涂布抑菌防霉包装纸及其性能研究

汪志强 杨福馨 陈晨伟

(上海海洋大学食品学院，上海 201306)

食品在生产、流通和储藏的过程中很容易受到细菌、霉菌等微生物的污染，导致食品营养价值下降，品质变差，甚至危害人们的健康[1]。因此，为了保证食品安全卫生，需要对食品进行合适的包装，以避免外来因素的侵害。

抑菌防霉功能是包装纸重要的研究课题，它影响着产品的保质期，目前这方面还缺乏研究。抑菌功能性包装纸通过缓慢释放具有抗菌防霉作用的成分，达到控制包装环境内微生物生长的目的。纸包装材料具有成本低廉、资源丰富、可回收再利用、易降解等特点，是前景广阔的绿色包装材料[2]。抑菌纸的制备方法主要有涂布法、浸渍/喷淋法、浆内添加法、抗菌纤维技术等[3]。其中，涂布法制备抑菌纸具有操作方法简便、生产成本低、均一性良好、便于控制用量、适合工业化生产等优点[4]。聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)是一种无毒无害无味的高分子聚合物，其分子链上有大量羟基，具有吸水性和生物可降解性[5]，并且对纤维素的粘着力强，成膜性好，在纸张表面涂布PVA可改善其光泽度、平滑度和其它的机械性能，同时使纸张具有热封性能。

本研究拟将常用的食品防腐剂与PVA结合，涂布于纸张表面制备得到抑菌防霉包装纸，可避免直接向食品中添加防腐剂，从根源上避免微生物污染食品。通过研究其抗菌性能、机械性能、阻隔性能和微观结构等，优化试验找到最佳的抑菌功能性包装纸，旨在为食品抗菌保鲜材料的研究与工业化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

牛皮纸：克重为80 g/m2，蚌埠天成包装科技股份有限公司；

聚乙烯醇(PVA)：聚合度1 799，上海精析化工科技有限公司；

山梨酸钾：食品级，宁波玉龙科技股份有限公司；

脱氢乙酸钠：食品级，上海崇明生化制品厂有限公司；

苯甲酸钠：食品级，滕州市腾龙化工有限责任公司；

甘油：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

大肠杆菌(Escherichiacoli，ATCC25922)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，CCTCC AB 91093)：农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(上海)；

LB营养琼脂、胰蛋白胨大豆肉汤(TSB)：青岛高科园海博生物技术有限公司。

1.1.2 仪器与设备

电子数显螺旋测微仪：L-0305型，0～25 mm，桂林广陆数字测控有限责任公司；

涂膜器：AZY-SERIES型，安卓源科技有限公司；

集热式恒温加热磁力搅拌器：DF-101S型，邦西仪器科技(上海)有限公司；

电子天平：SZ-A30002型，诸暨市超泽衡器设备有限公司；

电脑测控抗张实验机：DCP-KZ300型，四川成都名驰仪器有限责任公司；

鼓风干燥箱：DHG-9140A型，上海慧泰仪器制造有限公司；

纸板撕裂度仪：J-SLY16kA型，四川长江造纸仪器有限公司；

水蒸气透过率测试仪：PERMATRAN-W1/50型，美国膜康有限公司；

气体渗透测试仪：G2/132型，济南兰光机电技术有限公司；

扫描电子显微镜：S-3400N Ⅱ型，Hitachi(日立)公司；

超净工作台：Labconco型，美国Labconco公司；

恒温培养箱：MIR154型，日本三洋电机生物医药株式会社。

1.2 方法

1.2.1 PVA溶液的制备 准确称取6 kg聚乙烯醇颗粒，用蒸馏水洗净后置于恒温鼓风干燥箱中60 ℃干燥10 h，再将干燥后的聚乙烯醇颗粒倒入反应釜中，向反应釜中加入44 L蒸馏水，设置反应釜转速40 r/min，温度65 ℃，恒温溶胀2 h。加入2.5 kg甘油作增塑剂，在95 ℃恒温条件下连续搅拌4.5 h使聚乙烯醇颗粒完全融化，最后在-0.1 MPa下脱气30 min，即制得PVA溶液[6]。

1.2.2 聚乙烯醇抗菌液的制备 将山梨酸钾、脱氢乙酸钠、苯甲酸钠3种抗菌剂分别加入到适量上述制备的PVA溶液中，抗菌剂的质量分数分别为0%，3%，6%，9%，使用磁力搅拌器搅拌60 min进行混合均匀使之完全溶解，即制得聚乙烯醇抗菌液。

1.2.3 抑菌纸的制备 本试验采用表面涂布法进行制备。首先将牛皮纸裁切成30 cm×20 cm大小，用移液器吸取15 mL配制好的聚乙烯醇抗菌液于牛皮纸上，再用涂膜器在常温下涂布30 s使之均匀分布，涂布方向均为横向与纵向交替进行且涂布次数相同，然后在60 ℃的烘箱中干燥30 min，即制得抑菌纸。

1.2.4 厚度测量 使用电子数显螺旋测微仪在抑菌纸上选取8个点测量，结果取平均值。测得的厚度用于抗拉强度、水蒸气透过系数、氧气透过量的测试。

1.2.5 抗菌性能测定 采用抑菌圈法。该试验在超净工作台的无菌条件下进行，先用打孔器将抑菌纸打孔得到直径为6 mm的圆片并进行2 h紫外灭菌，再分别吸取1 mL 浓度为105CFU/mL的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌滴在对应的培养基上，用无菌玻璃涂布器涂布均匀，静置10 min使菌液扩散完全[7]。用灭菌后的镊子将圆片样品贴于培养皿的中心位置，37 ℃培养箱中倒置培养24 h，观察菌体生长情况并测量抑菌圈直径(包括样品直径)。未添加抗菌剂的样品做对照，每个样品5个平行，取平均值。

1.2.6 抗菌剂的选择 将3种聚乙烯醇抗菌液分别涂布于牛皮纸上制得3种抑菌纸，采用抑菌圈法检验3种抑菌纸对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效果，选择抑菌圈最大的抑菌纸做机械性能、阻隔性能、微观结构的研究。

1.2.7 抗拉强度测定 参考ASTM D1003-61的方法，并做调整，具体步骤：首先将抑菌纸裁切成宽为15 mm的长条状，设置夹距50 mm，环境相对湿度50%，温度25 ℃，拉伸速率100 mm/min，使用电脑测控抗张实验机进行测试，每个样品测试6次，取平均值。按式(1)计算抗拉强度。

(1)

式中：

Ts——抗拉强度，MPa；

F——试样断裂是所承受的最大张力，N；

S——试样的横截面积，m2。

1.2.8 撕裂度测定 试验前先对仪器进行调试，按照GB/T 450—2008《纸和纸板样品的采取》规定采取并处理试样，尺寸为63 mm×50 mm，长边分别为纸纤维的横向和纵向。测定的方法为：先将扇形摆体置于待撕位置，指针靠住指针调节板；采用标准试样层数(4层)，试样短边平放并夹持在2组夹纸器钳口内；按下切刀，对试样切口，切口长度20 mm；按下测试按键，令摆做1次全程摆动，扇形摆体回程时，用手顺摆动方向轻握扇形摆体，并放回待撕位置；读取指针示值，每种样品测5次取平均值。按式(2)计算撕裂度值。

(2)

式中：

Ft——被测试样撕裂度值，mN；

n——被测试样的层数；

S——标尺读数，mN。

1.2.9 水蒸气透过系数测试 参考魏丽娟等[8]的方法，使用水蒸气透过率测试仪对抑菌纸进行测试。试验条件为：温度37.8 ℃，湿面相对湿度100%，干面相对湿度10%，每种样品测试5次(每次测试的误差要求<5%)，结果取平均值。按式(3)计算水蒸气透过系数。

(3)

式中：

WVP——水蒸气透过系数，g/(m·s·Pa)；

WVTR——仪器测得的水蒸气透过值，g/(m2·d)；

d——纸的厚度，mm；

ΔP——测试压力0.2 MPa。

1.2.10 氧气透过量测试 按照GB/T 1038—2000的方法，用气体渗透测试仪测定抑菌纸的氧气透过量。试验温度25 ℃，相对湿度65%，每个样品测5次，结果取平均值[9]。

1.2.11 微观结构分析 用来表征抑菌纸的微观结构。首先将抑菌纸样品裁切成10 mm×6 mm大小，垂直粘贴在样品盘上，再用离子溅射仪抽真空，并在20 mA电流下喷金处理30 s，然后用加速电压3.4 kV的扫描电子显微镜放大600倍观察样品横切面的微观结构并拍照[10]。

1.3 数据处理

各项试验结果采用SPSS Statistics 22.0进行数据统计分析，运用方差分析法(ANOVA)进行显著性检验，显著差异水平取P<0.05。

2 结果与分析

2.1 抗菌剂种类对抑菌纸抗菌性能的影响

抑菌圈法是根据抑菌样品在琼脂培养皿中抑制细菌生长形成的透明圈大小来定性测定抑菌效果的方法[11]。抑菌圈越大，则抑菌能力越强；反之，抑菌圈小，则抑菌能力越弱。试验中使用的大肠杆菌是革兰氏阴性菌的代表，金黄色葡萄球菌是革兰氏阳性菌的代表[12]。表1为分别加入质量分数为6%的抗菌剂制备的抑菌纸的抑菌效果。由表1可知，添加相同浓度的3种食品防腐剂，使用脱氢乙酸钠制备的抑菌纸的抑菌圈直径最大，即在该试验中的抑菌效果最好。因此选择脱氢乙酸钠抑菌纸进行性能测定。

表1相同浓度下不同抗菌剂的抑菌效果†
Table 1Antibacterial effects of different antibacterial agents at the same concentration

mm

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2.2 抑菌纸的抗拉强度

纸张的抗拉强度反映的是纸张抵抗破坏(断裂)的能力，是纸张机械性能的一项指标。表2为牛皮纸和不同浓度抑菌纸的抗拉强度。由表2可知，抑菌纸的厚度比原牛皮纸增加了约0.02 mm，为一层抗菌PVA膜。纸张纵向的抗拉强度均大于横向，由于纸纤维是纵向排列的，试验中测试纸张的纵向抗拉强度需要拉断纤维，而测试横向抗拉强度主要是破坏纤维与纤维之间的联结力，因此纵向抗拉强度大于横向抗拉强度。使用抗菌液对牛皮纸涂布处理之后得到的抑菌纸的抗拉强度较原纸有明显提高，是因为抑菌纸表面有一层PVA膜，聚乙烯醇分子间作用力与聚乙烯醇与纸纤维作用力以及纸纤维间作用力之和要大于单一的纸纤维间作用力。添加不同质量分数的抗菌剂对抗拉强度无明显影响。

表2 抑菌纸的抗拉强度†Table 2 Tensile strength of antibacterial paper

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2.3 抑菌纸的撕裂强度

撕裂强度是衡量包装材料耐撕裂性能的一项指标，其值越大越能抵抗外力的撕裂作用。表3为牛皮纸和不同浓度抑菌纸的撕裂强度。由表3可知，纸张横向的抗拉强度均大于纵向，同样是由于纸纤维排列方向的原因，测定横向的撕裂强度需要撕断纤维，而测定纵向撕裂强度只需要破坏纤维之间的联结力。涂布抗菌PVA溶液得到的抑菌纸的撕裂强度同样有所提高；添加不同质量分数抗菌剂的抑菌纸的撕裂强度差异不显著，即对撕裂强度无明显影响。

表3 抑菌纸的撕裂强度†Table 3 Tear strength of antibacterial paper

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2.4 抑菌纸的水蒸气透过系数和氧气透过量

微生物的生长繁殖需要水分和氧气，因此包装材料的阻隔性很大程度影响着包装效果。牛皮纸本身为非匀质材料，且其纤维网络是多孔结构，水蒸气和氧气可从纸张的孔隙穿过，使测试仪器无法测得水蒸气透过系数和氧气透过量。表4为添加不同质量分数抗氧菌剂的抑菌纸的水蒸气透过系数和氧气透过量。由表4可知，在牛皮纸表面涂布抗菌PVA后，阻隔性显著增强，是由于纸表面的PVA膜具有良好的气体阻隔性能。当添加的抗菌剂的质量分数增大时，水蒸气透过系数和氧气透过量有所降低，即阻隔性有所增强，可能是抗菌剂填充到PVA膜孔隙中使得抑菌纸更加紧密，从而阻隔性更好。

表4抑菌纸的水蒸气透过系数和氧气透过量†
Table 4Water vapor permeation coefficient and oxygen permeation of antibacterial paper

抗菌剂添加量/%水蒸气透过系数/(×10-8g·m-1·s-1·MPa-1)氧气透过量/(cm3·m-2·d-1·MPa-1)03.3864±0.0837a9794.4920±118.5631a33.1380±0.0846b9224.7432±101.0690b62.9840±0.0744c9059.9465±91.4669c92.8676±0.0672d8897.5903±93.1111d

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2.5 抑菌纸的微观结构

图1为添加不同质量分数抗菌剂的抑菌纸微观结构图。在600倍扫描电镜下可以观察到抑菌纸的表面覆盖一层均匀的胶状聚合物，而其内部结构无明显变化。添加的抗菌剂与聚乙烯醇溶液相溶性强，能均匀分布。胶状聚合物是PVA抗菌液烘干后的抗菌PVA膜，使得牛皮纸的阻隔性能显著增强。

2.6 添加不同浓度抗菌剂的抑菌纸抗菌性能

表5为添加不同质量分数抗菌剂的抑菌纸的抑菌效果。由表5可知，未添加抗菌剂的试验组未出现抑菌圈，抗菌剂浓度越高的试验组抑菌圈越大，抑菌效果越好。脱氢乙酸钠抑菌纸对金黄色葡萄球菌的抑制能力相对于大肠杆菌更强，与潘晓倩等[13]和邱艳娜等[14]的研究一致。

图1 牛皮纸和不同质量分数抑菌纸的微观结构图Figure 1 Microstructure of kraft paper and different mass fraction of antibacterial paper (×600)

表5 添加不同质量分数抗菌剂的抑菌效果†Table 5 Antibacterial effect of adding different mass fraction antibacterial agents

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

3 结论

(1)将牛皮纸涂布抗菌PVA溶液处理后得到的抑菌纸进行抗菌性能、机械性能、阻隔性能、微观结构表征的研究结果表明：抑菌纸相较于原牛皮纸，其抗拉强度和撕裂强度都有着一定程度的提高，对水蒸气和氧气的阻隔性显著增强。扫描电镜的结果显示抗菌PVA膜在纸的表面均匀覆盖，说明具有抗菌均一性。

(2)将分别添加3种抗菌剂得到的抑菌纸进行抑菌圈试验，脱氢乙酸钠抑菌纸的抑菌圈最大，抑菌效果最佳。添加抗菌剂的质量分数越高，抑菌效果越好。相同浓度的脱氢乙酸钠抑菌纸对金黄色葡萄球菌的抑菌效果优于大肠杆菌。

(3)本研究将PVA和食品防腐剂结合起来应用于普通牛皮纸制备出新型抑菌防霉包装纸，兼具安全性、环保易降解、抑菌防霉功能以及良好的机械性能和阻隔性能，可作为食品包装材料。但本试验尚有遗留的问题，后续将从以下方面进行研究：研究不同聚合度的PVA对抑菌防霉包装纸性能的影响；研究食品防腐剂复配作用对包装纸抑菌防霉功能的影响。