基于肉桂醛- 丁香油的壳聚糖/ 聚乳酸抗菌膜的应用研究

欧阳锐 ， 张莺营 ， 王骏杰 ， 林渊智，b ， 陈文韬，b ， 施源德

( 福建技术师范学院 a. 海洋与生化工程学院;b. 食品软塑包装技术福建省高校工程研究中心;c. 现代设施农业福建省高校工程研究中心, 福建福清 350300)

当前, 为减少不可降解材料给生态环境造成危害, 各国正采取各种措施以减少 “白色污染”. 2008 年我国开始实行 “限塑令”, 2019年韩国全面禁止大型超市使用一次性塑料袋, 2019 年3 月欧盟议会通过 “禁塑令”, 禁止使用10 类塑料制品等. 特别是在疫情背景下, 人民对日常生活中抗菌保洁材料需求日益增加,抗菌包装材料成为当前食药领域贮藏材料的研究热点[1]. 食品包装抗菌薄膜[2]( 抗菌膜), 主要是将抗菌剂、抗氧化剂等添加到薄膜基材中,利用流涎、共挤等成膜技术, 制备得到具有抑菌、缓释和气体调节等功能的薄膜, 其中含有天然抗菌剂的抗菌膜因具有安全、无污染、工艺简便等特点而备受重视, 但是其也存在稳定性差、加工性能弱等突出问题[3]. 因此, 天然抗菌膜的稳定性和组分体系的构建是当前天然抗菌膜研究的热点和难点[4].

在膜基材方面, 壳聚糖 (chitosan, CS) 是甲壳素N-脱乙酰基的产物,是一种无毒、可降解、生物相容性良好、成膜性非常好且具有广谱抑菌性的天然高分子[3]. 聚乳酸 (polylactic acid, PLA) 别名聚丙交酯, 是以乳酸为原材料得到的聚合物, 来源广泛,PLA 是有优良抑菌及抗霉特性的生物可降解材料, 被认为是替代石油系材料理想绿色高分子材料[5]. 在抗菌剂选择方面, 当前食药同源的天然精油及其提取物特别引人关注, 其中肉桂醛 (Cinnamaldehyde,CIN),化学名称3- 苯基丙烯醛, 是肉桂精油中的主要成分, 具有优秀的抗菌、抗氧化、抗病毒等功能, 是当前抗菌剂研究的热点[6].Doyled 等[7]对肉桂醛及其衍生物的抗菌活性及其作用机理进行研究, 提出了肉桂醛通过影响微生物的丝状温度敏感蛋白 (FtsZ) 作用、细胞膜形成、群体感应活性和细胞膜结构和形态的完整性等机理达到抗菌和抗氧化功能. 另外, 丁香油 (clove oil,CLO) 是植物桃金娘科的提取物, 也是一种常用的抑菌剂[8], 能有效减少肉制品中病原微生物、腐败菌种的滋生, 可用于肉类贮存与保鲜.Requena 等[9]分析了牛至和丁香精油中的主要化合物香芹酚 (CA) 和丁香酚(EU) 负载在聚(3- 羟基丁酸酯-co-3- 羟基戊酸酯) 膜(PHBV) 中分别在奶酪、鸡胸肉等食品基质中的抗菌作用, 通过体外模拟测试发现负载精油的抗菌膜对大肠杆菌和无毒李斯特氏菌有抑制效果, 并且得到CA 和EU 在不同食品基质中具有不同抗菌效果. 目前, 肉桂醛、丁香油都是GB 2760-2014 规定的可用食品添加剂, 两者在抗菌材料方面已有一些理论研究, 但主要集中于天然抗菌剂的选择和应用开发方面[10],而复合抗菌剂的协同作用以及抗菌膜缓控体系的构建研究仍处于发展阶段.

因此, 文章使用丁香油、肉桂醛为抗菌剂,以壳聚糖、聚乳酸为基底膜材料, 使用流涎法制备复合抗菌保鲜膜, 研究抗菌剂配比与膜机械性能、抗菌性能的关系, 并将其运用到鸡胸肉保鲜应用, 为可降解抗菌包装材料的应用研究提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜鸡胸肉：福清市售; 肉桂醛：分析纯,上海展云化工; 聚乳酸(4060D)：东莞兴旺塑胶原料; 壳聚糖( 脱乙酰度80.0%-95.0%)：生物试剂, 国药试剂; 丁香油：食品级, 福建中益制药; 吐温-80：分析纯, 上海麦克林; 甘油：食品级, 国药试剂.

1.2 主要仪器与设备

自动凯氏定氮仪：K9840 型, 济南海能仪器; 紫外可见分光光度计：752 型, 上海棱光;真空干燥箱：DZF-6050, 上海一恒科学仪器;台式高速离心机：TG16-WS, 湖南湘仪实验室仪器; 酸度计：PHS-25 型, 上海仪电科学仪器.

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程

鸡胸肉预处理→取肉→切片→保鲜膜真空包装→-4℃冷藏→抗菌膜和样品测试.

1.3.2 试样制备

1.3.2.1 乳液溶液的制备

将10 g 的PLA (4060D) 颗粒 ( 分子量10 万) 置于500 mL 烧杯之中, 加入100 mL 无水乙醇,于70 ℃ 恒温水浴锅中高速搅拌, 得PLA 乳浊液, 待用; 分别准确称取一定量CIN 和CLO,加入吐温-80 (CIN 和CLO 总体积的15%) , 加入适量无水乙醇, 在常温下搅拌混匀, 分别得CIN 和CLO 微乳液, 置于密封瓶中待用.

1.3.2.2 CS/PLA 膜的制备

取6 g CS ( 脱乙酰度80 % - 95 %) 于500 mL 烧杯中, 加入194 g 新制2 % 乙酸作为溶剂,于70 ℃恒温水浴锅中搅拌6 h, 至完全溶解后取一定量的CS 溶液与PLA 溶液(4：1) 共混, 加入0.5 mL 甘油, 搅拌至混匀, 静置6 h 后倒入模具中, 在60 ℃下的恒温干燥箱干燥成膜10 h,得到CS/PLA 膜.

1.3.2.3 添加抗菌剂CS/PLA 复合膜的制备

将97 mL CS 溶 液 与PLA 溶 液 (4：1) 共混, 然 后 取CIN 和CLO 共3 mL 按 不 同 配 比 (1：1;2：1;1：2) 混合成膜液, 加入0.5 mL 甘油, 搅拌至混匀, 静置6 h 后倒在模具中, 在60 ℃下的恒温干燥箱干燥成膜10 h, 获得CIN-CLOCS/PLA 复合膜.

1.3.3 试验分组

1 实 验组 ( 复合膜组)： 鸡胸肉 + CINCLO-CS/PLA 复 合膜;2 实验 组 (CS/PLA 组)：鸡胸肉 + CS/PLA 膜;3 对照组：鸡胸肉.

1.3.4 分析方法

1.3.4.1 膜的厚度测定

根据GB/T 6672-2001《塑料薄膜与薄片厚度的测定机械测量法》, 用薄膜测厚仪测试膜的厚度, 记录数据取三次测试平均值作为膜的厚度.

1.3.4.2 机械性能测试

根据GB/T 1040.1-2018《塑料拉伸性能的测定》, 用电子拉力测试机测试抗拉强度和断裂伸长率, 读取三次测试数据取其平均值.

1.3.4.3 膜的摩擦力测定

根据GB 10006-1988《塑料- 薄膜和薄片-摩擦系数的测定》, 用薄膜摩擦力测定仪测试膜的静摩擦力与动摩擦力. 测三次取平均值,记录数据结果并分析.

1.3.4.4 挥发性盐基氮(TVB-N 值) 的测定

根据GB 5009.228-2016 中《食品中挥发性盐基氮》的自动凯氏定氮仪法测定TVB-N值, 测三次取平均值, 记录数据结果并分析.

1.3.4.5 感官指标的评定

参 考GB 2707-2016《 鲜( 冻) 畜、 禽 产品》进行鸡胸肉的感官评分指标设计, 分别按表1 中指标进行打分, 各指标的感官评定分值在0-10 之间：10 分代表最佳品质,0 分代表最差品质.

表1 鸡胸肉新鲜度感官评分项目及标准

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析结果

添加CIN和CLO后,3 278.14 cm-1处的O-H伸缩振动吸收峰和N-H 伸缩振动峰向高波数移动( 图1), 这是由于CIN 的羟基与CS 氨基形成了氢键所致, 在2 830 -2 930 cm-1处C-H 的伸展振动峰强度明显增强, 这是由于负载抗菌剂后C-H 含量增加所引起的[11]. 另外, 1 730 -1 770 cm-1处对应的C=O 伸缩振动峰, 这是CLO 中含有少量左旋丁香酮和胡丁香酮等酮类化合物的特征吸收峰, 还有在1 020 -1 070 cm-1处C-O 伸缩振动吸收峰增强并红移, 可能与PLA 中醇羟基和CLO 的羟基相互作用而增强有关[12]. 由此, 可知CIN 和CLO 与基底膜材料通过一定的交联反应结合在一起.

图1 CS/PLA 和CIN-CLO-CS/PLA 膜的FTIR 谱图

2.2 厚度测定结果

相对未添加抗菌剂的CS/PLA 膜, 不同添加CIN 和CLO 配比的复合膜厚度变化不大,但是都有所增加,其中配比为2：1＞1：2＞1：1(图2). 这可能是CIN 中的醛基与膜基材中的羟基、CLO 中的醇羟基与膜基材中羧基等基团作用,影响了膜内大分子链的连接从而导致膜的结构更加松散, 使得膜的厚度增加[13].

图2 添加抗菌剂对复合膜厚度的影响

2.3 摩擦系数测定结果

抗菌剂加入都增加了复合膜的摩擦系数,而且不同配比中的摩擦系数增量相差不大( 图3), 这可能由于抗菌剂的添加均匀在膜以及膜表面分布, 并且CIN 和CLO 中部分官能团与膜基材官能团相关作用, 从而影响了膜的结构和形态, 因此增加了薄膜的表面粗糙度[14], 同时由于加入抗菌剂的量比较少, 因此对膜摩擦系数的影响差异不大.

图3 添加抗菌剂对复合膜摩擦系数的影响

2.4 力学性能的测定结果

添加抗菌剂的复合膜的拉伸强度均高于纯CS /PLA 膜, 而断裂伸长率相反( 图4). 抗拉强度和断裂伸长率通常与膜网络微观结构和分子间力有关[15], 因此, 这可能是CIN 以及CLO 中部分成分的亲水基与CS 中的亲水基作用, 增加了基底膜的应力, 导致了抗拉强度增加, 从而使得复合膜拉伸性能升高, 不易断裂, 同时CIN 的醛基能与基底膜中CS 和PLA 的羟基产生交联作用, 减少了聚合物分子的运动性, 从而导致了负载了抗菌剂的复合膜层呈现网状内部, 导致了膜的柔性下降、断裂伸长率减小[16].抗菌复合膜在实际应用中需要具备一定的力学性能才能满足包装用膜的基本要求, 又要兼顾一定的强度和韧性[17], 因此可选择CIN：CLO 为1：1 制备抗菌膜, 从而使得膜的抗拉强度和断裂伸长率达到柔性指标和加工性能的需求.

图4 添加抗菌剂对复合膜拉伸强度和断裂伸长率的影响

2.5 鸡胸肉TVB-N 值的变化

随着储藏天数增加, 三组实验组的TVB-N含量明显低于对照组, 鸡胸肉的货架期得到了延长( 图5 ). 在保藏第5 天, 对照组的TVB-N含量已达0.144 38 mg/g, 已经超过一级鲜度的TVB-N 值 (0.15 mg/g), 而 三 组 实 验 组TVB-N值全部小于0.10 mg/g. 在保藏第7 天, 对照组TVB-N 值为0.207 76 mg/g 超过的二级鲜度的TVB-N 值 (0.20 mg/g), 即为变质肉, 而三组实验组中最高TVB-N 值为0.160 35 mg/g 刚超过一级新鲜度, 可见抗菌剂添加到膜中能有效减少鸡胸肉的TVB-N 产生, 这说明了CIN 和CLO 在膜中能释放到包裹的鸡胸肉上从而有效抑制细菌繁殖, 降低TVB-N 的产生, 而三个实验组的TVB-N 值都显现先平稳后较快上升后,这可能与不同种类的微生物的腐败机理有关以及抗菌剂从膜中到食品上具有一定缓释时间有关. 从实验可知, 鸡胸肉在-4 ℃冷藏下实验组的贮藏保鲜期比对照组延长了2—3 天 .

图5 不同实验组对鸡胸肉TVB-N 含量的影响

2.6 感官评价

随着贮藏时间的增加, 鸡胸肉的总体感官评分曲线均呈现下降趋势, 特别是对照组曲线下降明显, 而实验组曲线下降趋势较为缓和( 图6), 这趋势变化可能主要是微生物生长和脂质氧化受到CIN 和CLO 的抑制作用所致. 在三个实验组中可知,CIN和CLO在配比为1：1和2：1时的抗菌效果比1：2 时候好, 这可能是与两者抗菌主要成分CIN 和CLO 具有协同抗菌效果,且CIN 的抗菌效率更高有关, 这与TVB-N 实验测试结果相符合.

图6 不同实验组对鸡胸肉的感官评价

3 结论

文章以壳聚糖和聚乳酸为膜基底材料, 添加天然抗菌物质肉桂醛和丁香油, 研究二者的配比对壳聚糖/ 聚乳酸复合膜的机械性能、分子结构及抗菌保鲜性能等的影响. 研究结果表明：添加肉桂醛和丁香油后复合膜的厚度变化不大, 拉伸强度有所增加, 断裂伸长率减少, 基于膜的加工和应用需求可以选择肉桂醛与丁香油的配比1：1 为最佳配比. 从贮藏期间TVB-N 和感官评价变化可知, 肉桂醛与丁香油具有一定的协同抗菌效果, 且肉桂醛的抗菌效率较高, 在 -4 ℃冷藏下相对对照组, 复合膜在抗菌剂为1：1 和2：1 的配比下保鲜鸡胸肉的货架期都延长了2—3 天, 该研究可为肉制品的贮运提供应用依据, 今后课题组将在膜缓释抗菌机制方面继续深入研究.