全 文 ：!#$
丁香油—海藻酸钠可食性抗菌膜的研制
邓! 靖，#，谭兴和，!，周晓媛#
（!湖南农业大学食品科技学院，湖南长沙 #!$!%&；%湖南工业大学包装与印刷学院，湖南株洲 #!%$$&）
摘’ 要：海藻酸钠是一种天然多糖类化合物，具有较好的成膜性能和水溶解性能。化学改性可改变其水溶性，添加天
然抗菌剂可制备抗菌膜。本文通过钙剂处理对海藻酸钠膜进行改性，根据膜的力学性能和透水率，确定了海藻酸钠的
浓度、钙剂交联剂的种类、交联剂的浓度和交联时间。用乙醇抽提法提取了几种香辛料油树脂，并对其抑菌性能进行
了比较研究。将抑菌效果最好的油树脂添加到海藻酸钠中制膜，根据膜的抑菌性能确定了此油树脂的添加浓度。研
究表明：海藻酸钠的浓度为 %(，交联剂为 #(的 )*)+%、交联 %$,-. 时，海藻酸钠膜的性能最佳；各种香辛料油树脂均
具有一定的抑菌性，其中丁香油树脂的抑菌性最强；丁香油树脂的添加量为 !#(时海藻酸钠膜具有很好的抑菌性能。
关键词：抗菌膜，海藻酸钠，丁香油树脂
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中图分类号：86%$I!’ ’ ’ ’ 文献标识码：J’ ’ ’ ’ 文 章 编 号：!$$%/$K$I（%$$L）$I/$K$%/$#
收稿日期：%$$&/$L/!!’ !通讯联系人
作者简介：邓靖（!LML/），女，博士研究生，讲师，研究方向：园艺产品
采后科学与技术。
’ ’ 可食性果蔬保鲜膜是一种采用天然糖类、淀粉、
蛋白质、油脂等可食材料为主要原料，通过添加成膜
助剂、控制成膜条件，在果蔬表面涂覆或直接成膜而
成的保鲜膜［!］。目前可食性保鲜膜主要分为蛋白质
保鲜膜［%］、淀粉膜［K，#］、甲壳素膜以及其他类型膜。海
藻酸钠是褐藻类的天然高分子，是一种无毒、亲水性
的天然多糖类化合物［N］。海藻酸钠有很强的亲水性，
成膜后强度、弹性不够理想，需对其进行改性。闻燕
等［I］将海藻酸钠与羧甲基淀粉共混成膜，膜的力学性
能、吸水率及水蒸气透过率都有显著改善。耿亚敏
等人用 41)+K 交联海藻酸钠膜，使其由水溶性膜变为
不溶性膜［M］。樊李红等用 )*% H交联制备的海藻酸 O
明胶抗菌膜，其力学性能得到显著改善［&］。樊李红［L］
等由海藻酸钠与水性聚氨酯通过流延法成功地制备
出抗菌膜。抗菌保鲜膜是功能薄膜的一种，在保鲜
膜中添加抗菌剂，通过抗菌剂的缓释和光催化等作
用从而达到抗菌、保鲜目的［!$］。近年来，抗菌薄膜的
研究主要集中在无机抗菌薄膜［!! P !K］、高分子抗菌薄
膜［!# P !I］、光催化无机型抗菌薄膜和天然抗菌薄膜。
天然抗菌膜因其良好的人体安全性、生态环保性和
广谱抗菌性引起了人们极大的关注。目前制备天然
抗菌膜最常用的天然抗菌剂是壳聚糖，但壳聚糖的
价格比较贵。香辛料对多种多样的微生物具有抗菌
作用［!M，!&］，而其有效成分大多存在于精油（挥发性成
分）中［!L］。因此将香辛料油树脂添加到海藻酸钠膜
中，可以制备可食性抗菌膜。
! 材料与方法
:! 材料与设备
!!#
辣椒、肉桂、公丁香、花椒 ! 均购于株洲钟鼓岭
市场；乙醇、海藻酸钠、氯化钙、碳酸钙、磷酸钙、乳化
钙! 均为分析纯；大肠杆菌（!#$%&’#$’( #)*’）、啤酒酵
母（+#%&%,’’(% -(.%.）、黑曲霉（/0%&1’**2.’1%&）、金
黄 色 葡 萄 球 菌（ +3(0$4*)#)##2/2&%2）、米 曲 霉
（/0%&1’**2)&45(%）! 均由实验室提供；培养基! 马铃
薯蔗糖琼脂培养基（培养霉菌和酵母菌），牛肉膏蛋
白胨琼脂培养基（培养细菌）。
万能电子拉力实验机! #$%&’()，深圳新三思实
验设备公司；*+),- 型冰箱，./0)&’ 型洁净工作台，
1%&0-23 4 0-’*567 型恒温培养箱，..8 型恒温水浴
锅，+9:2;,3&$<1 型恒温鼓风干燥箱，$=/1>&&’’
型精密顶空分析仪，?:@28+3&2,-’8 型不锈钢手提
式压力蒸汽灭菌锅。
!#$ 实验方法
0,0! 海藻酸钠膜的制备
0,00! 海藻酸钠浓度的确定! 用电子天平称量一
定量的海藻酸钠颗粒，根据海藻酸钠的浓度称量相
应的水，当水加热至 &’A左右时，将海藻酸钠颗粒缓
慢地加入水中并不停搅拌，搅拌到透明、无颗粒为
止。将海藻酸钠制成 0B、0(B、,B、,(B、)B、
)(B、3B不同浓度的溶液，在玻璃片上流延成膜后，
根据不同浓度海藻酸钠膜的抗拉强度、断裂伸长率
和吸水率来确定海藻酸钠成膜的最适浓度。注意在
海藻酸钠溶解的过程中水的温度应保持在 &’A左
右，而且海藻酸钠应缓慢地加入水中，不能过快。这
是因为如果加入过快，海藻酸钠会来不及溶解而凝
结成块。
0,0,! 交联剂种类的确定! 海藻酸钠是褐藻类的
天然高分子，是一种无毒、亲水性的天然多糖类化合
物，易溶于水，成膜后强度、弹性不够理想，需对其进
行改性。海藻酸钠能与大多数阳离子发生反应（镁、
汞除外）形成交联键，使褐藻胶高分子链形成网状结
构，限制了高分子链的自由运动，当海藻酸钠与钙离
子作用时，可形成分子间交联，并在聚合链的缔合链
段之间，产生了抑制水分流动的三维结构。因此在
按 0,00 方法制备的最佳海藻酸钠膜在室温下自然
风干后，分别用浓度为 )B的氯化钙、碳酸钙、磷酸
钙、乳化钙溶液处理 0(C5D，再用蒸馏水洗去表面的
交联剂，自然风干，剥下膜。测定膜的抗拉强度、断
裂伸长率和吸水率等性能指标，并根据膜的这些指
标的情况确定交联剂的种类。
0,0)! 交联剂浓度的确定! 将由 0,0, 确定的交
联剂制成 0B、,B、)B、3B、(B、&B不同浓度的水
溶液，处理由 0,00 确定的海藻酸钠膜 0(C5D 后，再
用蒸馏水洗去表面的交联剂，自然风干，剥下膜。测
定膜的抗拉强度、断裂伸长率和吸水率等指标，并根
据膜的这些指标的情况确定交联剂的浓度。
0,03! 交联时间的确定! 选择最佳的交联剂配制
成最佳浓度的溶液，分别对海藻酸钠膜处理 (、0’、
0(、,’、,(C5D后，再用蒸馏水洗去表面的交联剂，自
然风干，剥下膜，测定膜的抗拉强度、断裂伸长率和
吸水率等指标，并根据膜的这些指标的情况确定交
联时间。
0,,! 海藻酸钠膜性能的测定
0,,0! 力学性能的测试! 海藻酸钠膜的抗拉强度
（!E）及断裂伸长率（E）用万能电子拉力实验机按照
国家标准 +< 4 33(& 2 -3 进行测量，重复五次取平
均值。
0,,,! 吸水率（@）的测试 ! 将膜样剪成 0FC G
0FC，浸入盛蒸馏水的称量瓶中室温静置 ,3H。小心
取出膜样，用滤纸吸去表面的水分后，称重，重复此
操作至恒重，然后将湿膜于 &’A减压干燥 ,3H 至恒
重。吸水率按下式计算：
@ I（CJ 2 CK）4 CK
式中：CJ、CK 分别为湿膜及干膜质量。
0,)! 香辛料油树脂的提取! 采用乙醇浸提法来提
取香辛料油树脂。分别称取 0’L 肉桂粉、辣椒粉、花
椒粉和丁香粉，安装好索氏抽提器，用 0’’C* 浓度为
-’B的乙醇溶液浸提香辛料油树脂（乙醇溶液迅速
汽化，植物组织内受压膨胀，并产生一定程度的破
坏），大约 ,H后分别收集约 (’C* 乙醇2肉桂油馏出
液、乙醇2辣椒油馏出液、乙醇2花椒油馏出液、乙
醇2丁香油馏出液，然后安装好酒精蒸馏装置，挥发
出乙醇，最后得到约 ,’C*肉桂油、辣椒油、花椒油和
丁香油树脂。
0,3! 香辛料油树脂抑菌性能的测定! 用无菌镊子
夹取数片经干热灭菌后的滤纸圆片，置于香辛料提
取液样品中，浸泡 0H。按无菌操作的方式往无菌培
养皿中倒入适量培养基，每皿约 0(C*，即培养基的
厚度约为 0(CC，待培养基凝固后，用无菌移液管吸
取’0M’,C*菌悬液于培养基表面，用无菌涂布棒涂
布均匀，然后用无菌镊子以无菌操作取出香辛料提
取液浸泡后的滤纸，将滤纸片放入培养基表面的中
央位置。以无菌水浸过的滤纸片作空白对照，大肠
杆菌和金黄色葡萄球菌放入 )NA培养箱培养 ,K 后，
黑曲霉、米曲霉和啤酒酵母菌放于 )’A的培养箱培
养 )K后，测定抑菌圈直径来确定香辛料油树脂对各
种菌的抑菌效力，抑菌圈直径越大，说明香辛料油树
脂的抑菌效果越好。
0,(! 香辛料油树脂在海藻酸钠膜中添加量的确定
! 根据香辛料油树脂的抑菌实验，选择综合抑菌效
果最佳的一种香辛料油树脂与海藻酸钠混合成膜。
分别制备香辛料油树脂的浓度为 ’B、&B、-B、
0’B、0,B、03B、0&B、0-B、,’B的抗菌膜。将膜裁
剪成大小相同的试样，放入稀释液中振荡 (C5D 后，
再分别吸取 0C*稀释液和未加入抗菌膜的原稀释液
均匀的涂布在固体培养基中。将培养皿放入恒温培
养箱培养 0K后，数出各培养皿的菌落数。根据抑菌
率来确定膜的抗菌性能。抑菌率计算公式为：
抑菌率（$’）I
O0 2 O’
O’
G 0’’B
式中：O’ 为未加入抗菌膜原稀释液的菌落数
（个）；O0 为加入抗菌膜稀释液的菌落数（个）。
#$ 结果与分析
#!$ 海藻酸钠膜的制备
!#$
!##$ 海藻酸钠浓度的确定$ 海藻酸钠的浓度对海
藻酸钠膜抗拉强度（!%）、断裂伸长率（%）、吸水率
（&）的影响结果见表 #。从表 # 可知，随着海藻酸钠
浓度的增加，膜的抗拉强度、断裂伸长率也随之增
加。这是因为影响抗拉强度的有关因素是聚合物的
结构、平均分子量和聚合物的分子排列。海藻酸钠
浓度越大，即单位体积内的分子数越多，成膜时高分
子链间的相互作用力越强，分子间交联越紧密，膜的
强度就越大。但是，海藻酸钠浓度太大，膜液粘度也
大，十分粘稠，不易脱气，涂层后易不均匀。综合考
虑，海藻酸钠膜的性能和不同浓度海藻酸钠的成膜
性能，最后选择海藻酸钠浓度为 ’(。
表 #$ 海藻酸钠浓度对膜的性能的影响
性能指标
海藻酸钠浓度（(）
#) #* !) !* ’) ’* +)
!%（,-.） #/0 #12 !)’ !#* !!0 !’* !++
%（(）
&（(）
!’
##/
!+
#!2
!*
#’’
!2
#+*
!/
#*!
!1
#2#
’#
#21
!#!$ 交联剂种类的选择$ 不同钙剂交联剂对膜性
能的影响结果见表 !。从表 ! 可以看出，所有的钙剂
都能改变海藻酸钠膜的性能，使其抗拉强度和断裂
伸长率提高，吸水率明显下降。但不同的钙交联剂
处理的海藻酸钠膜的性能存在差异。在相同的条件
下，氯化钙交联形成的膜的抗拉强度和断裂伸长率
最大，吸水率最小；其次是碳酸钙，再次是乳化钙，磷
酸钙交联作用最弱。所以氯化钙是一种理想的交联
剂，故选择氯化钙为海藻酸钠膜的交联剂。
表 !$ 不同交联剂对膜性能的影响
性能指标
交联剂
未交联 氯化钙 磷酸钙 乳酸钙 碳酸钙
!%（,-.） !2+ ’+’ !0 !/! ’)2
%（(） ’! +) ’’ ’* ’/
&（(） #*! ##+ #+/ #’2 #!0
!#’$ 交联剂浓度的确定$ 交联剂 3.34! 溶液浓度
对海藻酸钠膜的抗拉强度（!%）、断裂伸长率（%）的
影响结果见图 #，对吸水率（&）的影响结果见图 !。
图 #$ 3.34! 浓度对膜抗拉强度和断裂伸长率的影响
$ $ 由图 # 可知，随着 3.34! 浓度的增加，海藻酸钠
膜的抗拉强度（!%）显著增加，当 3.34! 的浓度为 +(
时，抗拉强度达到最大值，为 +##,-.，比海藻酸钠膜
（!2+,-.）提高了 **0(，证明由于 3.! 5交联一定程
度上改善了海藻酸钠膜的抗拉强度。海藻酸钠膜的
断裂伸长率（ %）的变化趋势与抗拉强度相似，当
3.34! 的浓度为 +(时，断裂伸长率达到最大值，为
++(，比海藻酸钠膜（’!(）提高了 ’0*(。力学性
能测试表明：当 3.34! 浓度为 +)(时，海藻酸钠膜的
图 !$ 3.34! 浓度对膜吸水率的影响
耐裂性和柔韧性提高最大。由图 ! 可知，海藻酸钠
膜的吸水率随着 3.34! 浓度的增加逐渐降低，这是因
为 3.34! 的交联导致抗菌膜的亲水性下降的缘故。
所以 3.34! 浓度为 +)(时效果最佳。
!#+$ 交联时间的确定$ 交联剂 3.34! 溶液交联的
时间对海藻酸钠膜的抗拉强度（!%）、断裂伸长率
（%）的影响结果见图 ’，对吸水率（&）的影响见图 +。
由图 ’ 可知，随着 3.34! 溶液交联时间的增加，海藻
酸钠膜的抗拉强度（!%）增加，当 6 7 !)89:时，抗拉强
度达到最大值，为 +/+,-.，比海藻酸钠膜（!2+,-.）
提高了 /’’(。海藻酸钠膜的断裂伸长率（%）的变
化趋势与抗拉强度相似，当 6 7 !)89: 时，断裂伸长率
达到最大值，为 *#(，比海藻酸钠膜（’!(）提高了
*1’(。力学性能测试表明：当 3.34! 浓度为 +)(，
交联时间为 !)89: 时，海藻酸钠膜的耐破性和柔韧
性提高最大。海藻酸钠膜的吸水率随着 3.34! 浓度
的增加逐渐降低，但当交联时间大于 !)89: 后，吸水
率随着时间的增加的变化不大。所以 3.34! 溶液对
海藻酸钠膜的交联时间选择 !)89:。
!!# 香辛料油树脂的抑菌实验结果
根据抑菌圈直径比较肉桂、花椒、辣椒、丁香油
树脂对各菌种的抑菌效果，结果见表 ’。
$ $ 由表 ’ 可以看出，丁香油和肉桂油树脂对提供
实验的 * 种微生物均有一定的抑菌活性。被抑制的
微生物中既包括细菌又包括霉菌，既有球菌又有杆
菌，这说明丁香油和肉桂油树脂都具有广谱抑菌作
用，综合考虑，丁香油树脂的抑菌活性最佳，尤其对
!#$
金黄色葡萄球菌最敏感。因此我们选择丁香油树脂
添加到海藻酸钠膜中来制备抗菌膜，同时在膜的抑
菌实验中选择金黄色葡萄球菌作为受试菌种。
表 ! 香辛料油树脂抑菌实验结果
实验菌种
香辛料种类
丁香 肉桂 花椒 辣椒
啤酒酵母 #$%& ’%& ( (
金黄色葡萄球菌 ))%) #’%$ ’%# (
大肠杆菌 *%+ ’%, ’%! (
米曲霉 #-%’ #-%! *%$ ’%-
黑曲霉 #&%- #&%+ ,%& ’%!
注：抑菌圈直径单位为%；以无菌水浸过的空白滤纸对照组的
抑菌圈直径均为 $；“ (”表示无抑菌圈。
!#$ 丁香油树脂在海藻酸钠膜中添加量的确定
丁香油树脂的含量对膜抑菌性能的影响结果见
表 -。其中空白组为未经任何处理的金黄色葡萄球
菌悬液。从表 - 可看出，加入丁香油树脂的抗菌膜
的抑菌率都为正数，说明丁香油树脂的加入使海藻
酸钠膜具有一定的抑菌性。而且随着丁香油添加量
的增加，抗菌膜的抑菌率基本呈增加的趋势，当丁香
油的含量为 #-.时，抗菌膜的抑菌率达到最大值，为
&#%$.。然而当丁香油的含量为 $. 时（海藻酸钠
膜），抑菌率为负数，这是因为海藻酸钠不具有抑菌
性，反而为金黄色葡萄球菌提供了其生长所需的碳
源，促进金黄色葡萄球菌的生长。因此丁香油树脂
在海藻酸钠膜中的最佳添加量为 #-.。
表 - 丁香油树脂含量对抗菌膜的抑菌效果的影响
丁香油含量
（.）
平板菌落数
（个）
实际菌数
（#$+ 个 / 01）
抑菌率
（.）
空白组 )#$ )%#$ $
$ ))+ )%)+ ( ,%#-
& #,- #%,- #,%#
’ #&# #%&# )!%!
#$ #-* #%-* )*%$
#) #)+ #%)+ -$%+
#- ’) $%’) &#%$
#& #!! #%!! !&%,
#’ #&, #%&, )$%+
)$ #’* #%’* #$%$
#$ 结论
花椒、辣椒、丁香和肉桂油树脂均具有一定的抑
菌性，但丁香油和肉桂油树脂具有广谱的抑菌性，且
抑菌性较好。其中丁香油树脂对金黄色葡萄球菌的
抑制效果最好。海藻酸钠具有很好的成膜性能，其
中以浓度为 !.时，成膜性能和膜的抗拉强度和断裂
伸长率最高。用钙剂对海藻酸钠膜进行交联可改善
膜的力学性能和透水性能，其中以 -.的 2324) 溶液
交联 )$056效果最佳。在海藻酸钠膜液中添加丁香
油树脂可以制备抗菌海藻酸钠膜，且随着其添加量
的增加，膜的抑菌效果越好，以 #-.的添加量抑菌效
果最佳。
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