明胶-山梨酸钾抗菌膜的制备及性能研究

王 卉,薛长风,黄朝晖,曹 辉

(琼州学院 食品学院,海南 三亚 572022)



明胶-山梨酸钾抗菌膜的制备及性能研究

王 卉,薛长风,黄朝晖,曹 辉

(琼州学院 食品学院,海南 三亚 572022)

以明胶为基质,添加抗菌剂山梨酸钾,采用溶液流延成膜法制备不同山梨酸钾含量的明胶抗菌膜,研究不同山梨酸钾含量对膜的力学性能、水蒸气透过率、透光性能、山梨酸钾释放率和抗菌性能的影响.结果表明,随着山梨酸钾含量的增加,明胶膜的拉伸强度不断增大,而断裂伸长率逐渐降低.水蒸气透过率和透光性能随山梨酸钾含量的增加逐渐降低,山梨酸钾在水中先后经历快速释放和缓慢释放两个阶段,山梨酸钾含量高的膜释放速率较快,明胶膜对金黄色葡萄球菌的抗菌性能随着山梨酸钾含量增加而增大.

明胶膜;山梨酸钾;释放速率;抗菌性能

食品在储藏过程中表面易滋生微生物,这是造成食品污染的重要原因.具有抗菌性能的生物可降解食品包装材料能够隔离被包装食品与外界环境的物质交换,通过抗菌剂的缓慢释放,能较长时间作用于食品,从而长久的抑制或防止微生物的生长,有效延长食品保质期.其中,可食性抗菌膜以蛋白质、多糖等生物大分子为基质,通过添加抗菌剂达到抑菌效果,多糖类包括淀粉、纤维素、壳聚糖、藻酸盐、角叉菜胶等,蛋白类材料有大豆蛋白、乳清蛋白、玉米蛋白及其衍生物[1-2].明胶是由动物的皮或骨头为原料制得的,是胶原蛋白多级的水解产物,由多种氨基酸组成的大分子混合物,在食品和医药等工业领域有着广泛的应用[3-4].明胶易成膜,明胶膜具有可食性和可降解性,在包装方面有潜在应用价值[5-6].虽有较多关于增塑剂和交联剂对明胶膜性能影响的研究[7-8],但对抗菌剂影响的研究有限.山梨酸及其盐类可以抑制细菌、霉菌和酵母菌的生长,能有效地延长食品货架期.本论文在明胶成膜液中添加抗菌剂山梨酸钾,制备明胶抗菌膜,研究山梨酸钾含量对明胶抗菌膜的性能影响.

1材料与方法

1.1材料与设备

明胶(国药集团化学试剂有限公司);甘油(科德丽化工有限公司);山梨酸钾(天威化工有限公司监制);其他试剂均为分析纯.

LRH-250F生化培养箱(上海一恒);SW-CJ-2D型双人净化工作台(苏州净化);UV2550紫外可见分光光度(日本岛津);RGD-1型电子拉力试验机(深圳市瑞格尔仪器有限公司);SHA-B水浴振荡器(江苏金坛亿通电子有限公司);N596外径千分尺(上海量具刃具).

1.2实验方法

1.2.1明胶-山梨酸钾抗菌膜的制备

配制5% (w/v)的明胶溶液,40℃下电动搅拌至充分溶解,加入3%的甘油(w/w明胶)作为增塑剂和0.4%的戊二醛(w/w明胶)作为交联剂,混合后搅拌30min,加入山梨酸钾溶液,使山梨酸钾含量分别为明胶质量的3%,6%,9%,12%,搅拌均匀,静置脱泡,然后将所得溶液在PC塑料培养皿中成膜,于50℃烘干.将膜置于干燥器中(相对湿度为50%)保存待用.

1.2.2力学性能测定

将抗菌明胶膜剪成矩形试样(20 mm×100 mm),用电子拉力试验机测试拉伸强度、断裂伸长率.测试夹具间距为50 mm,拉伸速率为10 mm/min,每个试样重复测量5次,取平均值.

1.2.3水蒸汽透过系数(WVP)

1.2.4膜的透光性

剪取35 mm×20 mm的膜样品,将膜置于分光光度计的试样槽中,在 600 nm光波下测定膜的吸光度,计算膜的不透明度.不透明度的计算公式:S = Abs600/L,式中:Abs600为膜在600 nm处的吸光度,L为膜厚度(mm).

1.2.5膜厚度的测定

用千分尺测量明胶膜上5点的厚度,取平均值.

1.2.6山梨酸钾在明胶膜中的释放测试

1.2.6.1山梨酸钾标准曲线的制作

浓度/mg·L-1图1 山梨酸钾标准曲线

精确称取 100.0 mg 山梨酸钾样品溶解于蒸馏水中,定容至1000 mL,浓度为0.1 mg/mL,分别吸取山梨酸钾标准溶液1.0 mL、2.0 mL、3.0 mL、4.0 mL、5 mL 于50 mL 容量瓶中,加入5% NaHCO3溶液2 mL,5%盐酸溶液2 mL,加水至刻度.在230 nm处测吸光度,以不含山梨酸钾的空白溶液作参比,测定吸光度.

1.2.6.2山梨酸钾在明胶膜中的释放速率

将膜剪成20 mm×20 mm大小,准确称量后浸在50 mL水中,在25℃恒温振荡,每隔一定时间吸取1 mL溶液, 置于25 mL容量瓶中,其余步骤同标准曲线制作,由回归方程计算溶液中的山梨酸钾含量.按下式计算累积释放率:Qt%=Mt/M0×100.Qt%为t时刻山梨酸钾的累积释放率,Mt为t时刻释放出的山梨酸钾量,M0为释放开始时膜中山梨酸钾含量.

1.2.7明胶-山梨酸钾抗菌膜的抑菌圈试验

将直径6 mm的滤纸片分别浸入明胶-山梨酸钾抗菌溶液中,取出晾干.制备牛肉膏蛋白胨琼脂培养基,将0.1 mL金黄色葡萄球菌悬液(108CFU/mL)均匀涂布于平板营养基上,再将滤纸片平铺在含菌培养基上,并置于37℃的培养箱中培养24小时,测量培养基中抑菌圈的直径.通过比较抑菌圈的大小来评价膜的抗菌活性的强弱.

2 结果与分析

2.1力学性能

山梨酸钾含量对明胶抗菌膜的拉伸强度和断裂伸长率的影响结果见图2和图3.随着山梨酸钾含量的增加,膜的拉伸强度逐渐增强,当山梨酸钾含量达12%时,拉伸强度为86.1 MPa,而空白明胶膜只有67.9 MPa.断裂伸长率的变化与拉伸强度相反,随着山梨酸钾含量的增加断裂伸长率逐渐降低,延展性下降.这可能因为山梨酸钾中的极性基团羟基和羧基与明胶中的氨基和羧基相互作用,形成物理交联,降低大分子链间的滑动能力.随着山梨酸钾含量增加,交联密度增加,膜的强度不断增大,伸长率降低.

图2 山梨酸钾含量对膜的拉伸强度的影响

图3 山梨酸钾含量对膜的断裂伸长率的影响

2.2水蒸气透过率

图 4 山梨酸钾含量对膜的水蒸气透过性能的影响

图4是山梨酸钾含量对膜的水蒸气透过性能的影响,随着山梨酸钾含量的升高,膜的水蒸气透过率逐渐下降,空白明胶膜的WVP为7.5×10-9g/(m·Pa·s),12%山梨酸钾含量明胶膜的WVP降到4.9×10-9g/(m·Pa·s),说明山梨酸钾与明胶之间的相互作用增加了膜的致密性,降低膜的溶胀能力,使水分子在膜中难以扩散,提高了阻隔性.这与采用交联剂增加明胶膜的交联度而降低膜的溶胀性结果一致[9].

2.3透光性能

包装材料的透明度很重要,它直接影响包装产品的外观.山梨酸钾含量对明胶抗菌膜透明度的影响见表1.山梨酸钾含量不超过6%的明胶抗菌膜与空白明胶膜的透光性能基本相似,透明性很好,但山梨酸钾含量增加至9%,明胶膜的不透明度逐渐增加,透光性变差,山梨酸钾含量越高,透明度越低.这是因为当山梨酸钾含量低时,能完全分散在明胶膜中,与明胶分子相互作用,膜的外观表现为均匀、一致、透明,但当山梨酸钾超过一定量,在膜中无法完全分散,过量的山梨酸钾会自相聚集,形成晶体,阻挡了光线的通过,从而导致了膜透明度下降.

表1 山梨酸钾含量对膜透明度的影响

2.4 山梨酸钾在明胶膜中的释放

图5是不同山梨酸钾含量的明胶膜在水中的释放曲线.由图可见,大部分山梨酸钾在初期快速释放,随后释放速率降低,并且山梨酸钾含量高的膜释放速率比含量低的膜要大,这是由于随着山梨酸钾含量增多,膜中含有未被完全分散的山梨酸钾也相应增多,这部分山梨酸钾在水中会以较快的速率释放,随着膜的溶胀,分散于明胶分子中的山梨酸钾才释放到水中.

图5 不同含量的山梨酸钾在膜中的释放曲线

2.5 抗菌性能

图6是不同山梨酸钾含量的明胶膜液对金黄色葡萄球菌的抑菌圈试验图.随着山梨酸钾含量的增加,膜液中山梨酸钾在琼脂中扩散的范围增加,因而抑菌圈也逐渐变大.空白膜不能抑菌,没有抑菌圈,3%山梨酸钾含量的明胶液的抑菌范围较小,12%山梨酸钾含量的明胶液的抑菌圈最大,说明明胶膜的抗菌性能随着山梨酸钾含量增加而增大,但在应用于食品包装时,应考虑剂量问题,不能添加过量.

3 结论

图6 不同山梨酸钾含量的明胶膜液对金黄色葡萄球菌的抑菌效果

明胶膜的性能受山梨酸钾添加量的影响.随着山梨酸钾含量的增加,明胶-山梨酸钾抗菌膜的拉伸性能和抗菌性能增强,断裂伸长率、水蒸气透过率和透明度降低,明胶膜的拉伸强度从不含山梨酸钾的67.9 MPa到含12%山梨酸钾的86.1 MPa,断裂伸长率则从12.6%降到6.1%,水蒸气透过率从7.5×10-9g/(m·Pa·s)降到4.9×10-9g/(m·Pa·s),不透明度下降明显,从0.91下降到5.30.山梨酸钾对明胶膜的影响主要是由于山梨酸钾上的极性基团羧基和羟基与明胶中氨基和羧基的相互作用,产生交联,增加膜的致密性,从而使膜的强度增加,透水性降低.山梨酸钾含量过高时,在膜中分散性较差,易自聚结晶,造成膜的透明性降低.明胶抗菌膜应用于食品包装时需进行综合考虑,选用合适的配方组成来满足不同食品的需求.

[1]Suppakul P,Miltz J,Sonneveld K,et al. Active packaging technologies with an emphasis on antimicrobial packaging and its applications[J].Journal Food Science,2003a, 68: 408—420.

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[3]陆扬.明胶微球的研究进展[J].明胶科学与技术,2006, 26(2): 57-68.

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[7]刘小杰,齐鲁,白立峰.改性明胶膜的制备及其力学性能探讨[J].天津工业大学学报,2006, 25(2): 19-21.

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Preparation and Characterization of Antibacterial Gelatin-Potassium Sorbate Film

WANG Hui, XUE Chang-feng, HUANG Zhao-hui, CAO Hui

(College of Food Science and Engineering, Qiongzhou University, Sanya Hainan， 572022, China)

Gelatin-potassium sorbate antibacterial films with different contents of potassium sorbate were fabricated by solution-casting method. The effects of potassium sorbate content were studied on mechanical properties, water vapor transmittance, transparency, potassium sorbate release ability and antibacterial properties of the films. The results show that the performance of the composite film is influenced by MMT content, the tensile strength of the films increases with the increase of potassium sorbate content, but elongation at break decreases. Water vapor transmittance and transparency reduce gradually with the increase of the potassium sorbate content. Potassium sorbate releases quickly from the film in water at early stage, but slowly at later stage. The release rate of the film is faster with high potassium sorbate content than with low content. The antibacterial performance of gelatin film to inhibit staphylococcus aureus increases with increasing content of potassium sorbate.

gelatin; potassium sorbate; release rate; antibacterial performance

2015-09-05

国家自然科学基金项目(51363018)

王卉(1968-),女,江苏泰州人,琼州学院理工学院教授,博士,研究方向为天然大分子和食品保鲜.

TS206

A

1008-6722(2015) 05-0046-04

10.13307/j.issn.1008-6722．2015．05．11