抗菌性海藻酸钠膜的制备及性能分析

郭锦棠，张 瑾，殷俊威

(天津大学化工学院，天津 300072)

抗菌性海藻酸钠膜的制备及性能分析

郭锦棠，张 瑾，殷俊威

(天津大学化工学院，天津 300072)

为了抑制食品表面微生物的生长，以海藻酸钠为基材、吐温-80为乳化剂、甘油为增塑剂、CaCl2为交联剂、丁香油及肉桂油作为杀菌剂，制备具有杀菌性能的海藻酸钠膜．其中丁香油和肉桂油采用分级抑菌浓度指数(FIC)测定方法确定其最佳剂量配比为8∶1．通过扫描电子显微镜对海藻酸钠膜的结构进行表征，以及对膜的力学性能、厚度、吸水率和杀菌性能的研究，得到了抗菌性海藻酸钠膜的最佳制备配方为海藻酸钠3.0%、CaCl25.0%、吐温-80为2.0%、甘油为1.0%、丁香油和肉桂油为2.0%(均为质量分数)．

海藻酸钠；力学性能；杀菌性能；肉桂油；丁香油

食品周围的微生物是食品变质的重要原因，因此采用具有抗菌性的食品包装材料来防止产品受到污染显得尤为重要．近年来，无机抗菌薄膜和有机抗菌薄膜的安全性问题令人担忧[1]，而天然抗菌膜因其具有良好的人体安全性、生态环保性和广谱抗菌性引起了人们的关注．目前，天然抗菌膜的研究主要集中在以壳聚糖为抗菌剂的薄膜中，但是壳聚糖的价格较贵[2]，寻求新型的抗菌材料成为研究热点.

海藻酸钠溶液具有很好的成膜性，且所成的膜柔韧性好、透明度高，被广泛应用于各种肉类及海产品的保鲜中[3]．肉桂油和丁香油是从天然植物中提取得到的，因其具有良好的生态安全性、无毒、可降解、可食用等特点被用来加工成食品抗菌剂[4]．目前现有的研究只是针对单一的杀菌物质[5]，其抑菌谱一般较窄．另外，单一成分可能导致抗药性，因此抗菌物质的混合使用可以在达到同样抗菌效果时减少每一种抗菌剂的浓度，从而提供一种制备天然抑菌剂的新途径[6]．本实验采用分级浓度抑菌指数法(FIC)，选取具有协同效应的丁香油和肉桂油组合作为杀菌剂，有效地增大了广谱抗菌性．

笔者以海藻酸钠为成膜基质，以丁香油和肉桂油的复配物作为杀菌剂，制备具有杀菌性能的可食性海藻酸钠膜．研究了不同因素对海藻酸钠膜的综合性能的影响，从而制得性能优良的薄膜．

1 材料与方法

1.1 材料和设备

丁香油、肉桂油购自吉安市华美天然香料油提炼厂；海藻酸钠(食品级)，天津市科密欧化学试剂开发中心；甘油、吐温-80、吐温-20、司班-60、司班-20、CaCl2均为分析纯，APG0810(工业品)，天津江天化工技术有限公司；大肠杆菌ATCC2592、金黄色葡萄球菌ATCC6538，中国科学院微生物研究所．

WDW-02微机控制精密控温拉力机，长春科新试验仪器有限公司；SXJQ-1数显直流无极调速搅拌器，郑州长城科工贸有限公司；S-4800扫描电镜，日本日立公司；数显测厚百分表，桂林广陆数字测控股份有限公司．

1.2 最低抑菌浓度(MIC)的测定

本实验采用酪蛋白琼脂稀释法将不同浓度的抑菌剂混合溶解于琼脂培养基中，然后点种细菌，通过细菌的生长与否，确定抑菌物质抑制受试菌生长的最低浓度，即最低抑菌浓度(MIC)．

1.3 分级抑菌浓度指数(FIC)的测定

配制各杀菌剂MIC的1/8倍、1/4倍、1/2倍、1倍、2倍浓度的杀菌液，并将以上各浓度的药液进行联合．利用酪蛋白琼脂稀释法测得药物联合后的MIC，即在每个培养皿中分别加入5,mL的杀菌剂A和杀菌剂B，再加入10,mL的MH(A)培养基，加入菌悬液后培养18～24,h，观察实验结果，得到各复配液的MIC．依据公式FIC=MICA(联合)/MICA(单用)+MICB(联合)/MICB(单用)计算出各实验药物联合的分级抑菌浓度(fractional inhibitory concentration，FIC)指数，实验重复3次，取平均值．根据FIC指数判断标准选取FIC值最小的实验药物组合．

1.4 抗菌性海藻酸钠膜的制备

称取一定量的海藻酸钠，加入到加热后的蒸馏水中．待膜液冷却后，加入甘油、肉桂油、丁香油及乳化剂，将所得混合物搅拌7,h以使各成分混合均匀．搅拌完成后将混合膜液倒入烧杯中，用塑料膜封住杯口，静置36,h以除去膜液中的气泡．

量取30,mL的膜液倒在15,cm×10,cm的玻璃模具中，使膜液自然流平．将模具放在烘箱中，70,℃下烘干．烘干后取出模具，待冷却后加入氯化钙溶液，交联5,min，然后将交联后的膜烘干，揭膜即得抗菌性海藻酸钠膜．

1.5 薄膜厚度的测定

用测厚仪在被测膜上随机选取5点进行测定，取平均值即为薄膜的膜厚，单位为mm．

1.6 膜拉伸强度和断裂伸长率的测定

根据GB/T 1040—2006中的方法，用微机控制精密控温拉力机测试薄膜的拉伸强度和断裂伸长率．每个样品测量3次后取平均值．

1.7 膜抗菌性能的测试

本实验采用抑菌环法测试薄膜的抗菌性能．实验中所用抑菌片直径为5,mm，然后用无菌镊子夹取膜片放在含菌平板上，每个样品平行做4个膜片．贴好抑菌膜片后，将培养皿置于37,℃下培养16～18,h，培养结束后测量每个膜片的抑菌环直径，记录实验结果以比较不同样品的抗菌作用的大小．

1.8 膜吸水率的测试

将抗菌膜剪成1,cm×1,cm，浸入蒸馏水中室温下静置24,h．用镊子取出膜片，用滤纸吸去表面的水分，称重，重复此操作至恒重，然后将湿膜于60,℃减压干燥24,h至恒重．吸水率计算式为

Q=(mw-md)/md

式中mw和md分别为湿膜和干膜质量．

1.9 膜的SEM测试

用S-4800型扫描电子显微镜观察海藻酸钠抗菌膜的断面形貌，样品断面真空喷金后拍照．

2 结果与讨论

2.1 丁香油及肉桂油最低抑菌浓度(MIC)测定结果

由表1可知，丁香油和肉桂油单独使用时对各供试菌均表现出较强的抗菌效果．并且肉桂油对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制能力比丁香油较强．

表1 丁香油和肉桂油对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的MICTab.1MIC of clove oil and cinnamon oil on E.coli and Staphyloccocus aureus

2.2 丁香油和肉桂油联合抑菌浓度测定

将丁香油和肉桂油以各自MIC的1/8倍、1/4倍、1/2倍、1倍、2倍浓度进行复配，并测试各复配液的杀菌性能，复配液中各组分实际浓度为加入浓度的1/2倍，结果如表2和表3所示．对于大肠杆菌，当FIC值最小时，丁香油和肉桂油的联合MIC均为其单用MIC的1/2；对于金黄色葡萄球菌，两者的联合MIC则为各自单用MIC的1/4．

表2 丁香油和肉桂油复配物对大肠杆菌的杀菌效果Tab.2 Effects of the mixtures of clove oil and cinnamon oil on the growth of Escherichia coli

表3 丁香油和肉桂油复配物对金黄色葡萄球菌的杀菌效果Tab.3 Effects of the mixtures of clove oil and cinnamon oil on the growth of Staphylococcus aureus

两者复配后的FIC值如表4所示，由FIC值的判定标准可知，丁香油和肉桂油联合使用后，对大肠杆菌表现出相加作用，丁香油和肉桂油的质量比约为8∶1；对金黄色葡萄球菌则表现出协同作用，质量比约为2∶1．为扩大抑菌范围，本实验采用8∶1作为精油添加比例．

表4 丁香油和肉桂油的FIC指数Tab.4 FIC index of clove oil and cinnamon oil

2.3 海藻酸钠质量分数对抗菌膜性能的影响

不同海藻酸钠质量分数对膜性能的影响见表5．

海藻酸钠膜的力学性能主要与聚合物的结构、平均分子量以及聚合物的分子排列相关．当海藻酸钠的分子链结构和平均分子质量一定时，所得膜的力学性能就主要受聚合物分子排列的影响．海藻酸钠的质量分数越大，单位体积内的分子数越多，分子链之间的作用力越强，制得膜的拉伸强度也就越大．

表5 海藻酸钠质量分数对膜性能的影响Tab.5Effect of the concentration of sodium alginate on the properties of the film

从表5及图1可看出海藻酸钠的质量分数对薄膜力学性能的影响．当海藻酸钠的质量分数较低时，膜液黏度小，容易流延成膜，但所得的膜较薄，干燥后不易揭膜，膜的拉伸强度和断裂伸长率都很低．随着海藻酸钠质量分数的增大，制得的膜的拉伸强度和断裂伸长率也随之增加，但当质量分数大于3.0%后，由于分子链间作用力的增大，交联越紧密，膜的断裂伸长率则随之减小．当海藻酸钠的质量分数为4.0%～5.0%时，膜液的黏度增大，流动性差，流延成膜时所得的薄膜厚度不均匀，且颜色变黄，影响外观．因此，海藻酸钠的最佳质量分数为3.0%左右．

图1 海藻酸钠膜的扫描电镜Fig.1 SEM images of sodium alginate films

2.4 CaCl2质量分数对抗菌性膜性能的影响

2.4.1 海藻酸钠膜的综合性能

CaCl2作为交联剂，会与海藻酸钠发生螯合作用，形成类似“蛋盒”的结构，使海藻酸钠分子链间结合更紧密，形成凝胶[7]，从而改善膜的柔韧性和耐水性．表6反映了CaCl2质量分数对海藻酸钠膜性能的影响．

表6 CaCl2质量分数对抗菌性膜性能的影响Tab.6 Effect of the concentration of CaCl2on the properties of the film

由表6可以看出，海藻酸钠膜与钙离子发生交联后，拉伸强度得到了显著的提高，当CaCl2的质量分数为5.0%时，薄膜的拉伸强度达到最大值，为31.34 MPa，明显高于未交联的膜(12.70,MPa)．薄膜的断裂伸长率的变化趋势与拉伸强度的变化相似，在CaCl2质量分数为5.0%时达到最大(4.74%)，其后随着CaCl2质量分数的增大，断裂伸长率和拉伸强度均减小．

随着CaCl2溶液质量分数的增加，膜的厚度也增大，且交联膜的厚度要明显大于未交联的膜的厚度.这可能是由于当CaCl2溶液的质量分数为2.5%～10.0%时，钙离子的交联反应速度均大于膜中海藻酸的溶解速度，且Ca2+浓度越大，交联反应的速度越快，同时在膜的表面快速形成一层致密的交联膜，抑制了海藻酸向外溶解，从而使薄膜的厚度变大．

2.4.2 海藻酸钠膜的微观形态

由图2可以看出，加入CaCl2后，其与海藻酸钠发生交联反应，膜交联点分布较均匀，结构紧密，因此膜的拉伸强度和断裂伸长率增大．同时海藻酸钠与Ca2+作用时，Ca2+交联与聚合链的缔合链段之间，产生了抑制水分流动的三维结构，从而使膜的吸水性降低．但当CaCl2的质量分数较大时，在膜的表面迅速形成一层紧密的交联膜[8]，阻止了Ca2+向膜内部的渗透，从而使膜内部的交联度降低，制得的膜结构不均匀，影响其力学性能．

图2 海藻酸钠抗菌性膜的扫描电镜Fig.2 SEM images of antimicrobial sodium alginate films

2.4.3 海藻酸钠抗菌性膜的红外分析

图3为未加CaCl2与含5.0% CaCl2的海藻酸钠膜的红外谱图．由图3可以看出，在2,925,cm-1处有一吸收峰为海藻酸钠大分子六元环上C—H的伸缩振动吸收．经交联后形成的海藻酸钙分子中的C—H的伸缩振动吸收比海藻酸钠分子较弱，这可能是由于海藻酸钠大分子与Ca2+形成“蛋盒”结构，限制了六元环上C—H的伸缩振动，使得偶极矩变化较小，因此吸收峰变弱[9]．在860,cm-1处的吸收变弱，说明羟基氧参与了配位，降低了O—H的键能．同时海藻酸钙中O—H伸缩振动峰变宽，说明只是部分羟基参与配位.在1,290,cm-1处为C—O键的伸缩振动吸收，在海藻酸钠分子—COO-基团中的C—O键吸收较弱，由于Ca2+交联形成C—O—Ca—O—CO—基团结构，使得C—O键的伸缩振动吸收增强，这也说明了Ca2+的加入使海藻酸钠大分子交联形成了网状结构.

图3 海藻酸钠膜的红外谱图Fig.3 IR spectra of sodium alginate films

综合考虑CaCl2的质量分数对膜的力学及杀菌等性能的影响，选择CaCl2溶液的最佳质量分数为5.0%左右．

2.5 乳化剂的选择对抗菌性膜性能的影响

由于丁香油和肉桂油不溶于水，所以在制膜过程中需要加入乳化剂使丁香油和肉桂油均匀分散于膜液中，形成稳定的乳浊液．

本实验对几种乳化剂进行筛选，结果如表7所示．由实验结果可以看出，APG0810对丁香油和肉桂油具有一定的增溶效果，但会使乳液显青色，吐温-20只有在浓度较高时才具有明显的效果，因此，吐温-80对丁香油和肉桂油的增溶效果最好．

表7 乳化剂对杀菌剂的增溶效果Tab.7 Solubilization effect of emulsifier on bactericide

2.6 吐温-80质量分数对抗菌性膜性能的影响

表8显示了不同质量分数吐温-80对膜力学性能的影响．从表中可以看出随着吐温-80质量分数的增加，膜的拉伸强度降低而断裂伸长率提高．这是由于吐温-80加入后，会进入到海藻酸钠分子链的间隙，使链间的空隙增大，链间作用力减小，增加了链的流动性．另外，由于吐温-80具有亲水性，薄膜内的水分含量也会随之增大，而水分子在薄膜中可起到增塑剂的作用，减小膜的拉伸强度而增大断裂伸长率[10]．薄膜的厚度主要与膜液的固含量有关．当膜中加入吐温-80后，海藻酸钠分子链间空隙增大以及膜内水分含量的增加，薄膜的厚度增大．因此，当膜中吐温-80的含量增加时，薄膜的厚度也会随之增大．综合考虑吐温-80对膜的性能的影响情况，其最佳质量分数为2.0%左右．

表8 吐温-80对膜力学性能的影响Tab.8 Effects of Tween-80 on the mechanical property of the films

2.7 甘油质量分数对抗菌性膜性能的影响

纯的海藻酸钠膜较脆，为了增加膜的柔韧性，可向成膜物质中加入甘油赋予薄膜一定的力学性能.

表9显示了甘油用量对膜的力学性能的影响，随着甘油质量分数的增加，薄膜的拉伸强度减小，未添加甘油的空白膜的拉伸强度约为甘油质量分数为2.0%的薄膜的1.5倍．同时，膜的断裂伸长率则随甘油用量的增加而增大，当甘油质量分数为2.0%时，其断裂伸长率约为空白膜的3倍，薄膜的柔韧性得到了显著的提高．这是由于甘油的加入，削弱了大分子之间的相互作用，从而有利于外力场作用下的海藻酸钠链段的重排，提高了膜的柔韧性．

表9 甘油质量分数对膜性能的影响Tab.9Effect of the concentration of glycerol on the properties of the films

但是添加了甘油的薄膜的厚度明显比不含甘油的空白膜要厚，产生这种现象的原因一方面是由于膜液中固含量的提高，另一方面则可能是由于甘油的加入，使膜的结构变得松散，膜中空隙增多，含水量增加，从而使膜的厚度变大．考虑到甘油用量对薄膜综合性能的影响，确定甘油的质量分数为1.0%时为宜．

2.8 丁香油和肉桂油质量分数对抗菌性膜性能的影响

当向海藻酸钠溶液中加入丁香油及肉桂油后，膜液的颜色变为乳白色，制得的薄膜与未加入植物精油的空白膜相比，透明度有所降低．薄膜中加入植物精油后，精油主要是以油滴的形式存在于膜中，使膜产生空洞而呈现出疏松的海绵结构[11](见图4)．海藻酸钠分子链间的作用力减小，表现为薄膜的拉伸强度减小，断裂伸长率增加．由表10可以看出，膜的拉伸强度随丁香油和肉桂油质量分数的增大而减小，断裂伸长率则表现为先增大后减小的趋势，但断裂伸长率的变化并不显著．

图4 海藻酸钠膜微观结构Fig.4 Microstructure of sodium alginate films

表10 丁香油和肉桂油质量分数对膜性能的影响Tab.10Effect of the concentration of clove oil and cinnamon oil on the properties of the films

由图5可知，膜液中加入的丁香油和肉桂油的量越大，所制得的海藻酸钠膜中包裹的杀菌剂越多，其杀菌性能就越强．但随着膜中精油含量的升高，膜液的固含量增大，且制得的薄膜中空洞增加，膜结构更加疏松，使膜的厚度增大．因此，选择丁香油及肉桂油的质量分数为2.0%左右．

图5 丁香油及肉桂油浓度对膜的杀菌性能的影响Fig.5 Effects of the concentration of clove oil and cinnamon oil on the bactericidal property of the films

3 结 论

(1) 通过测试丁香油和肉桂油的最低抑菌浓度(MIC)，经复配后根据协同效应得到丁香油和肉桂油的最佳复配比为8∶1，同时复配后的抑菌效果与单一杀菌剂相比明显提高．

(2) 海藻酸钠含量的增加会使膜的拉伸强度、吸水率和厚度也随之增大，而断裂伸长率则表现为先增后减的趋势．交联剂CaCl2质量分数增加时，膜的拉伸强度和断裂伸长率均表现为先增大后减小，厚度会随着CaCl2质量分数的增加而增加，吸水率不断减小．吐温-80、甘油以及植物精油加入后会使海藻酸钠分子链之间的作用力减小，从而降低膜的拉伸强度并提高断裂伸长率．吐温-80和甘油用量的增加会使膜的厚度增大，但膜中植物精油用量的增加会显著提高膜的杀菌性能．

(3) 通过对膜的综合性能的考察，得出膜中各物质的质量分数分别为海藻酸钠为3.0%、CaCl2为5.0%、甘油为1.0%、吐温-80为2.0%、丁香油和肉桂油为2.0%，膜的综合性能最好．

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Preparation and Performance Analysis of Edible Antimicrobial Films Based on Sodium Alginate

Guo Jintang，Zhang Jin，Yin Junwei
(School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to inhibit the growth of microbes on the surface of foods, edible antimicrobial films were synthesized by using sodium alginate as matrix, Tween-80 as emulsifier, CaCl2as cross-linking agent, and glycerin as plasticizer, and clove oil and cinnamon oil as bactericide, with their optimum ratio determined to be 8∶1 by fractional inhibitory concentration (FIC) test. The structure of sodium alginate films was characterized by scanning electron microscope and their bactericidal capacity, water absorption and mechanical property were also examined. As a result, the best formula of antimicrobial films based on sodium alginate was that the concentrations of sodium alginate, Tween-80, glycerol, CaCl2and clove/cinnamon oil were 3.0%, 2.0%, 1.0%, 5.0% and 2.0%, respectively.

sodium alginate；mechanical property；bactericidal property；cinnamon oil；clove oil

TS206

A

0493-2137(2013)07-0653-06

DOI 10.11784/tdxb20130714

2012-07-15；

2012-08-21.

郭锦棠（1968— ），女，博士，教授．

郭锦棠，jtguo@tju.edu.cn.