茶多酚-壳聚糖活性保鲜膜的制备及其稳定性研究

刘佳禾，王晨曦，张晟宝，郭 瑶，李彦仪，姚沁含，蒋企洲

（中国药科大学，江苏 南京 210000）

随着能源危机和“白色污染”等环境问题日益严峻，保鲜膜作为日常生活中使用较多的塑料制品，市场需求极大。但其使用时间短、作用效果不佳，需要频繁更换，而又难以降解，是白色污染的重要来源。天然高分子材料作为一种环境友好型材料近来逐渐步入人们视野，以原材料易得、性质可控、可降解为特点，为制备可降解保鲜膜提供新的思路，对环境保护具有重大的实践意义，也是节约资源，绿色可持续循环理念的体现。

壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D 葡萄糖。由于壳聚糖的生物兼容性好，可生物降解，无毒副作用，因此在医药、化工、食品等领域受到广泛的关注。

但通常纯壳聚糖薄膜存在机械性能较差、水阻隔率较低、抗菌性较弱不足等问题，对此可以通过制备多组分复合膜的方法进行改进。茶多酚作为保鲜抑菌活性成分，柠檬酸则可以通过抑制呼吸酶降低果蔬的能量代谢进程，减缓生鲜食品的腐败，以达到保鲜效果。本研究在壳聚糖液中添加茶多酚和柠檬酸，制备了理化性能较好且具有一定抗氧化性、抑菌性的茶多酚-壳聚糖复合材料保鲜膜。

1 试验材料与设备

1.1 试验材料

茶多酚（98%），购自陕西嘉禾生物科技股份有限公司；壳聚糖（98%），购自安徽酷尔生物工程有限公司；柠檬酸（95%），购自潍坊英轩实业有限公司；甘油、乙酸，购自南京化学试剂有限公司；司盘、无水三氯化铁、抗坏血酸、明胶、盐酸，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器设备

KH-500DB 型数控超声波清洗器，昆山禾创超声仪器有限公司；721 型紫外-可见光分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司；电子天平，力辰科技；数显恒温水浴锅，常州国华电器有限公司；鼓风干燥箱，上海博讯医疗生物仪器股份有限公司。

2 试验方法

2.1 壳聚糖膜的制备及性能考察

2.1.1 醋酸浓度对壳聚糖溶解影响

碱性多糖壳聚糖可溶于酸性溶液中，pH 较低时壳聚糖的氨基发生质子化使得壳聚糖成为一种水溶性阳离子聚电解质。取0.2 g 壳聚糖分别溶于0.5%、1%、2%、3%四个浓度20 mL的醋酸溶液中，在40℃水浴锅中保温搅拌30 min，观察其结果。

2.1.2 交联剂对壳聚糖膜性能的影响

配置1%的壳聚糖溶液溶于2%的乙酸溶液中，分别添加0.5%甘油、0.5%甘油和0.75%明胶、0.5%甘油和0.5%司盘作为性质改良剂，超声脱气1 h，40℃烘干，观察其结果。

2.1.3 成膜温度对壳聚糖膜性能的影响

依据复合膜的制备方法，选取不同的干燥温度：30℃、35℃、40℃、45℃、50℃烘干18 h，观察成膜情况。

2.2 茶多酚-壳聚糖膜的制备及性能考察

2.2.1 茶多酚-壳聚糖膜的制备

称取壳聚糖40℃环境下溶于100 mL 浓度为2%的乙酸溶液，并加入0.5%的甘油。称取茶多酚与柠檬酸溶于20 mL纯化水中，充分溶解之后与壳聚糖溶液混合均匀。超声脱气1 h，取20 mL 平铺于直径为9 cm 的圆形培养皿中，置于40℃烘箱中18 h干燥成膜。

壳聚糖浓度单因素实验中，分别添加浓度为1%（w/v）、1.5%（w/v）及2%（w/v）的壳聚糖于膜液中；茶多酚浓度单因素实验中，分别添加浓度为0.1%（w/v）、0.2%（w/v）及0.3%（w/v）的茶多酚溶液于膜液中；柠檬酸浓度单因素实验中，分别添加浓度为0.07%（w/v）、0.1%（w/v）及0.13%（w/v）的柠檬酸于膜液中。

2.2.2 茶多酚-壳聚糖膜透湿性的测定

采用失重法，称取40 mL纯化水于小烧杯中，用膜密封杯口。把烧杯置于干燥器中，使得膜内外存在一定的蒸气压差，通过定时测量烧杯质量，计算透湿量WVT：

式中：A——薄膜的面积，m2；t——两次间隔时间，h；Δm——t时间内烧杯减少的质量，g。

2.2.3 茶多酚-壳聚糖膜延展性测定

记拉伸前薄膜的长度l0，均匀拉伸薄膜两端，直至薄膜断裂时记长度l1,

式中：l0——拉伸前薄膜的长度，cm；l1——薄膜断裂时的长度，cm。

2.2.4 茶多酚-壳聚糖膜液还原性的测定

准确配制复合膜液之后取1 mL 十倍稀释，取1 mL 作为测定样品。取若干比色管，依次编号，按照图1 所示方法，按顺序加入试剂，混合均匀，离心过滤，充分反应，测定反应体系的吸光度。平行测定两次，取均值做分析。

图1 茶多酚还原能力测定实验流程Fig.1 Experimental procedure for determination of reducing capacity of tea polyphenols

2.2.5 茶多酚-壳聚糖膜液抑菌能力的测定

通过牛津杯法测定膜液的抗菌活性大小。取金色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌各一铂环的量到10 mL液体培养基中温度达37℃过夜培养，达到细菌指数生长期。取0.2 mL的菌液均匀分散在LB 琼脂平板上，放置牛津杯，向牛津杯中定量加入制备好的膜液样品，37℃培养12 h 后测量抑菌圈的直径。

2.2.6 茶多酚-壳聚糖膜可降解性测定

将膜剪成1 cm×4 cm 块状，测量初始质量，将膜分别添加在10 mL 浓度为0 mol/L、0.1 mol/L、0.15 mol/L、0.2 mol/L 的HCl溶液中进行降解，24 h后烘干，测量其干质量。

式中：w1——降解前干质量；w0——降解24 h后干质量。

3 结果与分析

3.1 醋酸浓度对壳聚糖溶解影响

表1 醋酸浓度对壳聚糖溶解影响Tab.1 Effect of acetic acid concentration on chitosan dissolution

依据初步溶解情况，选择2%浓度的醋酸溶液溶解壳聚糖。壳聚糖在醋酸溶液中溶解初期出现溶胀团块，在吸附或自聚集过程中粒度增大，随时间推移壳聚糖分子展开，团块逐渐减小，壳聚糖溶解，溶液中离子浓度增大，若醋酸浓度过大，产生-NH3+基团过多，聚合物分子间斥力增加，其间空隙由酸性溶液填充造成，总体表现为溶液黏度增大。

3.2 添加剂对壳聚糖膜性能的影响

表2 添加剂对壳聚糖溶解影响Tab.2 Effect of additives on chitosan dissolution

考虑到膜的使用与整体性质，选用纯甘油作为性质改良剂。小分子物质甘油加大了大分子间的距离，降低了分子间的作用力，从而使膜整体表现得柔软，可塑性得到增强。明胶有效增强分子间交联作用，分子链间相互作用形成更紧密的结构。司盘作为表面活性剂乳化壳聚糖溶液，可增强其稳定性，但是由于其亲油性，易于甘油结合，降低甘油的利用率减小甘油增塑剂的作用，自身作用也因此受限，故整体作用并不大。

3.3 成膜温度对壳聚糖膜性能的影响

表3 成膜温度对壳聚糖溶解影响Tab.3 Effect of film forming temperature on chitosan dissolution

18 h 的固定烘干时间下，40℃左右较适宜。40℃时水分蒸发的速度较为适宜，壳聚糖分子能有序排列，形成理化性质良好的壳聚糖膜。温度过低，水分蒸发速度慢，分子排列缓慢不利于形成较为致密的固体结构。温度过高则聚合物分子过早沉积，机械强度下降，膜较脆、拉伸性弱。

3.4 不同成分浓度变化对复合膜透湿性的影响

表4 不同成分浓度变化对复合膜透湿性的影响Tab.4 Effect of concentration change of different components on moisture permeability of composite films

随着壳聚糖浓度的增加，其分子链间总作用力增强，形成的薄膜结构致密性上升，从而使得透湿性减小，这与成膜的观察结果一致。

用直接添加法将茶多酚添加入成膜基质中，其中茶多酚存在大量酚羟基等活性基团，衰弱了壳聚糖膜溶液分子间的氢键，降低膜对水蒸气的亲和性。

改变柠檬酸在成膜基质中的浓度后，复合膜的透湿性先降低后升高，存在一个最低点,可能的原因是柠檬酸与茶多酚、壳聚糖分子间的氢键形成致密的网状结构，在疏水的同时水分子也难以通过，但随着柠檬酸浓度继续增大，复合膜的阻水性反而降低。

3.5 不同成分浓度变化对复合膜延展性的影响

从实验结果可知，复合膜延展性随壳聚糖浓度的增加先上升再下降，当壳聚糖浓度为1.5%时复合膜延展性较好，当茶多酚添加量为0.3%时复合膜延展性较好，柠檬酸浓度变化对复合膜延展性影响不大。

表5 不同成分浓度变化对复合膜延展性的影响Tab.5 Effect of concentration changes of different components on ductility of composite films

3.6 不同成分浓度变化对复合膜液还原性的影响

表6 不同成分浓度变化对复合膜液还原性的影响Tab.6 Effect of concentration change of different components on reducibility of composite membrane solution

从实验结果可知，壳聚糖浓度变化和柠檬酸浓度变化对复合膜液能力影响较小，而复合膜液还原能力随茶多酚浓度的增加而增大，复合膜液的还原性主要来自于茶多酚中的活性成分。

3.7 不同成分浓度变化对复合膜液抑菌性的影响

表7 不同成分浓度变化对复合膜液抑菌性的影响Tab.7 Effect of concentration change of different components on antibacterial activity of composite membrane liquid

复合膜液对大肠杆菌、金色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的抑菌作用随壳聚糖浓度以及柠檬浓度变化不明显，随茶多酚浓度的升高而增大。

3.8 不同成分浓度变化对复合膜可降解性的影响

表8 不同成分浓度变化对复合膜可降解性的影响Tab.8 Effect of concentration change of different components on degradability of composite films

由于缩醛结构的存在，壳聚糖在酸性溶液中发生降解，随壳聚糖浓度和盐酸浓度上升，复合膜降解性呈上升趋势；随茶多酚浓度增加，可降解率随之上升，适量的柠檬酸对提高降解率有帮助。

4 结论

本实验以壳聚糖为成膜基质，以乙酸溶液作为溶剂，甘油作为增塑剂改良复合膜的物理性质，绿茶提取物茶多酚以及柠檬酸作为活性添加成分制备具有生物降解性、环境友好、无抗原性、无毒害性且具有良好抑菌性的生物材料保鲜膜。研究结果表明：2%的乙酸可较好的溶解大分子材料壳聚糖并成膜，0.5%甘油作为增塑剂可在增添延展性的同时保持壳聚糖膜的韧性，40℃的成膜温度可使膜液以适宜的速度蒸发，壳聚糖分子能有序排列形成致密壳聚糖膜。

本实验采用牛津杯法探究复合膜液对金色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌的抑菌性。壳聚糖通过带正电的氨基同细菌细胞壁的负电荷成分结合，导致细菌破损死亡。茶多酚可引起菌体内部的核酸和蛋白质等物质的外泄，干扰细菌的生长代谢。壳聚糖与茶多酚两者对细菌有相加的抗菌效果。此次实验通过将复合膜与含菌培养基共同培养证实复合膜具有较好的抑菌性。

本实验涉及成膜过程，但在众多文献以及此次实验中对成膜过程的许多条件仍未提及，例如相对湿度、空气流动条件等，导致最终成膜品质不够稳定且存在厚薄不均，成膜不同步等问题，工艺控制还需进一步优化。

本研究虽证实最终产物在物理性能以及抑菌性能均具有可行性，但其对各种水果、糕点等各种生鲜类物资的保鲜效果还需进一步研究。