明胶基抗菌膜的制备及性质研究

李志明，周成琳，钟 蕊，刘海洋，宋雪健

（黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆 163319）

0 引言

塑料制品在食品包装领域中的广泛使用，不仅污染环境，还会危及人类及动物的生存，由于食品腐败变质是由微生物所导致，因此研究开发可降解、无毒、抗菌的包装材料极为重要。目前，对可降解包装膜基材的研究可以分为多糖、蛋白质、脂类等，而蛋白质基膜与其他成膜基材相比，具有机械特性和较好的阻气性，可以防止食品的脂肪氧化及挥发性成分挥发[1]。作为天然生物高分子材料之一的明胶，也是一种蛋白质，其主要组成为氨基酸组成相同而分子量分布很宽的多肽分子混合物，具有良好的生物相容性，并且在自然环境下可降解，是一种理想的成膜基材[2]。

天然生物抗菌剂纳他霉素具有无毒、无害、高效的特点，能有效抑制霉菌、真菌的滋生，被广泛应用于食品保鲜当中。王君等人[3]采用2%壳聚糖，1%甘油，0.3%CaCl2和0.01%纳他霉素制备的壳聚糖抗菌膜具有良好的性能。纳米氧化镁价格低廉，能有效抑制金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌等细菌，并且对人体没有毒副作用，被作为食品的防腐剂、调理剂[4]。目前，对抗菌膜的研究多数集中在对细菌或者真菌的单一种类方面，而试验采用明胶作为成膜基材、纳他霉素作为真菌抗菌剂、纳米氧化镁作为细菌抗菌剂制备明胶基抗菌膜，使其具备抑制细菌及真菌的特性，旨在拓宽抗菌膜的研究种类，为食品包装领域的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与设备

明胶、卡拉胶（生化级），上海源叶生物科技有限公司提供；羧甲基纤维素钠（分析纯），天津市大茂化学试剂厂提供；无水氯化钙（分析纯），天津市恒兴化学试剂制造有限公司提供；丙三醇（分析纯），天津市光复精细化工研究所提供；马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）、LB肉汤，青岛高科技工业园海博生物技术有限公司提供；纳他霉素（生化级），南京森贝伽生物科技有限公司提供；纳米氧化镁（50 nm），阿拉丁化学试剂有限公司提供。

HWS24型电热恒温水浴锅，上海一恒科学仪器有限公司产品；JJ-1型精密定时电动搅拌器，江苏金坛市荣华仪器厂产品；DGG-9140B型电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器厂产品；TU-1810型紫外可见分光光度计，北京普板通用有限责任公司产品；XLW型智能电子拉力试验机、TSY-T1H型透湿性测试仪，济南兰光机电技术有限公司产品；FMJ-450型双面加热塑料封口机，杭州佑天元包装机械制造有限公司产品；DMN型光泽度仪，天津市其立科技有限公司产品；WGT-S型透光率/雾度测定仪，上海仪电物理光学仪器有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 抗菌膜的制备

试验选取0.97%（质量比，下同）明胶作为成膜基材，0.24%卡拉胶作为增弹剂，0.73%甘油作为增塑剂，0.24%羧甲基纤维素钠作为增稠剂，0.24%无水氯化钙作为交联剂，0.24%纳米氧化镁作为细菌抑制剂，0.02%纳他霉素作为真菌抑制剂，在100℃条件下将上述试剂分别溶于200 mL蒸馏水中，待其全部溶解后，将成膜液倾倒于20 cm×20 cm的玻璃板上，冷却，并在40℃条件下干燥8 h，揭膜，待用。未加抗菌剂的膜作为对照组。

1.2.2 抗菌性能的研究

（1）菌种的活化。试验以真菌界酵母菌、细菌界沙门氏菌作为研究对象，将菌种分别接种于PDA马铃薯培养基和LB肉汤培养基中，并于28℃和37℃下培养3代。

（2）抗菌性的测定。将活化好的菌种采用梯度稀释的方式分别将酵母菌、沙门氏菌稀释到102CFU/g和106CFU/g。吸取1 mL酵母菌菌液于PDA培养基上，用涂布器涂膜均匀，将抗菌膜裁剪成6 mm的圆圈，置于平皿中央，于28℃条件下培养48 h，并用游标卡尺对抑菌圈进行测定。吸取1 mL沙门氏菌菌液与装有LB肉汤培养基的锥形瓶中，将抗菌膜裁剪成6 cm×6 cm的正方形，剪碎，将锥形瓶置于37℃条件下进行培养，分别在0，2，4，6，8，10，12 h取样，于波长600 nm处测定吸光度，并通过吸光度表示菌落总数[5]。

1.2.3 膜厚度的测试

采取5点测试法，采用螺旋测微器对膜的厚度进行测试（精度为0.01 mm）。

1.2.4 机械性能的测试

参考薄塑和薄片的拉伸性能测试标准方法（GB/T 1040.3—2006）对膜的机械性能进行测试，稍作改动，膜的有效测试长度为8 cm，宽度为2 cm，牵引速度为25 mm/min。测3次取均值。

1.2.5 热风强度的测试

参考塑料薄膜包装袋热合强度试验方法（QB/T 2358—1998），略作改动，设置有效测试长度为8 cm，宽为2cm，并将其中的一端用封口机封合，牵引速率为50 mm/min。测3次取均值。

1.2.6 透湿量的测试

参考包装材料试验方法、透湿率（GB/T 16928—1997）的标准方法，对膜的透湿量进行测定，测3次取均值。

1.2.7 透光率及雾度的测试

参考透明塑料透光率和雾度的测试方法（GB/T 2410-80—2008），对膜的透光率及雾度进行测试，测3次取均值。

1.2.8 光泽度的测试

参考纸和纸板镜面光泽度的测定的测试方法GB/T 8941—2007，专用型探头为75°，测3次取均值。

2 结果与分析

2.1 抗菌膜的抗菌效果分析

明胶基膜对酵母菌的抗菌效果见图1，明胶基膜对沙门氏菌的抗菌效果见图2。

图1 明胶基膜对酵母菌的抗菌效果

图2 明胶基膜对沙门氏菌的抗菌效果

研究发现，抗菌膜能有效抑制酵母菌的滋生，其抑菌直径为31±0.76 mm，如图1所示。抗菌膜对沙门氏菌的滋生有一定的抑制作用，随着时间的延长，虽然菌落数在不断增大，但抗菌膜组要明显优于对照组，如图2所示。试验制备的明胶基抗菌膜与王赢[6]采用壳聚糖和0.075%的纳他霉素制备的抗菌膜对酵母菌的抑制效果较为接近。与李化嵘[7]采用纳米氧化镁对沙门氏菌进行抗菌效果研究取得的结果相一致。

2.2 明胶基膜物理指标分析

膜的测试指标见表1。

表1 膜的测试指标

研究发现，随着抗菌剂的加入，其膜的厚度增大。由于纳米氧化镁及纳他霉素抗菌剂粒子的存在，导致成膜基材分子之间的作用力降低，易于发生形变，故明胶基抗菌膜的抗拉强度低于明胶基膜，断裂伸长率高于明胶基膜，同时热封强度也有所下降。明胶基抗菌膜的透湿量为453.77±25.24 g/m2·d，明胶基膜的透湿量为426.72±20.6 g/m2·d，是由于抗菌剂粒子的存在增大了成膜基材分子间的“空隙”，提高了水分的透过量。由于纳米氧化镁及纳他霉素均为白色粉末状固体，导致制备的明胶基抗菌膜呈现白色，而明胶基膜接近为无色，故明胶基抗菌膜的透光率低于明胶基膜，且雾度较大。同时由于抗菌剂粒子分散与明胶基膜的表面及内部，导致其光泽度为9.8±0.1 Gs，明显低于明胶基膜。李海朝等人[8]采用明胶及不同浓度的纳米微晶纤维素制备的复合膜，其抗拉强度为2.3～14.8 MPa，断裂伸长率为55%～13%，试验制备的抗菌膜的抗拉强度与断裂伸长率参数在上述范围内。与王卉等人[9]采用5% （W/V）明胶、3%甘油（W/W明胶）、0.4%戊二醛（W/W明胶）及山梨酸钾制备的抗菌膜在透光性及雾度指标研究中，取得的结果相一致，即随着抗菌剂的添加，膜的透光性被弱化，雾度增大。

3 结论

采用0.97%明胶，0.24%卡拉胶，0.73%甘油，0.24%羧甲基纤维素钠，0.24%无水氯化钙，0.24%纳米氧化镁，0.02%纳他霉素，制备的明胶基抗菌膜，对酵母菌的抑菌直径为31±0.76 mm，同时还能有效抑制沙门氏菌的滋生，由于抗菌剂的加入，改变明胶基膜的机械性能、光学性能及阻隔性能。试验更好地应用于食品包装领域的研究提供了理论参考。