CN102775624A - 一种交联明胶抗菌膜材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交联明胶抗菌膜材料的制备方法，包括以下步骤：（1）在明胶水溶液中加入甘油；（2）在步骤（1）得到的溶液中加入抗菌剂，搅拌溶解；（3）再加入交联剂，在45～55℃磁力搅拌反应20～40min；（4）将步骤（3）得到的物料真空脱气后成膜；所述抗菌剂为乳酸链球菌素或溶菌酶。本发明方法可以科学调控抗菌剂在膜材料中的释放速率，达到控释的目的，可用于食品的内包装材料，旨在解决食品储存过程中由于微生物在表面滋生引起的食品安全问题，本发明所制备的蛋白-溶菌酶/nisin复合抗菌膜材料对于提高食品品质，延长食品货架期具有很大应用潜能。
Description
技术领域
本发明涉及抗菌膜材料的制备方法，具体涉及一种交联明胶抗菌膜材料的制备方法。
背景技术
保护环境，节约资源已成为世界各国实现可持续发展的基本战略。曾经为人类带来极大方便的塑料制品造成的环境污染以及对能源的消耗越来越受到广泛关注。由于我国人口基数巨大，经济高速增长，非降解塑料的生产和消费量呈爆炸式增长，已造成严重的环境污染和大量的能源消耗。生物大分子如蛋白、多糖和油脂等具有良好的成膜性、生物相容性和生物可降解性，是石油副产物制成的聚乙烯薄膜的良好替代品。以蛋白质、多糖或油脂等生物大分子以单组分或是复合物为基质的膜材料可以有效地阻隔食物中的水分、气体以及芳香物质的散失。具有如此多优点的生物可降解材料可以用来部分替代塑料制品的使用。作为可食性膜材料之一的蛋白质又由于营养性和良好的成膜性而备受重视。
食品储藏过程中的安全问题一直是食品行业关注的热点问题。滋生在食品表面的微生物是导致其腐败变质的重要因素，传统喷涂方式的局限性在于抗菌剂快速向食品主体扩散，如山梨酸钾在中等水分食品中扩散速率高达10-10 m2/s数量级。通过构建环境友好的蛋白-抗菌剂膜材料，利用膜材料对外源微生物的阻隔性以及抗菌剂的控制性释放，抑制食品表面微生物的生长，为解决食品安全问题提供了新思路。膜材料的抗菌活性取决于迁移至食品表面的抗菌剂浓度，该浓度可以通过科学地调控抗菌剂在膜材料中的扩散行为来实现。国外学者对抗菌膜的研究局限于对膜的抗菌性研究和抗菌剂释放动力学的表征，而关于抗菌剂扩散行为的调控及相关机制的研究则很少涉及。
本研究旨在构建蛋白-溶菌酶/乳酸链球菌素复合抗菌膜材料，从材料学的视角出发，通过调控膜材料的微结构和润湿性，改善膜材料机械性能和水汽阻隔性能的同时也控制抗菌剂释放通道的形成和舒张度，科学地设计和调控抗菌剂的释放速率。该研究的科学意义在于通过设计膜材料的微结构和润湿性控制抗菌剂释放速率，有助于解决食品储藏过程中的安全问题，开拓了抗菌膜材料研究的新视角；抗菌剂缓释机理研究为抗菌膜材料控制释放理论研究奠定基础；环境友好膜材料的构建有助于解决生物不可降解塑料制品使用带来的“白色污染”问题。
发明内容
本发明的目的在于针对食品储存过程中存在的微生物滋生腐败问题，提供一种交联明胶抗菌膜材料的制备方法。在明胶蛋白基质中添加溶菌酶/乳酸链球菌素等具有抗菌效果的生物活性物质，并且利用交联剂-原花青素和京尼平来改善明胶膜材料的微结构的孔隙度和捕获度，调控抗菌剂在膜材料中的分布和形态，科学控制抗菌剂的扩散速率，从而达到抗菌剂的控释作用。所制备的明胶-溶菌酶/乳酸链球菌素抗菌膜材料对微生物有较强抑制生长的作用，抗菌剂的缓慢释放可以延长食品货架期。
本发明一种交联明胶抗菌膜材料的制备方法包含以下步骤：
（1）在明胶水溶液中加入甘油；
（2）在步骤（1）得到的溶液中加入抗菌剂，搅拌溶解；
（3）再加入交联剂，在45～55℃磁力搅拌反应20～40min；
（4）将步骤（3）得到的物料真空脱气后成膜；
所述抗菌剂为乳酸链球菌素或溶菌酶。
所述的交联剂优选为京尼平或原花青素。
所述京尼平和原花青素的用量均优选为明胶重量的0.25%～4.0%。
所述乳酸链球菌素的加入量优选为每100mL步骤（1）所得溶液加入40～100mg乳酸链球菌素。
所述溶菌酶的加入量优选为每100mL步骤（1）所得溶液加入40～100mg溶菌酶。
所述明胶水溶液的浓度优选为5%w/v。
另外本发明的一种优选方式是：步骤一还包括加入所述甘油前将明胶水溶液在50℃充分水化，调节明胶水溶液pH值为5.5～7.0的步骤。
所述甘油的加入量优选为明胶质量的40%。
抗菌试验所选用的微生物包括大肠杆菌E.coli，金黄色葡萄球菌，单增李斯特菌，肠炎沙门氏杆菌四种食品中常见的细菌。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
一．选用明胶制备膜材料，可以提高农副产品的附加值。明胶是一种动物性蛋白，由皮肤、韧带、肌腱中的胶原经热变性或物理化学降解而得，因其低廉的价格和广泛的来源，同时具有良好的成膜性，作为可食性膜材料被广泛应用；
二．选用天然植物交联剂修饰蛋白膜的微结构，避免使用化学交联剂带来的毒性和生物难降解性。在蛋白基质中添加原花青素和京尼平，通过科学控制膜材料微结构的孔隙度和捕获度，控制抗菌剂扩散通道的形成及形态，同时显著提高膜材料的稳定性和机械特性；
三．选用具有抗菌活性的溶菌酶和乳酸链球菌素作为活性物质，可以有效抑制食品中常见微生物的滋生，延长食品货架期。溶菌酶是一种具有抗菌活性的蛋白质，存在于鸡蛋清、植物和动物分泌物质中。乳酸链球菌素是世界卫生组织批准的唯一可以用作食品添加剂的生物素。这些来源于天然的生物抑菌剂近年来受到社会广泛关注，对于解决微生物尤其是细菌的抗药性问题有良好的借鉴作用。该发明构建的明胶基质的抗菌膜材料通过对外源微生物的物理阻隔以及缓释的溶菌酶/乳酸链球菌素的抑菌作用，可以有效抑制食品表面微生物的生长，为解决食品安全问题提供了新思路。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明做进一步地详细说明。
发明人对本发明进行了深入地创造性研究和试验，有许多成功的实施例，下面列举八个具体的实施例。
实施例1
第一步 制备成5%（w/w）的明胶水溶液，充分水化后调节溶液pH值为6.5，加入40%（w/w明胶）甘油，搅拌均匀；
第二步 将步骤一中得到的溶液中入溶菌酶，添加量为50mg/100mL（溶液）；
第三步 将步骤二中得到的溶液中加入原花青素，添加量为2.0%（w/w明胶）。物料真空脱气（0.8 MPa，3min）后量取45 mL体积的成膜液倒入有机玻璃盒中，放置于25℃，40% RH的恒温恒湿箱中干燥36 h成膜。
本实施例对添加不同浓度溶菌酶的复合膜材料进行性能测试，包括抗拉强度、断裂伸长率等机械性能，膜材料的溶胀率以及抗菌活性等，本实施例中溶菌酶的浓度分别为40，50，60，80，100 mg/100 mL，其它条件不变，试验结果如表1所示。
表1不同溶菌酶含量明胶-原花青素交联抗菌膜的物理特性和抗菌活性
| 溶菌酶含量（mg/mL） | 抗拉强度(MPa) | 断裂伸长率(%) | 水汽透过率(WVP/g.m-1.s-1.Pa-1.10-10) | 溶胀率（%） | 抗菌活性 |
| 0 | 10.72±0.35a | 92.13±9.37a | 3.73±0.56a | 1708.28±58.82a | - |
| 40 | 10.95±1.68a | 90.48±8.10b | 3.62±0.43a | 1687.31±53.76a | ++ |
| 50 | 10.65±2.12a | 87.38±8.13b | 3.63±0.36a | 1694.78±59.38a | +++ |
| 60 | 10.73±2.43a | 88.54±7.63b | 3.57±0.28a | 1689.23±56.44a | +++ |
| 80 | 10.58±1.89a | 86.17±7.39b | 3.87±0.35a | 1683.78±43.52a | +++ |
| 100 | 11.37±0.51a | 93.75±6.07a | 3.75±0.14a | 1700.74±55.88a | ++++ |
通过测定发现，随着溶菌酶含量增大（从40 mg/100mL到100 mg/100mL），膜材料的抗拉强度以及断裂伸长率和水汽透过系数变化不大，溶胀系数略有减小（从1708.28%到1700.74%）。说明溶菌酶对膜材料的物理性能影响较小。这是因为溶菌酶添加量很小，被交联剂交织在膜材料网络结构中，对膜材料性能的影响较小。但随着溶菌酶浓度增加，膜材料的抑菌活性显著提高，且在浓度为50mg/100mL时，膜材料的抑菌效果显著。
实施例2
第一步 制备5%（w/w）的明胶水溶液，充分水化后调节溶液pH值为5.5，加入40%（w/w明胶）甘油，搅拌均匀；
第二步 将步骤一中得到的溶液中入乳酸链球菌素，浓度为50mg/100mL；
第三步 将步骤二中得到的溶液中加入交联剂-原花青素，浓度为2.0%（w/w明胶）。物料真空脱气（0.8MPa，3min）后量取45mL体积的成膜液，倒入有机玻璃盒中，放置于25℃，40%RH的恒温恒湿箱中干燥36h成膜。
本实施例对添加不同浓度乳酸链球菌素的复合膜材料进行性能测试，包括抗拉强度、断裂伸长率等机械性能，溶胀率以及抗菌活性等，本实施例中乳酸链球菌素的浓度分别为40，50，60，80，100mg/100mL，其它条件不变，试验结果如表2所示。
表2不同nisin含量明胶-原花青素交联抗菌膜材料的物理特性和抗菌活性
| 乳酸链球菌素含量（mg/mL） | 拉伸强度(MPa) | 断裂伸长率(%) | 水汽透过率(WVP/g.m-1.s-1.Pa-1.10-10) | 溶胀率（%） | 抗菌活性 |
| 0 | 11.37±2.18d | 76.12±2.23a | 4.13±0.14a | 1658.32±43.21a | - |
| 40 | 11.95±1.68b | 69.28±3.13c | 4.22±0.32a | 1627.53±46.77a | ++ |
| 50 | 12.35±2.12b | 73.48±2.41b | 4.43±0.23a | 1624.22±49.65a | ++ |
| 60 | 11.73±2.43c | 68.64±4.62c | 4.27±0.97a | 1626.58±54.85a | ++ |
| 80 | 12.20±1.89b | 67.17±3.58c | 3.87±0.22a | 1613.42±43.73a | +++ |
| 100 | 13.02±2.48a | 72.38±3.18b | 3.92±0.13a | 1631.74±52.43a | ++++ |
通过测定发现，不同浓度的乳酸链球菌素对膜材料性能的影响与溶菌酶相似。随着乳酸链球菌素含量增大（从40mg/100mL到100mg/100mL），膜材料的抗拉强度呈现较弱的增大趋势（11.37MPa到13.02MPa），断裂伸长率和水汽透过系数变化不大，溶胀系数略有减小，但是不同浓度样品间没有显著性差异。说明乳酸链球菌素对膜材料的物理性能影响较小。这是因为乳酸链球菌素添加量很小，被交联剂固定在膜材料网络结构中，对膜材料性能的影响较小。随着溶菌酶浓度增加，膜材料的抑菌活性显著提高。
实施例3
第一步 制备5%（w/w）的明胶水溶液，充分水化后调节溶液pH值为6.5，加入40%（w/w明胶）甘油，搅拌均匀；
第二步 将步骤一中得到的溶液中入溶菌酶，浓度分别为50mg/100mL；
第三步 将步骤二中得到的溶液中加入交联剂-京尼平（Genipin），浓度为2.0%。物料真空脱气（0.8MPa，3min）后量取45mL体积的成膜液倒入有机玻璃盒中，放置于25℃，40%RH的恒温恒湿箱中干燥36h成膜；
本实施例对添加不同浓度的交联剂京尼平（Genipin）复合膜材料进行性能测试，包括抗拉强度、断裂伸长率等机械性能，溶胀率以及抗菌活性等，本实施例中京尼平的浓度分别为0.25%，0.5%，1.0%，2.0%和4.0%（w/w明胶），其它条件不变，试验结果如表3所示。
表3 不同浓度Genipin交联明胶-溶菌酶抗菌膜材料的物理特性和抗菌活性
| 京尼平含量（w/w明胶） | 抗拉强度(MPa) | 断裂伸长率(%) | 水汽透过率(WVP/g.m-1.s-1.Pa-1.10-10) | 溶胀率（%） | 抗菌活性 |
| 0 | 9.72±1.44c | 75.79±11.99a | 4.09±0.21a | 1316.41±52.87a | +++++ |
| 0.25% | 13.92±0.87b | 71.63±13.35b | 3.78±0.32b | 629.73±25.27b | ++++ |
| 0.5% | 15.00±0.96b | 68.24±18.94c | 3.82±0.43b | 339.70±11.47c | +++ |
| 1.0% | 19.11±1.75a | 67.54±10.28c | 3.97±0.91a | 213.70±15.67d | ++ |
| 2.0% | 19.41±1.75a | 65.02±9.34d | 3.87±0.30b | 190.10±17.19d | + |
| 4.0% | 21.32±1.59a | 62.56±8.38e | 3.73±0.32c | 176.23±16.13d | + |
通过实验发现，随着京尼平浓度增大，交联膜材料的抗拉强度显著增加（从9.72MPa增加到21.32MPa），而断裂伸长率显著下降（从75.79%降为62.56%），说明随着京尼平（Genipin）浓度的增大，交联明胶复合膜材料的网络结构更加致密，抗拉强度显著增大。相应的柔韧性变差。此外，膜材料水汽透过系数（4.09g.m-1.s-1.Pa-1.10-10到3.73g.m-1.s-1.Pa-1.10-10）以及溶胀性（从1316.41%下降到176.23%）也随着浓度增加而下降。这可能因为交联后，膜材料微结构的孔隙度减小，网络结构更为致密，增加了水分子在膜材料中的渗透路径，降低了其渗透速率。溶菌酶的释放同样受到网络结构的束缚，随着京尼平（Genipin）浓度增加，膜材料中释放出的溶菌酶含量减小，其抑菌活性减小。
实施例4
第一步 明胶制备成5%（w/w）的水溶液，充分水化后调节溶液pH值为6.5，加入40%（w/w明胶）甘油，搅拌均匀；
第二步 将步骤一得到的溶液中入nisin，浓度分别为40，50，60，80，100mg/100mL；
第三步 将步骤二得到的溶液中加入交联剂-京尼平(Genipin)，浓度为2.0%（w/w明胶）。物料真空脱气（0.8MPa，3min）后量取45mL体积的成膜液倒入有机玻璃盒中，放置于25℃，40%RH的恒温恒湿箱中干燥36h成膜；
本实施例对添加不同浓度交联剂Genipin的复合膜材料进行性能测试，包括抗拉强度、断裂伸长率等机械性能，溶胀率以及抗菌活性等，本实施例中乳酸链球菌素（nisin）的浓度分别为40，50，60，80，100mg/100mL，其它条件不变，试验结果如表4所示。
表4 不同nisin含量的Genipin交联抗菌膜材料的材料的物理特性和抗菌活性
| 乳酸链球菌素含量（mg/100mL） | 拉伸强度(MPa) | 断裂伸长率(%) | 水汽透过率(WVP/g.m-1.s-1.Pa-1.10-10) | 溶胀率（%） | 抗菌活性 |
| 0 | 11.87±1.81a | 52.13±7.64c | 5.23±0.12a | 269.10±17.19b | - |
| 40 | 11.95±1.68a | 50.48±8.10d | 4.92±0.13b | 248.23±12.73c | ++ |
| 50 | 12.35±2.12a | 53.38±8.13c | 5.43±0.14a | 274.39±22.91a | +++ |
| 60 | 12.73±2.43a | 58.54±7.63b | 5.27±0.07a | 281.22±18.29a | +++ |
| 80 | 12.20±1.89a | 62.17±7.39a | 4.87±0.24c | 228.32±12.09d | +++ |
| 100 | 13.05±2.13b | 60.28±6.89a | 4.77±0.27c | 289.74±14.99a | ++++ |
通过实验发现，随着乳酸链球菌素（nisin）浓度增大，交联膜材料的抗拉强度和断裂伸长率没有显著变化，说明乳酸链球菌素的添加对膜材料的机械性能和水汽透过系数没有显著性影响，但是随着乳酸链球菌素（nisin）的浓度增加，膜材料的抗菌活性显著增加，在40mg/100mL时已经有很强的抑菌活性，且乳酸链球菌素对革兰氏阳性菌的抗菌活性更强。
实施例5
第一步 明胶制备成5%（w/w）的水溶液，充分水化后调节pH为6.5，加入40%（w/w明胶）甘油，搅拌均匀；
第二步 将步骤一得到的溶液中入溶菌酶，浓度分别为50mg/100mL；
第三步 将步骤二得到的溶液中加入交联剂-原花青素，浓度分别为0.25%，0.5%，1.0%，2.0%，4.0%（w/w明胶），物料真空脱气（0.8MPa，3min）后量取45mL体积的成膜液倒入有机玻璃盒中，放置于25℃，40%RH的恒温恒湿箱中干燥36h成膜；
本实施例对添加不同浓度原花青素的明胶-溶菌酶复合膜材料进行性能测试，包括抗拉强度、断裂伸长率等机械性能，溶胀率以及抗菌活性等，本实施例中原花青素的浓度分别为0.25%，0.5%，1.0%，2.0%，4.0%（w/w明胶），其它条件不变，试验结果如表5所示。
表5含溶菌酶(lysozyme)的明胶-原花青素交联抗菌膜材料的物理特性和抗菌活性
| 原花青素含量（w/w明胶） | 拉伸强度(MPa) | 断裂伸长率(%) | 水汽透过率(WVP/g.m-1.s-1.Pa-1.10-10) | 溶胀率（%） | 抗菌活性 |
| 0 | 12.28±2.23b | 77.43±6.83a | 5.35±0.33a | 1708.28±58.82a | ++++ |
| 0.25% | 14.95±1.68a | 70.48±8.10b | 4.22±0.14b | 1756.03±57.34a | +++ |
| 0.5% | 15.35±2.12a | 63.38±8.13d | 4.43±0.35b | 1717.31±40.60a | +++ |
| 1.0% | 15.73±2.43a | 65.54±7.63c | 4.27±0.28b | 1710.22±56.09a | ++ |
| 2.0% | 16.20±1.89a | 62.17±7.39d | 3.87±0.24c | 1700.74±55.88a | + |
| 4.0% | 16.76±2.63a | 61.26±5.86d | 3.95±0.15c | 1709.94±70.57a | + |
通过实验发现，与对照相比，交联后的膜材料抗拉强度整体显著增加（从12.28MPa增加到16.76MPa）而断裂伸长率下降（从77.43%到61.26%），交联后水汽透过系数显著减小（5.35 g.m-1.s-1.Pa-1.10-10到3.95 g.m-1.s-1.Pa-1.10-10），表明原花青素交联可以显著提高膜材料的机械性能和耐水性。但不同交联程度的膜材料样品在机械性能和水汽透过系数的变化不显著。这是因为试验选用的低聚原花青素与明胶分子通过氢键和弱静电作用交联，作用力较弱，因此原花青素交联对膜材料机械性能以及水汽透过系数影响较小。但抑菌和释放动力学试验表明，原花青素可以起到调控膜材料微结构的孔隙度的目的，控制溶菌酶在膜材料中的分布，进而调控溶菌酶的释放速率。
实施例6
第一步 制备5%（w/w）的明胶水溶液，充分水化后调节溶液pH值为6.5，加入40%（w/w明胶）的甘油，搅拌均匀；
第二步 将步骤一得到的溶液中入溶菌酶，浓度分别为50mg/100mL；
第三步 将步骤二得到的溶液中加入0.5%（w/w明胶）交联剂京尼平，浓度分别为0.25%，0.5%，1.0%，2.0%，4.0%，物料真空脱气（0.8MPa，5min）后量取45mL体积的成膜液倒入有机玻璃盒中，放置于25℃，40%RH的恒温恒湿箱中干燥36h成膜；
本实施例对添加不同浓度京尼平的明胶-溶菌酶复合膜材料进行性能测试，包括抗拉强度、断裂伸长率等机械性能，溶胀率以及抗菌活性等，本实施例中京尼平的浓度分别为0.25%，0.5%，1.0%，2.0%，4.0%（w/w明胶），其它条件不变，试验结果如表6所示。
表6含溶菌酶的明胶-京尼平交联抗菌膜材料的物理特性和抗菌活性
| 京尼平含量（w/w明胶） | 拉伸强度(MPa) | 断裂伸长率(%) | 水汽透过率(WVP/g.m-1.s-1.Pa-1.10-10) | 溶胀率（%） | 抗菌活性 |
| 0 | 12.28±2.23e | 77.43±6.83a | 5.35±0.33a | 1316.49±52.87a | ++++ |
| 0.25% | 12.95±1.68e | 71.23±5.43b | 5.22±0.23a | 629.73±25.27b | +++ |
| 0.5% | 15.63±3.42d | 64.75±4.13c | 4.43±0.34b | 339.72±11.47c | +++ |
| 1.0% | 18.73±1.63c | 59.44±6.63d | 4.27±0.57b | 213.71±15.67d | ++ |
| 2.0% | 22.32±1.39b | 52.17±7.39e | 3.87±0.23b | 190.10±17.19d | ++ |
| 4.0% | 29.87±2.45a | 48.38±4.87f | 3.28±0.53c | 162.29±15.21e | + |
通过实验发现，与未交联的对照膜材料相比，京尼平（Genipin）交联后的膜材料抗拉强度由12.28MPa增加到29.87MPa，而断裂伸长率由77.43%下降至48.38%，交联后水汽透过系数显著减小，表明京尼平（Genipin）交联可以显著提高膜材料的机械性能和耐水性。且不同交联程度样品间在机械性能和水汽透过系数间的差异显著，随着交联程度增加，膜材料的抗拉强度显著增加而断裂伸长率显著下降，且水汽透过系数和溶胀率显著降低，由1316.49%降到162.29%，下降了近90%。这源于京尼平与明胶分子通过共价键交联，作用力较强，对膜材料机械性能以及水汽透过系数影响较大。同时，抑菌试验表明，京尼平可以显著调控膜材料微结构的孔隙度，控制溶菌酶在膜材料中的分布，进而调控溶菌酶的释放速率。
实施例7
第一步 制备成5%（w/w）的明胶溶液，充分水化后调节溶液pH值为6.5，加入40%（w/w明胶）甘油，搅拌均匀；
第二步 将步骤一得到的溶液中入乳酸链球菌素（nisin），浓度分别为50mg/100mL；
第三步 将步骤二得到的溶液中加入交联剂-原花青素，浓度分别为0.25%，0.5%，1.0%，2.0%，4.0%，物料真空脱气（0.8MPa，5min）后量取45mL体积的成膜液倒入有机玻璃盒中，放置于25℃，40%RH的恒温恒湿箱中干燥36h成膜；
本实施例对添加不同浓度原花青素的明胶-乳酸链球菌素（nisin）复合膜材料进行性能测试，包括抗拉强度、断裂伸长率等机械性能，溶胀率以及抗菌活性等，本实施例中京尼平的浓度分别为0.25%，0.5%，1.0%，2.0%，4.0%（w/w明胶），其它条件不变，试验结果如表7所示。
表7含nisin的原花青素交联抗菌膜材料的物理特性和抗菌活性
| 原花青素含量（w/w明胶） | 拉伸强度(MPa) | 断裂伸长率(%) | 水汽透过率(WVP/g.m-1.s-1.Pa-1.10-10) | 溶胀率（%） | 抗菌活性 |
| 0 | 12.28±2.23b | 77.43±6.83a | 5.35±0.33a | 1708.28±58.82a | ++++ |
| 0.25% | 12.65±2.18b | 74.16±8.42b | 4.92±0.53b | 1726.56±39.24a | +++ |
| 0.5% | 13.35±1.52b | 66.54±8.87d | 4.56±0.75b | 1718.34±43.42a | +++ |
| 1.0% | 15.54±1.53a | 65.21±7.15c | 4.34±0.38b | 1726.62±46.19a | ++ |
| 2.0% | 16.43±1.29a | 65.35±7.27d | 3.92±0.44c | 1710.55±57.18a | + |
| 4.0% | 16.76±1.65a | 62.24±6.93d | 3.68±0.64c | 1704.94±60.27a | + |
通过实验发现，原花青素交联后与未交联膜材料相比，交联后的膜材料抗拉强度整体显著增加（从12.28MPa增加到16.76MPa）而断裂伸长率下降（从77.43%降至62.24%），交联后水汽透过系数显著减小（5.35 g.m-1.s-1.Pa-1.10-10降为3.68 g.m-1.s-1.Pa-1.10-10），但变化幅度较小，原花青素交联后可以较为显著得提高膜材料的机械性能和耐水性。但不同交联程度的膜材料样品间在机械性能和水汽透过系数的变化不显著。这是因为试验所选用的低聚原花青素与明胶分子通过氢键和弱静电作用交联，作用力较弱，对膜材料机械性能以及水汽透过系数影响较小。但抑菌和释放动力学试验表明，不同样品间溶菌酶的释放速率有显著差异，表明原花青素可以调控膜材料微结构的孔隙度，控制溶菌酶在膜材料中的分布，进而有效调控溶菌酶的释放速率。
实施例8
第一步 明胶制备成5%（w/w）的溶液，充分水化后调节溶液pH值为6.5，加入40%（w/w明胶）甘油，搅拌均匀；
第二步 将步骤一得到的溶液中入nisin，浓度分别为50mg/100mL；
第三步 将步骤二得到的溶液中加入0.5%（w/w明胶）交联剂-京尼平(Genipin)，浓度分别为0.25%，0.5%，1.0%，2.0%，4.0%，物料真空脱气（0.8MPa，5min）后量取45mL体积的成膜液倒入有机玻璃盒中，放置于25℃，40%RH的恒温恒湿箱中干燥36h成膜；
本实施例对添加不同浓度京尼平（Genipin）的明胶-乳酸链球菌素（nisin）复合膜材料进行性能测试，包括抗拉强度、断裂伸长率等机械性能，溶胀率以及抗菌活性等，本实施例中京尼平的浓度分别为0.25%，0.5%，1.0%，2.0%，4.0%（w/w明胶），其它条件不变，试验结果如表8所示。
表8含nisin的京尼平（Genipin）交联抗菌膜材料的物理特性和抗菌活性
| 京尼平含量（w/w明胶） | 拉伸强度(MPa) | 断裂伸长率(%) | 水汽透过率(WVP/g.m-1.s-1.Pa-1.10-10) | 溶胀率（%） | 抗菌活性 |
| 0 | 12.28±2.23e | 77.43±6.83a | 5.35±0.33a | 1316.49±52.87a | ++++ |
| 0.25% | 12.86±1.36e | 75.75±6.14a | 5.46±0.54a | 745.32±46.42b | +++ |
| 0.5% | 14.54±2.15d | 68.45±5.63b | 5.32±0.49a | 492.48±25.18c | +++ |
| 1.0% | 16.41±1.58c | 63.26±6.32b | 4.69±0.37b | 283.38±34.42d | ++ |
| 2.0% | 20.47±1.87b | 57.42±5.79c | 4.12±0.56c | 217.87±37.42d | ++ |
| 4.0% | 28.26±2.26a | 52.17±4.59c | 3.85±0.63c | 154.18±26.33e | - |
通过实验发现，与未交联的对照膜材料相比，京尼平交联后的膜材料抗拉强度由12.28MPa增加到28.26MPa，而断裂伸长率由77.43%下降至52.17%，交联后水汽透过系数显著减小，表明京尼平交联可以显著提高膜材料的机械性能和耐水性。且不同交联程度的样品在机械性能和水汽透过系数间的差异显著，随着交联程度增加，膜材料的抗拉强度显著增加而断裂伸长率和水汽透过系数显著下降，膜材料的溶胀率显著降低，由1316.49%降到154.18%，下降了近90%。与同样浓度下原花青素交联膜材料相比，京尼平的交联作用更显著，对膜材料的机械性能和溶胀率的影响更大。这源于京尼平与明胶分子通过共价键交联，作用力较强，对膜材料机械性能以及水汽透过系数影响较大。同时，抑菌试验表明，京尼平可以显著调控膜材料微结构的孔隙度，控制溶菌酶在膜材料中的分布，进而调控溶菌酶的释放速率。
注：对于以上数据，抗菌膜的机械性能根据ASTM D638-91标准，用质构分析仪TA-XT2i测定，拉伸速率为2mm/s；抗菌膜的水汽透过率根据ASTM E96-95的标准测量；抗菌活性的测定根据JISZ2801，使用抑菌圈测试方法。
Claims (8)
1.一种交联明胶抗菌膜材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）在明胶水溶液中加入甘油；
（2）在步骤（1）得到的溶液中加入抗菌剂，搅拌溶解；
（3）再加入交联剂，在45～55℃磁力搅拌反应20～40min；
（4）将步骤（3）得到的物料真空脱气后成膜；
所述抗菌剂为乳酸链球菌素或溶菌酶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的交联剂为京尼平或原花青素。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述京尼平和原花青素的用量均为明胶重量的0.25%～4.0%。
4. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述乳酸链球菌素的加入量为每100mL步骤（1）所得溶液加入40～100mg乳酸链球菌素。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述溶菌酶的加入量为每100mL步骤（1）所得溶液加入40～100mg溶菌酶。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述明胶水溶液的浓度为5%w/v。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤一还包括加入所述甘油前将明胶水溶液在50℃充分水化，调节明胶水溶液pH值为5.5～7.0的步骤。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述甘油的加入量为明胶质量的40%。
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