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添加麝香草酚和丁香油的马铃薯淀粉基抗菌膜的制备及性能研究



全 文 :食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES
86 2013 Vol. 39 No. 1 (Total 301)
添加麝香草酚和丁香油的马铃薯淀粉基抗菌膜的
制备及性能研究*
王利强1,2,贾超1,卢立新1,2,谢甲有3
1(江南大学包装工程系,江苏 无锡,214122)
2(中国包装总公司食品包装技术与安全重点实验室,江苏 无锡,214122)
3(浙江海正药业股份有限公司,浙江 台州,318000)
摘 要 以马铃薯淀粉、普鲁兰多糖、明胶为成膜物质,甘油为增塑剂,氯化钙为交联剂,采用流延法制备马铃薯
淀粉基复合膜,研究了抗菌剂麝香草酚和丁香油对复合膜性能的影响。结果表明:麝香草酚和丁香油能够显著
影响复合膜的机械性能,增加复合膜的水蒸气透过率和水溶性,降低复合膜的透光率。添加抗菌剂的复合膜对
大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有较强的抑制作用,随着抗菌剂含量的增加,复合膜的抗菌作用逐渐增强,且添加
两种抗菌剂的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用均强于对大肠杆菌的抑制作用。
关键词 马铃薯淀粉,普鲁兰多糖,明胶,麝香草酚,丁香油,抗菌膜
第一作者:博士,副教授。
* 中央高校基本科研业务费专项资金(JUSRP21115) ;江南大学青
年基金(2007LQN18) ;中国包装总公司科技计划项目[2008]
114 号
收稿日期:2012 - 10 - 23,改回日期:2012 - 11 - 06
淀粉基复合膜是以淀粉为主要成膜物质,并与其
他多糖、蛋白质、脂肪结合在一起,通过不同分子之间
的相互作用而形成的具有多孔网络结构的薄膜。与
单膜相比,复合膜在性能上不仅能够取长补短,而且
可以相互协同,达到单膜所不具备的优异性能。淀粉
膜具有良好的拉伸性、透明度、耐折性、水不溶性和低
透气率等特点。其中,马铃薯淀粉膜在膜强度、柔韧
性、透明度和溶解度等方面都优于谷物淀粉所成的
膜[1]。普鲁兰多糖制成的薄膜透明,有光泽,强度
高,具有良好的热封性,透气性比其它高分子膜低,氧
气、氮气、二氧化碳、香气等气体几乎不能透过,且具
有抗油脂的特性[2]。明胶可食性膜具有阻氧性、防
止油脂迁移和抗微生物繁殖等作用,可用于包裹水分
含量低、含脂量高的食品或药物囊衣[3]。麝香草酚
又称百里香酚,最初发现于麝香草、薄荷科芬芳植物
和陈皮的精油中,具有防腐杀菌及抗氧化的作用[4]。
丁香为桃金娘科植物丁香的干燥花蕾,其性辛温,主
要成分是丁香酚,占丁香油含量的 80% ~ 95%。丁
香油具有较强的抗菌杀菌能力和抗氧化作用,可用作
食品保鲜剂,它的抑菌谱宽,对酵母、细菌、霉菌都有
较强的抑制力[5 - 6]。本文将麝香草酚和丁香油添加
到马铃薯淀粉基复合膜中,研究抗菌剂对复合膜机械
性能、水蒸气透过率、水溶性、透光率的影响,并采用
抑菌圈实验研究添加抗菌剂的复合膜对大肠杆菌和
金黄色葡萄球菌的抗菌效果,从而为抗菌可食膜的理
论研究和实际商业应用提供指导。
1 材料与方法
1. 1 材料与试剂
马铃薯淀粉、明胶、甘油、无水 CaCl2、牛肉浸膏、
琼脂粉、麝香草酚、NaOH,国药集团化学试剂有限公
司;普鲁兰多糖,河南所以化学试剂有限公司;丁香
油,中国医药(集团)上海化学试剂公司;鱼蛋白胨,
北京奥博星生物技术有限公司。
1. 2 仪器与设备
YJ501 超级恒温水浴锅,江苏省金坛市荣华仪器
制造有限公司;JB200 - S数字显示转速电动搅拌机,
上海标本模型厂;恒温恒湿试验机,庆声科技股份有
限公司;Q /ILBN2 - 2006CH - 1 - S 千分手式薄膜测
厚仪,上海六菱仪器厂;LRX Plus 型万能电子材料试
验机,英国 LLOYD公司;UV - 2802 型紫外可见光分
光光度计,尤尼柯(上海)仪器有限公司;SYQ - DSX
-280B型手提式压力蒸汽灭菌锅,上海申安医疗器
械厂;智能人工气候箱,常州诺基仪器有限公司;SW
- CJ - 1G 型单人净化工作台,苏净净化设备有限公
司;THZ - 85B 型台式恒温振荡器,常州诺基仪器有
限公司;SPX - 150B - Z 型生化培养箱,上海博迅实
业有限公司医疗设备厂。
1. 3 实验方法
生产与科研经验
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1. 3. 1 抗菌膜的制备
用 100 mL 去离子水溶解 3. 5 g 马铃薯淀粉,
80℃水浴糊化 20 min,加入 1 g 普鲁兰多糖和 0. 5 g
明胶,水浴搅拌 20 min,加入 0. 5 g 甘油和 0. 1 g
CaCl2,随后加入一定质量的麝香草酚或丁香油,用去
离子水定容到 200 mL,水浴搅拌 15 min,制成成膜物
质的质量分数为 2. 5%,抗菌剂的含量(w /v)为
0. 1%、0. 2%、0. 3%、0. 4%和 0. 5%的溶液,在有机
玻璃板上流延成膜,在 50℃干燥箱中烘干。冷却揭
膜,保存备用。
1. 3. 2 性能测试
1. 3. 2. 1 厚度测定
用千分手式薄膜测厚仪(测量精度为 0. 001
mm)在被测膜上随机取 5 点测定,取平均值。
1. 3. 2. 2 机械性能测定
根据 GB1040. 3 - 2006[7],将薄膜裁成 15 mm ×
150 mm的长条,在材料试验机上以 50 mm /min 的速
度测定薄膜的机械性能。
1. 3. 2. 3 水蒸气透过率(WVP)测定
水蒸气透过率(water vapor permeability,WVP)参
照王静平[8]所述的方法进行测定。
1. 3. 2. 4 水溶性测定[9]
将薄膜裁剪成 50 mm ×50 mm大小,与烧杯一起
干燥至恒重,称量薄膜的质量 m0 及薄膜与烧杯的总
质量 m1。在烧杯中加入 100 mL 水,室温下浸泡 24
h,倒掉水后将薄膜和烧杯干燥至恒重,称量薄膜与烧
杯的总质量 m2,计算水溶性(S) :
S /% = ( m1 -m2 ) /m0
1. 3. 2. 5 透光率测定[10]
将薄膜裁成长 100 mm、宽 12 mm 的矩形,紧贴
于比色皿一侧,在 600 nm波长下测定其透光率,以空
比色皿作为对照。
1. 3. 2. 6 抗菌性能测定
(1)菌种的活化与菌悬液的制备
将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌用牛肉膏蛋白胨
琼脂斜面培养基连续培养活化 2 次,从 2 次活化的斜
面培养基上取 1 菌环量的大肠杆菌和金黄色葡萄球
菌接种到装有 100 mL无菌牛肉膏蛋白胨液体培养基
的三角瓶中,于 37℃、每分钟振荡 120 次的往返式振
荡器中培养 12 h,得测试菌液。用无菌生理盐水对测
试菌液做 10 倍梯度稀释,取浓度为 107CFU /mL的菌
悬液备用
(2)抑菌圈实验
在超净工作台中,将熔化的牛肉膏蛋白胨琼脂固
体培养基倒入无菌培养皿中,每个培养皿中倒 15
mL,冷却得到培养基平板,用移液枪吸取 0. 2 mL 菌
悬液滴加到培养基平板上,用无菌涂布环将菌悬液涂
布均匀,制得含菌培养基平板,干燥 10 min。
用打孔器分别将不含抗菌剂的薄膜和含有抗菌
剂的薄膜打成直径为 6. 5 mm 的圆片,紫外灯下灭菌
30 min,用无菌镊子夹起薄膜放入含菌培养皿中,贴
放好后,用无菌镊子轻压膜片,使其紧贴于平板表面。
每个培养皿分别放置膜片 1 片,平行做 3 个培养皿。
盖好培养皿,倒置于 37℃生化培养箱中培养 18 ~ 24
h,观察结果。用游标卡尺测量抑菌圈的直径(包括
膜片)并做记录,用抑菌圈面积大小衡量薄膜的抗菌
效果。
抑菌面积 =抑菌圈整个面积 -膜片面积
2 结果与讨论
2. 1 抗菌剂对复合膜机械性能的影响
由图 1 可知,添加麝香草酚的复合膜抗拉强度先
减小后增加,而断裂伸长率先增加后减小。未添加麝
香草酚的复合膜的抗拉强度和断裂伸长率分别为
23. 93 MPa和 10. 51%。
图 1 麝香草酚对复合膜机械性能的影响
Fig. 1 Effect of thymol on the mechanical properties of
composite films
随着麝香草酚的添加,复合膜的抗拉强度先减
小,当麝香草酚的含量为 0. 2%时,复合膜的抗拉强
度减小到最小,最小抗拉强度为 14. 96 MPa,与未添
加麝香草酚的复合膜相比,减小了 37. 48%。随着麝
香草酚含量的继续增加,复合膜的抗拉强度开始增
加。复合膜的抗拉强度减小可能是由于麝香草酚使
复合膜的平均孔径增加造成的;随着麝香草酚含量的
增加,抗拉强度增加,可能是由于麝香草酚与成膜物
质之间形成了交联[11]。随着麝香草酚含量的增加,
复合膜的断裂伸长率先增加,当麝香草酚的含量为
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0. 2%时,复合膜的断裂伸长率达到最大,最大断裂伸
长率为 12. 14%,与未添加麝香草酚的复合膜相比,
增加了 15. 51%。随着麝香草酚含量的继续增加,复
合膜的断裂伸长率开始减小。薄膜的断裂伸长率代
表了薄膜拉伸的能力,通常抗拉强度的增加伴随着断
裂伸长率的减小。Jang 等[11]的研究结果表明,添加
麝香草酚的红藻-明胶复合膜的抗拉强度先减小后增
加,而断裂伸长率没有明显变化。
由图 2 可知,添加丁香油的复合膜抗拉强度先增
加后减小,而断裂伸长率呈先减小后增加的趋势。随
着丁香油含量的增加,复合膜的抗拉强度先增加,当
丁香油的含量为 0. 2%时,抗拉强度达到最大,最大
抗拉强度为 25. 13 MPa,与未添加丁香油的复合膜相
比,增加了 5. 01%。当添加的丁香油含量大于 0. 2%
时,复合膜的抗拉强度急剧减小,当丁香油含量为
0. 5%时,减小到了 17. 07 MPa。丁香油的主要成分
是丁香酚,占丁香油含量的 80% ~ 95%[6]。丁香酚
含有羟基,在复合膜中添加丁香油后,复合膜的抗拉
强度增加,可能是由于丁香酚所含的羟基与成膜物质
所含的羟基、氨基或羰基形成氢键,从而增加了成膜
物质之间的相互作用。而当丁香油含量较高时,过多
的丁香油会造成薄膜网络微观结构的破坏[12],因而
抗拉强度减小。复合膜的断裂伸长率随着丁香油含
量的增加先增加,当丁香油含量为 0. 1%时,断裂伸
长率增加到 13. 24%,随后开始减小,直到丁香油含
量为 0. 3%时,复合膜的断裂伸长率减小到最小,最
小断裂伸长率为 8. 44%,与未添加丁香油的复合膜
相比,减小了 19. 70%。随着丁香油含量的继续增
加,复合膜的断裂伸长率开始增加。
图 2 丁香油对复合膜机械性能的影响
Fig. 2 Effect of clove oil on the mechanical properties of
composite films
2. 2 抗菌剂对复合膜WVP的影响
由图 3 可知,在复合膜中添加麝香草酚和丁香
油,复合膜的 WVP 均增加。添加麝香草酚,复合膜
的 WVP增加,可能是由于添加麝香草酚后复合膜的
平均孔径增加[11],从而导致复合膜对水的渗透性提
高。添加丁香油,复合膜的 WVP 增加,可能是由于
丁香油的主要成分丁香酚的羟基与水相互作用,增加
了复合膜的含水量,从而使复合膜的渗透性增加。
图 3 抗菌剂对复合膜 WVP的影响
Fig. 3 Effect of antibacterial agents on the WVP of
composite films
Jang等[11]的研究结果表明,添加麝香草酚的红
藻-明胶复合膜的 WVP增加。而 Han 等[13]的研究结
果却表明,添加麝香草酚的低密度聚乙烯 /聚酰胺膜
的 WVP 减小。Wang 等[12]的研究结果表明,壳聚糖
膜中添加丁香油后,壳聚糖膜的 WVP增加。
2. 3 抗菌剂对复合膜水溶性的影响
图 4 抗菌剂对复合膜水溶性的影响
Fig. 4 Effect of antibacterial agents on the water-solubility
of composite films
由图 4 可知,添加麝香草酚的复合膜的水溶性先
增加后减小,而添加丁香油的复合膜的水溶性逐渐增
加。未添加抗菌剂的复合膜的水溶性为 25. 55%,随
着麝香草酚的加入,复合膜的水溶性逐渐增加,当麝
香草酚的含量为 0. 2%时,水溶性达到最大,最大水
溶性为 42. 27%,与未添加麝香草酚的复合膜相比,
增加了 65. 44%。随着麝香草酚含量的继续增加,复
合膜的水溶性开始减小。在复合膜中添加少量的麝
香草酚,造成了复合膜平均孔径的增加[11],因而水溶
性增加;随着麝香草酚含量的增加,复合膜的水溶性
生产与科研经验
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减小,这可能是由于麝香草酚与成膜物质之间形成了
交联[11],使复合膜的结构变得更加紧密,因而水溶性
减小。在复合膜中添加丁香油,复合膜的水溶性增
加,这主要是由于成膜物质与多元酚相互作用,从而
削弱了成膜物质之间的相互作用[14]。Gómez-Estaca
等[14]的研究结果表明,在明胶膜中添加丁香油会显
著增加薄膜的水溶性。
2. 4 抗菌剂对复合膜透光率的影响
由图 5 可知,在复合膜中添加麝香草酚和丁香
油,复合膜的透光率均先减小后增加。未添加抗菌剂
的复合膜的透光率为 84. 66%,随着抗菌剂的加入,
复合膜的透光率逐渐减小,当麝香草酚和丁香油的含
量分别为 0. 2%和 0. 3%时,复合膜的透光率均减小
到最小,最小透光率分别为 64. 40%和 64. 67%,与未
添加抗菌剂的复合膜相比,分别减小了 23. 93% 和
23. 61%。随着抗菌剂含量的继续增加,复合膜的透
光率又有所增加。
图 5 抗菌剂对复合膜透光率的影响
Fig. 5 Effect of antibacterial agents on the light
transmission rate of composite films
2. 5 抗菌剂对复合膜抗菌性能的影响
由图 6 可知,添加麝香草酚的复合膜对大肠杆菌
和金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积均随麝香草酚含量
的增加而增加。当麝香草酚的含量为 0. 1%时,复合
膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积分别
为 27. 63 mm2 和 36. 97 mm2。随着麝香草酚含量的
增加,抑菌圈面积逐渐增加,当麝香草酚含量为
0. 5%时,抑菌圈面积分别达到 46. 31 mm2 和 53. 46
mm2。
由图 6 还可以看到,除麝香草酚含量为 0. 4%
外,添加麝香草酚的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑菌
圈面积都大于对大肠杆菌的抑菌圈面积,说明添加麝
香草酚的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用强于
对大肠杆菌的抑制作用。这是由于麝香草酚是疏水
的,它能够破坏革兰氏阴性菌外面的膜,使其释放出
脂多糖,从而增加细胞质膜对 ATP 的渗透性[15]。研
究认为细菌的细胞膜结构是由两层磷脂分子组成的,
麝香草酚具有较强的表面活性和脂溶性,能迅速穿入
细胞膜,使其结构发生变化,引起膜的扩张和不稳定,
增加膜的流动性,从而破坏细胞的生理代谢,抑制细
菌正常的生理活动[16 - 17]。
图 6 麝香草酚对复合膜抗菌性能的影响
Fig. 6 Effect of thymol on the antibacterial properties of
composite films
Jang 等[11]的研究结果表明,添加麝香草酚的红
藻-明胶复合膜对大肠杆菌有抑制作用,且随着麝香
草酚浓度的增加,抑制作用增加。Gniewosz 等[18]的
研究结果表明,添加麝香草酚的普鲁兰多糖膜对金黄
色葡萄球菌的抑制作用强于对大肠杆菌的抑制作用。
Kuorwel等[19]的研究结果表明,用麝香草酚涂层的淀
粉基薄膜能够有效地抑制金黄色葡萄球菌的生长,且
抑菌效果随着麝香草酚浓度的增加而显著增加。
由图 7 可知,添加丁香油的复合膜对大肠杆菌和
金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积均随丁香油含量的增
加而增加。当丁香油的含量为 0. 1%时,复合膜对大
肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积分别为
28. 57 mm2 和 27. 63 mm2。从图中可以发现,当丁香
油含量较低时,添加丁香油的复合膜对大肠杆菌和金
黄色葡萄球菌的抑菌圈面积相差不大,其对大肠杆菌
的抑菌圈面积略大于对金黄色葡萄球菌的抑菌圈面
积。当丁香油含量大于 0. 3%时,添加丁香油的复合
膜对金黄色葡萄球菌的抑菌圈面积急剧增加,明显大
于对大肠杆菌的抑菌圈面积,说明当丁香油含量较高
时,添加丁香油的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑制作
用强于对大肠杆菌的抑制作用。当丁香油含量为
0. 5%时,复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑
菌圈面积分别达到 42. 00 mm2 和 55. 39 mm2。丁香
提取物的抗菌机理可能是与氨基糖苷类竞争性抑制
蛋白质的合成过程有关[20],而 Wendakoon 等[21]猜
测,丁香酚的羟基可能与蛋白质结合,从而阻止酶的
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作用。Gómez-Estaca等[14,22]的研究结果表明,添加丁
香油的明胶膜和明胶 /壳聚糖膜都能够抑制大肠杆菌
的生长。Wang 等[12]的研究结果也表明,添加丁香油
的壳聚糖膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用强于对大
肠杆菌的抑制作用。
图 7 丁香油对复合膜抗菌性能的影响
Fig. 7 Effect of clove oil on the antibacterial
properties of composite films
由图 6 和图 7 可以发现,添加麝香草酚和丁香
油的复合膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用都强于对
大肠杆菌的抑制作用。大肠杆菌是典型的革兰氏阴
性菌,而金黄色葡萄球菌是典型的革兰氏阳性菌,大
多数研究表明,精油对革兰氏阳性菌的抑制效果比对
革兰氏阴性菌的抑制效果好,这是因为革兰氏阴性菌
细胞壁周围有一层外膜,它限制了疏水性化合物通过
它的脂多糖覆盖物的扩散[16]。然而,也有一些研究
人员得出了相反的结论。Nutcha 等[23]证实,添加丁
香酚的纤维素基薄膜对大肠杆菌的抗菌效果比对金
黄色葡萄球菌的抗菌效果好。李京晶等[5]对丁香油
的抗菌试验研究表明,丁香油对大肠杆菌的抗菌活性
与对金黄色葡萄球菌的抗菌活性相当。
3 结论
通过研究天然抗菌剂麝香草酚和丁香油对马铃
薯淀粉基复合膜性能的影响,结果表明:麝香草酚和
丁香油能够显著影响复合膜的机械性能,增加复合膜
的水蒸气透过率和水溶性,降低复合膜的透光率。添
加抗菌剂的复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均
有较强的抑制作用,复合膜的抗菌效果随着抗菌剂含
量的增加而逐渐增强,且添加这两种抗菌剂的复合膜
对金黄色葡萄球菌的抑制作用均强于对大肠杆菌的
抑制作用。
参 考 文 献
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Study on preparation and properties of potato starch-based antimicrobial films
containing thymolor clove oil
Wang Li-qiang1,2,Jia Chao1,Lu Li-xin1,2,Xie Jia-you3
1(Department of Packaging Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)
2(Key Laboratory of Food Packaging Techniques and Safety of China National Packaging Corporation,Wuxi 214122,China)
3(Zhejiang Hisun Pharmaceutical Co.,Ltd,Taizhou 318000,China)
ABSTRACT Potato starch-based composite films were obtained by casting using potato starch,pullulan,gelatin as
film-forming material,glycerol as plasticizer,calcium chloride as cross-linking agent. The effects of the contents of
thymol and clove oil on the properties of composite films were investigated. The results showed that thymol and clove
oil could affect the mechanical properties of the composite films significantly,increase the water vapor permeability
and water-solubility of the composite films,and reduce the light transmission rate of the composite films. Composite
films containing antimicrobial agents had strong inhibitory effect on E. coli and Staphylococcus aureus,the antimicrobi-
al effect of the composite films increased gradually with the increasing contents of antimicrobial agents. In addition,
composite films containing antibacterial agents had stronger inhibitory effect on Staphylococcus aureus than E. coli.
Key words potato starch,pullulan,gelatin,thymol,clove oil,antimicrobial films