標號為PCE-0、PCE-0.5、PCE-1、PCE-3、PCE-5。

1.3 測定與表征

1.3.1 厚度

參照國家標準 GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片 厚度測定 機械測量法》中的方法，對復合薄膜的厚度進行測定。具體方法為：取一張完整光滑的復合薄膜，使用精度為0.001 mm的平頭測厚規(guī)在復合薄膜上隨機取5個點測量厚度，取平均值。

1.3.2 色差與透明性

復合薄膜的顏色由分光色差儀進行測定，測量值分別為L*（亮度值）、a*（紅/綠值）和b*（黃/藍值），其中L*值越低表示樣品的亮度越小；a*為負值指示綠色，正值指示紅色；b*為負值指示藍色，正值指示黃色。白色標準色板（L*= 96.9,a*= -0.2,b*= 0.3）用于校準儀器并在測量過程中作為背景。每張薄膜記錄3個測量值，取平均值，并根據(jù)式（1）計算總色差（ΔE）。

式中：ΔL*、Δa*、Δb*分別表示樣品的亮度值、紅/綠值、黃/藍值與標準值的變化量。

薄膜的不透明度（O）根據(jù)式（2）進行計算。

式中：Abs600是薄膜在600 nm處的吸光度；x是薄膜的厚度，mm。

1.3.3 紫外光屏蔽性能

使用紫外-可見分光光度計在紫外和可見光范圍（190～800 nm）測量薄膜（2 cm×2 cm）的光學特性。

1.3.4 力學性能

將已知厚度的薄膜切成矩形條狀，采用萬能力學測驗機對樣條的力學性能進行測試，拉伸速率為10 mm/min。每張薄膜做5個平行試樣，測試結(jié)果取平均值。

1.3.5 抗氧化性能

采用DPPH自由基清除活性測試評價薄膜的抗氧化性能[14]。將膜試樣裁剪成40 mm×40 mm大小，放入盛有50 mL去離子水的燒杯中，置于磁力攪拌器上，轉(zhuǎn)速適當，在室溫下持續(xù)攪拌。以去離子水為空白對照，取1 mL試樣溶液加入到4 mL DPPH的甲醇溶液（濃度為75 μmol/L）中振蕩混勻，避光靜置1 h，使清除自由基反應充分，用紫外分光光度計測定516 nm處的吸光度。每張薄膜做3個平行試樣，測試結(jié)果取平均值。

通過式（3）計算DPPH自由基清除活性。

式中：A1為樣品的吸光度；A0為空白對照的吸光度。

1.3.6 抗菌性能

采用平板菌落計數(shù)法，研究了復合薄膜對大腸桿菌（Escherichia coli，E.coli.）的抗菌性能。測試方法與步驟參照文獻[15]，測試的最終結(jié)果所對應的單位為CFU/mL，即每毫升樣品中含有的細菌群落總數(shù)[16]。待測試完成后，以抗菌率評估樣品的抗菌活性，計算公式如下：

抗菌率=[（對照的菌落群-樣品的菌落群）/對照的菌落群]×100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 色差與透明性分析

薄膜的顏色和不透明度可以直接影響食品外觀和消費者的接受度，是薄膜的兩個重要參數(shù)[17]。添加不同質(zhì)量分數(shù)EGCG的PVA/CS/EGCG復合薄膜的L*、a*、b*、ΔE以及不透明度值如表1所示。

表1 PVA/CS/EGCG復合薄膜的顏色參數(shù)和不透明度值Table 1 Color parameters and opacity values of PVA/CS/EGCG composite films

由表1可以看出，隨著EGCG添加量的增加，薄膜亮度值L*由91.6下降至57.8，顯著降低，而a*、b*和ΔE的值則出現(xiàn)明顯升高，說明復合薄膜亮度變暗，顏色偏紅、偏黃，透明性比對照膜（PCE-0）明顯降低。這些變化可能是薄膜基質(zhì)收縮的結(jié)果，其中聚合物鏈間間距減小，允許較少的光通過薄膜[18]；也可能是由EGCG本身的顏色（淺黃褐色）引起的。另外，表中所有復合薄膜在600 nm處的不透明度值O均低于5，都可以被認為是透明的[3]，該參數(shù)值越高，表示薄膜透明度越低。

2.2 紫外光屏蔽性能分析

近紫外區(qū)（200～380 nm范圍內(nèi)）的紫外光作為常見的氧化引發(fā)劑之一，會導致食物變質(zhì)。因此，避免由紫外線引起的脂質(zhì)氧化非常重要。圖2為復合薄膜在近紫外光和可見光范圍內(nèi)（選定波長為190～790 nm）的透光率值。

圖2 PVA/CS/EGCG復合薄膜的紫外-可見光譜圖Fig. 2 The UV-visible spectra of PVA/CS/EGCG composite films

由圖2 可知，EGCG的添加顯著降低了復合薄膜的紫外光透過率，尤其是在200～320 nm范圍內(nèi)，添加質(zhì)量分數(shù)1%以上EGCG的復合薄膜紫外可見光透過率接近0%，說明PVA/CS/EGCG復合薄膜能夠有效阻擋紫外線。這些結(jié)果與馮明月[19]的研究結(jié)果一致，后者表明摻有茶多酚的薄膜具有出色的紫外線阻隔能力，用于食品包裝中可以防止紫外線引起的脂質(zhì)氧化。此外，在可見光范圍內(nèi)PVA/CS/EGCG復合薄膜大體上都顯示低于PVA/CS膜的可見光透過率，說明EGCG的摻入降低了薄膜的透明度，但在本研究添加量范圍內(nèi)所制備的PVA/CS/EGCG復合薄膜均為透明的（O＜ 5）。

2.3 力學性能分析

拉伸強度（σb）和斷裂伸長率（E）是衡量食品包裝在運輸和生命周期中保持完整性和承受外部壓力的關(guān)鍵參數(shù)。圖3為添加不同質(zhì)量分數(shù)的EGCG（wEGCG）對復合薄膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響。

圖3 PVA/CS/EGCG復合薄膜的力學性能曲線Fig. 3 Mechanical property curve of PVA/CS/EGCG composite films

由圖3可知，與PVA/CS膜相比，摻入EGCG的復合薄膜拉伸強度和斷裂伸長率均有明顯提升。拉伸強度由開始的24.33 MPa增加至30.16 MPa，增加了約24%；斷裂伸長率由84.38%最高增加到163.38%（EGCG質(zhì)量分數(shù)為3%時），隨EGCG添加量進一步增加，斷裂伸長率反而降低。這種變化主要歸因于EGCG的多羥基化合物，與PVA、CS形成了新的氫鍵，增加了分子間的相互作用力，增強了薄膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進而提升了薄膜的力學性能[20]。

2.4 抗氧化性能分析

DPPH自由基清除活性試驗通常被用來測定樣品的抗氧化性能，且DPPH自由基清除活性越高，樣品的抗氧化性能越好。圖4為添加不同質(zhì)量分數(shù)EGCG的PVA/CS/EGCG復合薄膜對DPPH自由基清除率的情況。

圖4 PVA/CS/EGCG復合薄膜對DPPH自由基清除率Fig. 4 DPPH free radical scavenging of PVA/CS/EGCG composite films

由圖4可以看出，未添加EGCG的PVA/CS薄膜（PCE-0）也表現(xiàn)出了一定的自由基清除活性（16.9%），這可能是由于殼聚糖本身具有一定的抗氧化活性[21]。當EGCG摻入薄膜中后，其抗氧化性能進一步提升，并且隨著EGCG質(zhì)量分數(shù)的增大而增強，當EGCG的質(zhì)量分數(shù)為5%時，DPPH自由基清除率達到了41.3%。這一結(jié)果表明EGCG分子作為抗氧化劑，實現(xiàn)了與PVA/CS基質(zhì)的均勻共混。

2.5 抗菌性能分析

圖5為PVA/CS/EGCG復合薄膜對大腸桿菌抗菌測試菌落實物圖，抗菌率結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同薄膜對大腸桿菌的抑菌效果圖Fig. 5 The antibacterial effect of different ratios of different films against E. coli.

圖6 不同薄膜對大腸桿菌生長抑制的影響Fig. 6 Effects of different films on the growth inhibition of E. coli.

結(jié)合圖5～6可以看出，純PVA膜的菌液濃度（1.87×109CFU/mL）基本與空白對照組（1.90×109CFU/mL）持平，證明了PVA本身是不具備抗菌性的；加入質(zhì)量分數(shù)為20%的殼聚糖后PCE-0復合薄膜的抗菌能力明顯提升（抗菌率達47.16%），這與殼聚糖的抗菌活性[22-24]密切相關(guān)；隨著EGCG質(zhì)量分數(shù)的增加，PVA/CS/EGCG復合薄膜的抗菌性能進一步增強，PCE-5復合薄膜的菌液濃度為1.14×108CFU/mL，抗菌率達到92.58%。這是因為：EGCG與細胞膜表面蛋白結(jié)合并抑制大腸桿菌轉(zhuǎn)運蛋白的功能，進而限制葡萄糖通過細胞外膜向細胞內(nèi)的傳遞，實現(xiàn)抗菌功能[25-27]。

3 結(jié)論

本研究以PVA和CS為基材，以綠茶提取物EGCG為改性劑，通過調(diào)整EGCG的添加量，制備一系列PVA/CS/EGCG復合薄膜，優(yōu)化其綜合性能，利用紫外-可見分光光度計對復合薄膜紫外光屏蔽性進行表征，并測定復合薄膜的厚度、色差、透明性、紫外光屏蔽性能、力學性能、抗氧化性能和抗菌性能。實驗結(jié)果表明，EGCG的摻入大幅度提升了PVA/CS/EGCG復合薄膜的紫外光屏蔽性能和抗氧化性能，在增強機械性能的同時也保持了較好的斷裂伸長率。此外，PVA/CS/EGCG復合薄膜的抗菌性能得到了顯著提升，尤其是PCE-5的抑菌率達到92.58%。PCE-5復合薄膜大體上符合了良好包裝材料的要求，在此基礎(chǔ)上進行深入研究，有望開發(fā)出環(huán)境友好型的活性包裝材料。