复配型对羟基苯甲酸酯类抗菌防霉包装膜

李 彦LI n 唐亚丽,2 -,2 卢立新,2 -,2 丘晓琳,2 -n,2 王 军,2 ,2

(1. 江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122；2. 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122)

低水分活度食品，是指水分活度(aw)<0.7的食品，如坚果、奶粉、饼干、花生酱等[1-2]。低aw可以控制食品中病原菌的生长，因此，低aw食品一般被认为微生物是安全的。但有研究[3-4]表明，微生物虽然在低aw环境中难以生长、繁殖，但可以在不同的贮藏条件下存活数月至数年，一旦条件适宜就会生长繁殖，比如在储存过程中受到外界条件(如温湿度的变化)的影响。低aw食品采用的包装材料一般为防潮玻璃纸、PVDC涂塑纸、K涂BOPP/PE、铝塑/PE等复合薄膜等，这些包装材料缺乏主动抗菌性能，当外界条件改变时，无法对内装物进行防护从而延长货架期，所以采用抗菌薄膜[5-7]对产品进行包装以免受到微生物的污染成为一种新的发展趋势。另外，抗菌包装可以降低甚至避免向食品中直接添加防腐剂，因此得到广泛的重视和研究[8-10]。

PE(聚乙烯)是塑料中产量最大、用途极广的热塑性塑料。由于PE具有安全、耐腐蚀以及良好的热封性能，所以无论是独立包装薄膜还是作为复合薄膜的内层材料，都得到了广泛的应用[11]。对羟基苯甲酸酯是安全、高效、广谱的食品防腐剂[12]。由于具有酚羟基结构，其抗细菌活性优于苯甲酸、山梨酸[13]。对羟基苯甲酸酯包括甲酯、乙酯、丙酯、丁酯等，其抑菌作用随着醇烃基碳原子数的增加而增加，且碳链愈长，毒性愈小，用量愈少[14]。生产过程中，通常是将几种酯混合使用，以达到协同抗菌作用。其中以对羟基苯甲酸甲酯和对羟基苯甲酸丙酯使用最多。对羟基苯甲酸酯类具有较高的热稳定性，所以与PE树脂挤出流延成膜时能够承受高温而不致热分解失效，具有较好的加工性能。

本试验通过将不同比例的对羟基苯甲酸甲酯(MPHB)与对羟基苯甲酸丙酯(PPHB)复配制成抗菌防霉低密度聚乙烯(LDPE)薄膜，研究复配后薄膜的抗菌防霉效果、机械性能及阻隔性能等。以期为低水分活度食品的内层包装抗菌材料的开发和应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

对羟基苯甲酸甲酯(MPHB)、对羟基苯甲酸丙酯(PPHB)：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；

低密度聚乙烯(LDPE)：LD100AC型，埃克森美孚公司；

NaCl、无水乙醇：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

乳糖胆盐发酵培养基、平板计数琼脂培养基、营养肉汤：国药集团化学试剂有限公司；

马铃薯葡萄糖琼脂培养基：青岛高科园海博生物技术有限公司；

大肠杆菌(ATCC25922)、金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)、桔青霉(ATCC1109)：上海鲁微科技有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

电子分析天平(200 g/0.1 mg)：AB204-N型，梅特勒-托利多仪器有限公司；

高速混合机：LMX5-VS型，Labtech Engineering Comp-any LTD；

双螺杆挤出机：LTE16-40型，Labtech Engineering Company LTD；

多层冷辊挤出机设备：LMCR-300型，Labtech Engineer-ing Company LTD；

千分台式薄膜测仪(精度 0.001 mm)：Q/ILBN2-2006CH-1-S型，上海六菱仪器厂；

万能电子材料试验机：LRX Plus型，英国LLOYD仪器公司；

水蒸气透过率测试系统：PERME W3/OGOWVTR型，Labtech Engineer-ing Company LTD；

透气性测试仪：BTY-B1型，Labtech Engineer-ing Company LTD；

立式压力蒸气灭菌器：LDZM型，上海申安医疗器械厂；

垂直层流洁净工作台：HCB-1300V型，青岛海尔特种电器有限公司；

生化培养箱：SHP-250型，上海精宏实验设备有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 LDPE抗菌防霉膜的制备 经前期试验证明抗菌防霉剂浓度越高效果越好，考虑到限量标准和经济成本，确定0.1%为最终浓度。分别称取一定量的MPHB、PPHB和LDPE树脂，按一定比例配料，经高速混合机(400 r/min)混匀30 min。将混合料添加到双螺杆挤出机的料斗中挤出，得到抗菌防霉剂含量为4%的MPHB和PPHB 2种母粒。经二次造粒，得到浓度为0.1%的5种母粒。将不同比例的母粒挤出流延成膜，并设置空白对照组。

双螺杆挤出造粒机温度设定：进料口165 ℃，中间段180 ℃，挤出头190 ℃。进料速度14 r/min，螺杆转速180 r/min，剪切速度8 m/min。挤出流延机由进料端到模头的四段温度依次为185，190，190，205 ℃，挤出模头两端温度205 ℃，中间温度200 ℃。螺杆转速39 r/min，流延冷却辊转速1.6 m/min，牵引辊转速2.1 m/min，卷取辊转速11 r/min。

1.2.2 抗菌防霉性能的测定

(1) 抗细菌性能的测定：参照QB/T 2591—2003，采用贴膜法测试所制备薄膜的抗菌性能。空白对照和抗菌塑料样品标准尺寸为(50±2) mm×(50±2) mm，覆盖膜标准尺寸为(40±2) mm×(40±2) mm。分别取制备好的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌悬液0.2 mL滴加在空白对照和抗菌塑料样品上，覆膜后置于(37±1) ℃、相对湿度>90%培养24 h，取出并用洗脱液分别洗涤样品膜和覆盖膜，充分摇匀后，取一定量接种于平板计数琼脂培养基中，在(37±1) ℃下培养24～48 h后，活菌计数，按GB/T 4789.2—2016的方法测定活菌数。每个样品做5个平行。抗细菌率按式(1)计算：

(1)

式中：

R——抗细菌率，%；

B——空白对照样品平均回收菌数，CFU/片；

C——抗菌塑料样品平均回收菌数，CFU/片。

样品抗菌性能判断标准为：当抗细菌率≥99%时，说明有强抗细菌作用，当抗细菌率≥90%时，说明有抗细菌作用。

(2) 抗霉菌性能的测定：按QB/T 2591—2003执行。样品尺寸在标准规定的方法上略作修改。将薄膜裁成30 mm×30 mm的正方形[15]，经75%的酒精消毒后，贴于接种桔青霉的马铃薯葡萄糖琼脂培养基的培养皿中，于28 ℃，相对湿度>90% 下培养28 d，观察样品长霉面积。样品长霉等级见表1。

1.2.3 机械性能测定 按GB/T 1040.3—2006执行。将抗菌防霉膜裁成15 mm×150 mm的矩形试样，按照GB/T 6672—2001测量试样厚度，用千分台式测厚仪测量薄膜的厚度，每个试样随机选取5个点进行测量，取平均值。用万能材料试验机测试拉伸强度，断裂伸长率，每个试样测量5次，取平均值。定速度300 mm/min，夹距100 mm。

拉伸强度按式(2)计算：

(2)

式中：

σM——拉伸强度，MPa；

F——试样所能承受的最大压力，N；

A——试样的截面面积，m2。

断裂伸长率按式(3)计算：

(3)

式中：

δ——断裂伸长率，%；

L1——试样断裂时试样夹之间的距离，mm；

L0——试样夹之间的初始夹距，mm。

1.2.4 阻隔性能的测定 食品包装材料的阻隔性能是衡量其性能优劣的重要指标，阻隔性能主要指材料对水蒸气及氧气的透过性能。水蒸气透过率是指在规定的温度、相对湿度、水蒸气压差和厚度下，1 m2的试样在24 h透过的水蒸气量，单位为g/(m2·d)。试验中使用W3/060型水蒸气透过率测试系统测试薄膜的水蒸气透过率，遵循GB/T 1037—1988的规定。

氧气透过系数指在恒定温度和单位压力差下，在稳定透过时，单位时间内透过塑料薄膜、铝箔、真空镀铝膜等材料单位厚度及面积的气体体积，单位为cm3·cm/(cm2·s·Pa)。薄膜的透氧系数按照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法》进行测量。应在GB/T 2918—1998中规定的(23±2) ℃下，将试祥放在干燥器中调节状态48 h以上。然后使用BTY-B1型透气性测试仪测量薄膜的透氧量及透氧系数，测试环境保持恒温(23 ℃)、恒湿(相对湿度50%)。

2 结果与分析

2.1 抗菌防霉性能

2.1.1 抗细菌性能 图1、2分别为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的平板活菌计数的菌落数直观图。由图1、2可知，与空白LDPE薄膜对比，添加MPHB和PPHB后菌落数明显减少，尤其当二者复配时，效果更佳。

表2、3分别为不同配方的LDPE抗菌防霉薄膜大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌落数和抗菌率。由表2可知，单独添加MPHB和PPHB的抗菌防霉膜对大肠杆菌的抗菌率分别为86.84%，91.78%，依据抗菌性能的判断标准，单独添加MPHB达不到抗菌效果，单独添加PPHB有较低的抗菌效果。当二者复配时，抗菌效果有明显的提高，当MPHB和PPHB质量比为2∶3时，抗菌效果达到了99.67%，可以判断具有较强的抗菌效果。由表3可知，单独添加MPHB和PPHB时，对金黄色葡萄球菌的抗菌率都<90%，基本上达不到抗菌作用。当两者复配时，都>90%，并且当MPHB和PPHB质量比为2∶3时，抗菌率达到99.59%，具有较强的抗菌作用。综合以上结果，可以判断当MPHB和PPHB复配时，具有协同抗菌作用，且MPHB和PPHB质量比2∶3时，具有较强的抗菌作用。可能是对羟基苯甲酸酯类的抗菌机理是通过破坏微生物的细胞膜，使细胞内的蛋白质变性，从而抑制菌落的生长，并且随着烷基碳链的增长，抗菌作用增强[16]。当把2种碳链长短不同的酯类复配时，可以同时作用于微生物细胞的几个靶点，抑制一些酶的功能，干扰膜功能，破坏膜电位，包括营养物质运输，同时也干扰蛋白质、RNA、DNA的合成，从而起到了协同抗菌作用。

Figure 1 Comparison of the number of colonies (Escherichiacoli) after 24 hours of incubation with different antibacterial and mouldproof membrane

Figure 2 Comparison of the number of colonies (Staphylococ-cusaureus) after 24 hours of incubation with different antibacterial and mouldproof LDPE membrane

表3不同配方的LDPE抗菌防霉膜抗金黄色葡萄球菌的抗菌率

Table 3 Antibacterial rate of different antibacterial and mouldproof LDPE membrane (Staphylococcusaureus) (n=5)

2.1.2 抗霉菌性能 复配型对羟基苯甲酸酯LDPE薄膜的防霉效果见图3，长霉等级见表4。依据表1，图3(a)两黑色方框内为空白LDPE薄膜样品的大致霉菌蔓延面积，很明显长霉面积超过了样品的10%，长霉等级二级，无防霉作用，加入MPHB和PPHB后，仅薄膜边缘有霉菌痕迹生长，面积明显小于样品的10%，长霉等级达到一级，有防霉作用。对羟基苯甲酸酯能够抑制桔青霉的生长可能是其分子首先在塑料内部扩散，然后溶解于塑料表面，分散到与薄膜表面接触的微生物细胞表面[17]，与细胞外膜进行接触并被吸附，通过细胞膜进入到原生质内，干扰霉菌细胞膜的通透性，阻碍细胞膜对氨基酸的吸收，抑制呼吸酶系的活性，从而起到防霉作用[18-19]。

2.2 机械性能

MPHB和PPHB的加入对LDPE抗菌防霉膜拉伸强度和断裂伸长率的影响见图4。由图4可知， LDPE抗菌防霉膜的拉伸强度和断裂伸长率没有大的波动，拉伸强度在(22.50±2.5) MPa，断裂伸长率在(575.0±5)%，复配对LDPE抗菌防霉膜没有太大的影响。空白PE膜的拉伸强度和断裂伸长率分别为24.13 MPa和579.75%，单纯加入MPHB和PPHB后，拉伸强度和断裂伸长率稍微有所下降。当加入二者的复配物时，拉伸强度和断裂伸长率都有所提升，当MPHB和PPHB质量比为2∶3时，抗菌防霉膜的拉伸强度和断裂伸长率分别达到了24.69 MPa和575.20%，优于空白PE膜的机械性能，可能是MPHB和PPHB分子含有主链芳环[20]，有助于增加材料的强度。当单纯加入MPHB和PPHB时，在加工过程中分子并不能在树脂中均匀分散，反而导致机械性能有所下降。而当加入两者的复配物时，由于引入的分子中同时含有芳环和长度不同的碳链，分子链段之间互相作用，使MPHB和PPHB在树脂中分散的更加均匀，芳环和碳链的作用得到了平衡，同时提高了薄膜的拉伸强度和断裂伸长率。且各配方薄膜的机械性能都符合QB/T 1125—2000 未拉伸聚乙烯、聚丙烯薄膜的使用要求。

Figure 4 Tensile strength and elongation at break of antibacterial and mouldproof LDPE membrane in different formulations

2.3 阻隔性能

由图5、6可知，加入对羟基苯甲酸酯类后，水蒸气透过率和透氧系数均有降低，即薄膜的阻隔性有一定的提高。空白PE薄膜的水蒸气透过率为3.57 g/(m2·d)，当加入MPHB和PPHB后，均有不同程度的降低，当MPHB和PPHB复配质量比为2∶3时，水蒸气透过率最低，为2.33 g/(m2·d)，相比空白PE薄膜阻湿性提高了34.73%。空白PE薄膜的透氧系数为25.94 ×10-15cm3·cm/(cm2·s·Pa)，加入MPHB和PPHB后，有明显的降低，当单独加入MPHB时最低[23.54×10-15cm3·cm/(cm2·s·Pa)]，相比空白膜阻氧性提高了9.25%。所以对羟基苯甲酸酯的加入在一定程度上提高了薄膜的阻隔性。可能是薄膜中引入了大分子链和基团，这些链在薄膜中相互缠绕、排列，阻碍了水和气体的扩散和渗透。

Figure 5 Water vapor transmission rate of antibacterial and mouldproof Low density polyethylenemembrane in different formulations

Figure 6 Oxygen transmission coefficient of antibacterial and mouldproof Low density polyethylenemembrane in different formulations

3 结论

对制备的复配型对羟基苯甲酸酯LDPE薄膜的抗菌防霉性能、机械性能及阻隔性能表征，发现单独加入MPHB和PPHB薄膜的抗菌效果并不理想，当两者复配后具有协同抗菌作用，并且质量比为2∶3时具有较强的抗菌效果，防霉等级达到一级。单独加入MPHB和PPHB时，薄膜的拉伸强度和断裂伸长率稍有降低，复配后拉伸强度有提高。相比于空白LDPE薄膜，复配型抗菌防霉薄膜阻隔性有了一定的提高。所以复配型LDPE薄膜在具有较强的抗菌防霉作用的同时，其他基本性能也有所提高，具有应用于低水分活度食品内层包装的潜力。目前还没有学者对MPHB和PPHB复配制成抗菌防霉薄膜进行相关研究，此项研究重点在于开发一种新型抗菌防霉薄膜并探究其应用，接下来将对其实际应用作进一步的研究。

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