可食性肉桂精油复合膜的制备及其缓释性能

周 悦，吴雪辉，谢家星，陈嘉慧，何俊华

（华南农业大学食品学院，广东广州 510642）

植物精油是从芳香植物中提取出的具有挥发性、浓郁香味的脂溶性天然混合物，大多具有良好的抑菌、抗氧化活性[1]。近年来，植物精油因其含有多种功能活性物质而成为研究热点。其中，肉桂精油（cinnamon essential oil, CEO）是指从桂皮、桂枝、桂叶等部位提取的挥发油[2]，其主要成分为反式肉桂醛,此外还含有邻羟基苯甲酸甲酯、肉桂醇等多种活性成分[3]。CEO具有镇痛解痉、抗炎、抗肿瘤、增加肠胃蠕动等功效[4]，还具有良好的抗菌[5]、抗氧化活性[6]，在食品、医药以及日化产业方面都有巨大的应用前景。

CEO作为一种环境友好型植物添加剂，近几年在活性包装领域得到广泛应用,如保鲜乳剂、涂料、复合膜等，尤其是在复合膜的开发利用方面。张赟彬等[7]利用CEO与吐温-80、乙醇制备出O/W型复合保鲜微乳液；周强等[1]制备出CEO-壳聚糖涂膜并协同气调包装应用于冷鲜肉保鲜中；Saeed等[8]添加CEO制备出的酪蛋白酸钠纳米复合活性薄膜可延长各种易腐食品的保质期；Xu 等[9]制备的掺有CEO的壳聚糖-阿拉伯胶可食用膜，Chen等[10]制备的肉桂醛纳米乳液壳聚糖膜，都可作为新型生态友好型生物复合材料并应用在食品保鲜中。

淀粉作为一种天然多糖，因其来源广泛、价格低廉、易于降解被广泛应用于薄膜的制备[11−13]。有学者将CEO应用于玉米淀粉和西米淀粉基复合膜的制备中，发现随着CEO的加入可改善复合膜的机械性、阻隔性能，并增加抑菌效果[14−15]。对于CEO复合膜而言，CEO的有效保留和稳定释放对复合膜功能活性有极大影响。因此，本研究探讨CEO加入改性淀粉中可食性复合膜的制备工艺，以及在不同类型食品中的释放速度，为拓展CEO的应用途径提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

肉桂精油（萜烯类：54.96%，醛类：40.71%，其他：4.33%） 广州百花香料股份有限公司；氧化羟丙基木薯淀粉 食品级，宜瑞安（Ingredion）食品配料有限公司；吐温-80（化学纯）、甘油（分析纯） 天津市富宇精细化工有限公司；无水氯化钙 分析纯，购自广州化学试剂厂。

HWS-24恒温水浴锅 上海恒科学仪器有限公司；Jb300-SH数显恒速强力电动搅拌机 广东泰宏君科学仪器有限公司；85-2恒温磁力搅拌器 金坛市城东新瑞仪器厂；FJ-200高速分散均质机 姜堰市银河仪器厂；101-2A电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司；HWS-80智能恒温恒湿箱 上海比郎仪器制造有限公司；UV-5200紫外可见分光光度计 上海元析仪器有限公司；5566型力学拉伸测试仪 美国Instron公司。

1.2 实验方法

1.2.1 薄膜的制备 称取淀粉加入蒸馏水中配成不同质量分数的淀粉溶液（m/v，以蒸馏水体积为基准），加热搅拌30 min使淀粉糊化，冷却至室温后，加入不同质量分数的CEO、甘油和吐温−80（m/v，以淀粉溶液体积为基准），混匀，将成膜液倾倒于平板玻璃皿中，静置10 min后烘干揭膜，薄膜于相对湿度50%，温度为25 ℃的环境中平衡48 h即可。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 精油添加量对薄膜性能的影响 设定甘油、吐温−80、淀粉质量分数分别为1.0%、1.0%和5.0%，糊化温度为70 ℃，探讨CEO质量分数为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%对薄膜性能的影响。

1.2.2.2 甘油添加量对薄膜性能的影响 确定CEO质量分数为1.5%，改变甘油质量分数为0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%，其余条件同上。

1.2.2.3 吐温−80质量分数对薄膜性能的影响 选择甘油质量分数为1.0%，设置吐温−80质量分数为0、0.5%、1.0%、1.5%、2%，其余条件同上。

1.2.2.4 淀粉添加量对薄膜性能的影响 以吐温−80质量分数为1.0%，淀粉质量分数分别为4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，其余条件同上。

1.2.2.5 糊化温度对薄膜性能的影响 设置淀粉质量分数为5.5%，控制糊化温度分别为60、70、80、90、100 ℃，其余条件同上。

1.2.3 正交试验 在单因素实验基础上，选择影响较大的4个因素，以透光率、水蒸气透过系数、透油系数和断裂伸长率为指标，通过L9（34）正交试验优化薄膜的制备工艺条件（表1）。

表1 正交试验因素水平设计Table 1 Orthogonal test factor level

1.2.4 CEO缓释试验 参照Lian等[16]描述的方法，采用三种标准食品模拟物：（1）蒸馏水作为水基食品模拟物；（2）50%乙醇（v/v）作为水包油乳状液和酒精食品模拟物；（3）95%（v/v）的乙醇作为脂肪食品模拟物。室温下将薄膜（20 mm×20 mm）浸入含有50 mL食品模拟液的离心管中，每隔一段时间移取1 mL浸泡液加入2 mL蒸馏水中，用紫外分光光度计测定吸光度，每次测量后补充1 mL蒸馏水至初始刻度。对CEO进行全波段扫描后将紫外检测波长定为286 nm处，并以CEO浓度（nL/mL）为横坐标X轴，吸光度为纵坐标Y轴，绘制CEO标准曲线回归方程为：Y = 1.1339X + 0.0142，R2= 0.9996。根据标准曲线回归方程计算每个时期CEO的释放量，并以CEO每个时期的释放量占最大释放量的百分比绘制释放曲线。

1.2.5 水蒸气透过系数 参考GB/T 1037-1988[17]的方法测定。将无水氯化钙在105 ℃烘箱中烘干至恒重后称取5 g放入小锥形瓶中，以薄膜封口，称重记数后放入底部已加有1000 mL蒸馏水的干燥器中（30 ℃，相对湿度100%），平衡2 h后，每间隔一定时间取出称重，直到前后两次质量增量相差不大于初始重量的5%，结束试验。根据公式（1）计算水蒸气透过系数。

式中：WVP为水蒸气透过系数，g·cm/cm2·s·Pa；ΔM为透水质量，g；D为薄膜厚度，cm；S为薄膜面积，cm2；T为时间，s；△P为水蒸气压差，Pa。

1.2.6 抗拉强度、断裂伸长率 参考GB/T 1040.3-2006[18]，裁取薄膜（10 mm×100 mm）固定于力学拉伸测试仪上，将初始夹具设置为90 mm，拉伸速率为50 mm/min进行测量。根据公式（2）和公式（3）分别计算抗拉强度和断裂伸长率。

式中：TS为抗拉强度，MPa；F为薄膜断裂时承受最大拉力，N；S为薄膜横截面积，m2。

式中：E为断裂伸长率，%；L0为薄膜的原长度，mm；L为薄膜断裂时的长度，mm。

1.2.7 透光率 参考赵丹[19]的方法采用紫外分光光度计于500 nm条件下进行测定。

1.2.8 透油系数 参考汪学荣[20]的方法，将5 mL山茶油放入试管中, 以薄膜封口, 倒置于滤纸上, 放置2 d, 称量滤纸质量的变化。按照公式（4）计算透油系数。

式中：PO为透油系数，g·mm/m2·d；△W为滤纸质量变化，g；D为薄膜厚度，mm；S为薄膜面积，m2；T为时间，d。

1.3 数据处理

所有试验重复3次测定，取平均值。试验数据采用Excel软件处理，结果采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析，采用Duncan法进行显著性检验，P＜0.05表示差异显著，Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 CEO添加量对薄膜性能的影响 由表2可知，随着CEO含量的增加，薄膜水蒸气透过系数增大，可能是由于CEO分子中的亲水性羟基与环境中水分相互作用，降低薄膜分子间内聚力，使水分子容易透过[21]。透光率随着CEO含量的增加先降低后升高，其中透光率降低可能由于膜基质中嵌入的精油液滴界面处的光散射所致[22]，继而添加CEO导致透光率升高可能是由于过量CEO与其他成膜基质的生物相容性较差，膜中CEO分散不均匀，精油散色作用降低。薄膜的透油系数在CEO低浓度范围内缓慢升高，在1.0%～1.5%CEO范围内差异不显著（P＞0.05），而当CEO添加量超过2.0%时又显著升高（P＜0.05），可能是因为CEO本身具有含有疏油性羟基,少量CEO能够减缓油脂的渗入，但是当CEO与薄膜基质的结合达到饱和状态后，过量的CEO渗出显著增加滤纸质量，最终导致透油系数变化幅度明显。另外，添加CEO使薄膜断裂伸长率先升高后降低，在CEO质量分数为2.0%时达到最大值，表明在一定范围内CEO可以充当增塑剂以增强复合膜的断裂伸长率[23]，同时添加精油可能会阻碍聚合物链之间的相互作用，并在薄膜中形成柔性区域[24]。薄膜的抗拉强度在0%～2.0%CEO的范围内呈下降趋势，当CEO添加量为2.5%时却稍有升高，可能是因为存在精油成分时，薄膜网络中较弱的聚合物-油相互作用会部分替代较强的聚合物-聚合物相互作用，这可能会降低聚合物网络的内聚力，从而导致含CEO的薄膜抗拉强度的降低[25]。综上可知，当CEO质量分数为1.5%时，薄膜的阻隔性能和机械性能较优，并考虑到在制膜过程中精油的挥发损失，CEO添加量过少不利于其作为薄膜中活性成分的应用，因此选CEO质量分数为1.5%时为宜。

表2 CEO含量对薄膜性能的影响Table 2 Effect of CEO content on film properties

2.1.2 甘油添加量对薄膜性能的影响 甘油含量对薄膜性能的影响由表3可知。增加甘油含量，薄膜水蒸气透过系数增大，是由于甘油的亲水性加大了单位体积内亲水性羟基数目，增加薄膜通透性[26]。而甘油的塑化作用可以增强淀粉分子的吸水膨胀能力，使其易于糊化，且淀粉糊均匀细腻，成膜后透光率较大[27]，当甘油添加量为1.1%至1.2%时，透光率的变化无显著差异（P＞0.05）。透油系数先增大后减小再增大，在甘油质量分数为1.0%和1.1%时差异不显著（P＞0.05），达到1.2%时又显著上升（P＜0.05）。薄膜抗拉强度降低，断裂伸长率增加，是因为小分子甘油能进入淀粉分子内部，破坏氢键，削弱淀粉分子间作用力，增强淀粉链流动性，从而破坏淀粉的刚性结构，使薄膜变得柔软[28−29]。甘油添加量过少对薄膜达不到塑化效果使薄膜过硬容易脆裂，而甘油过量会减弱淀粉分子的相互作用，降低其力学性能[30]，并且当甘油质量分数超过1.0%时，薄膜过黏不易烘干揭下，故选取甘油质量分数为1.0%。

表3 甘油含量对薄膜性能的影响Table 3 Effect of glycerol content on film properties

2.1.3 吐温−80添加量对薄膜性能的影响 由表4知，吐温−80含量的增加使薄膜水蒸气透过系数逐渐增大，其作为一种非离子型表面活性剂，能使CEO在膜液中分散均匀，降低界面张力，加大水蒸气的扩散速率[31]。而透光率减小，膜液颜色逐渐加深，表明乳化效果越好。透油系数先减小后增大，在吐温−80质量分数为1.0%时达到最小值，表明薄膜的阻油性能在一定范围内能够得到改善，随着吐温−80含量的增加，与淀粉、CEO形成分子间结合，削弱了分子间和分子内的相互作用，破坏了淀粉的内部结构，分子链的有序排列被扰乱，因而导致透油系数再次增大。增加吐温−80含量导致薄膜抗拉强度减小，断裂伸长率增大，可能是由于加入乳化剂重叠膜的结构，柔韧性增加，导致力学性能下降[32]。综合以上分析，吐温−80的加入使薄膜具备良好的机械性能，当吐温−80添加量为1.0%时，薄膜具有良好的阻隔性，而当吐温−80添加较少时，CEO在膜液中分散不均匀，影响成膜基材与精油的结合及相互作用，因此适合制备薄膜的吐温−80的质量分数取1.0%。

表4 吐温−80含量对薄膜性能的影响Table 4 Effect of Tween−80 content on film properties

2.1.4 淀粉添加量对薄膜性能的影响 如表5所示，水蒸气透过系数呈先减小后上升的趋势，当淀粉质量分数在4.5%～5.5%范围内时，淀粉间的相容作用减少膜骨架间的空隙，提高膜致密性，阻水性增强[33]。当淀粉含量继续增大，淀粉基团堆积，膜液流动性变差，使得膜厚度不均匀，阻水性减弱[34]。薄膜透光率减小可能是由于添加过多淀粉导致膜厚度的增加而阻碍光线通过[35]。透油系数在淀粉的质量分数为4.5%～5.5%范围内先呈下降趋势，是由于淀粉含有疏油性羟基，其含量增加可阻隔部分油分子在淀粉膜表面的吸附[36]，而当淀粉超过一定量时，薄膜厚度不均匀，透油系数又再次升高。薄膜抗拉强度逐渐增大，是因为淀粉分子间氢键作用增强，使得薄膜致密性良好[37]。另外，淀粉含量增加会相对降低薄膜含水量，减小分子链的活动性，导致薄膜断裂伸长率的减小[33]，而过高淀粉含量也使薄膜容易脆裂。综合以上分析，当淀粉质量分数为5.5%时薄膜阻隔性能和机械性能较好，并考虑防止淀粉含量过低使膜厚度过小难以揭膜，过高使膜液过于黏稠并且制得薄膜厚度不均匀且容易脆裂，选用淀粉质量分数为5.5%为宜。

表5 淀粉含量对薄膜性能的影响Table 5 Effect of starch content on film properties

2.1.5 糊化温度对薄膜性能的影响 由表6知，糊化温度增加使得薄膜的水蒸气透过系数先减小后增加，当温度低于70 ℃时，淀粉糊化不彻底，膜液连续性下降，成膜后缺乏致密性，故薄膜阻水性能较弱[13]；薄膜水蒸气透过系数在糊化温度为70～90 ℃范围内无显著差异（P＞0.05），超过90 ℃又有所升高，温度过高使得淀粉溶液的黏度增大，不利于膜的成型。糊化温度增加，淀粉完全糊化导致透光率增加。透油系数随着糊化温度的增加变化不规律，而断裂伸长率、抗拉强度不存在显著差异（P＞0.05）。根据淀粉糊化完全且实际生产降低能耗的原则，选糊化温度为80 ℃为宜。

表6 糊化温度对薄膜性能的影响Table 6 Effect of gelatinization temperature on film properties

2.2 正交试验结果与分析

正交试验结果（见表7）采用极差分析法以及综合平衡法分析。各因素对薄膜水蒸气透过系数影响的显著程度为：A＞D＞C＞B，最优组合为A2B2C2D2。对透光率而言：C＞D＞B＞A，最优组合A3B2C2D3。对薄膜断裂伸长率为：D＞B＞C＞A，最优组合A2B3C1D1。对透油系数的影响显著程度为：B＞D＞A＞C，最优组合A2B2C3D2。根据表7中的极差分析，对影响复合膜水蒸气透过系数、透光率、透油系数和断裂伸长率的4个因素，分别采用对该指标影响最为显著的因素作为第一指标。因素A对水蒸气透过系数影响最为显著，将其作为第一指标选 A2；因素B的第一指标为透油系数选B2；因素C对透光率影响最大选择C2；因素D的第一指标为断裂伸长率故选D1。

表7 正交试验结果Table 7 Results of orthogonal test

以综合平衡法分析，本试验最优组合为 A2B2C2D1，即CEO、甘油、吐温-80、淀粉的质量分数分别为1.5%、1.0%、1.0%、5.0%时制备的薄膜性能最佳。对优化条件进行验证试验，最优条件下制备的CEO复合膜的薄膜断裂伸长率和抗拉强度分别为27.87%和1.42 MPa，水蒸气透过系数、透油系数为1.27×10−12g·cm/cm2·s·Pa、0.2131 g·mm/mm2·d，透光率为30.56%，此时薄膜的机械性能和阻隔性能相对较好。

2.3 薄膜中CEO向食品模拟物中的释放

如图1所示，常温下所有薄膜都呈最初的快速释放随后趋于平缓，直到一个恒定水平。在释放的初期，水分子侵蚀薄膜并进入薄膜内部，引起薄膜的膨胀和溶解性，使得薄膜逐渐变得疏松，薄膜基质之间的相互作用被破坏，从而导致精油的最初的快速释放[16]。

图1 薄膜中CEO在三种不同食品模拟物中的释放情况Fig.1 Release of CEO in three different food simulants in the film

如图1a所示，在蒸馏水中0～100 min时2.0%CEO释放速率最缓慢，0.5%CEO在90 min释放量达100%；100 min后2.5%CEO释放速率最为缓慢，150 min时1.0%、1.5%CEO达到释放终点，200 min时2.0%CEO已达释放终点，此时2.5%CEO释放量为99.58%，直到250 min才达精油的最大释放量。在50%乙醇中，于0～125 min范围内2.0%CEO释放速率明显最低，2.5%CEO在0～50 min时显示出最快的释放速率而后变缓，其他三个浓度CEO于0～125 min时释放速率差异不显著（P＞0.05），主要原因可能是在该食品模拟物中的薄膜溶解非常快，掩盖了释放差异[16]；100 min时0.5%和1.0%CEO最先达到释放终点，125 min后2.0%CEO释放速率快于2.5%CEO，150 min和175 min时1.5%CEO、2.0%CEO分别达到释放终点，而2.5%CEO于200 min最晚达释放终点。在95%乙醇中，100 min之前2.5%CEO释 放 速 率 最 快，0.5%CEO次 之，125 min时0.5%CEO最先达到释放终点，125 min后2.5%CEO释放速率最为缓慢，300～450 min时1.0%、1.5%、2.0%CEO陆续达到释放终点，而2.5%CEO直到550 min最晚到达释放终点。在同种食品模拟物中，CEO含量越多，越长时间达到最大释放量，可根据不同食品特点改变CEO添加量从而控制复合膜中CEO的释放速率使复合膜的生物活性效果最大化。

薄膜中CEO的释放速率与食品的特性有关，三种食品模拟物中，CEO在95%乙醇中的释放速率最缓慢，需要550 min达到释放终点；在50%乙醇中的释放速率最快，50 min时0.5%CEO和2.5%CEO释放量为95%乙醇的近2倍，同时1.0%、1.5%和2.0%CEO释放量为95%乙醇的近3～4倍，并且50 min时50%乙醇中除2.0%CEO以外，其他浓度CEO释放速率是蒸馏水的近1.5倍，50%乙醇中达到释放终点的时间为200 min；在蒸馏水中CEO的释放于250 min达到最大值。Lee等[38]也得到了相似的结果，这种现象可能是由于水分子对薄膜的溶胀以及CEO在乙醇中较高的溶解度所致。

3 结论

在单因素试验的基础上，通过正交试验优化出CEO可食性复合膜的最佳制备工艺条件为：淀粉、CEO、甘油、吐温−80的质量分数分别为5.0%、1.5%、1.0%、1.0%，此条件下制备的薄膜各项性能指标最好，断裂伸长率和抗拉强度分别是27.87%和1.42 Mpa，水蒸气透过系数、透油系数为 1.27×10−12g·cm/cm2·s·Pa、0.2131 g·mm/mm2·d，透光率30.56%。且薄膜中CEO的释放效果受食品种类影响，于脂肪食品模拟物中释放速率最慢，CEO复合膜适应于油脂类食品的包装从而延长CEO的作用时间；同种食品模拟物中，薄膜中CEO含量越多，达到最大释放量所需的时间越长，可改变CEO的添加量从而达到CEO的控释效果。然而，薄膜中CEO的释放机理仍是不清楚的，需要进行进一步研究。并且，也需要对CEO复合膜应用的具体食品种类以及抑菌和抗氧化效果进行深入探究。本研究为CEO在食品领域的应用途径和活性包装的开发利用提供了一定的理论指导。