CN103434229B - 一种多层定向控释抗菌膜及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层定向控释抗菌膜及其制备方法与应用。该方法步骤如下：1）配制PLA溶液；2）加入甘油，倒膜，得到PLA膜；3）将玉米醇溶蛋白溶解到乙醇-水溶液中；4）在步骤3）中的溶液中添加儿茶素；5）将步骤4）中的混合溶液在沸水中暴沸；6）将步骤5）中所得的混合溶液采用涂布机涂在步骤2）中所得的PLA膜上得双层膜；7）配制卡拉胶水溶液；8）配制玉米醇溶蛋白醇溶液；9）将卡拉胶水溶液加入到步骤8）所得溶液中；10）加入抑菌物质；11）将步骤10）中所得的混合溶液采用涂布法在步骤5）中所得的双层膜上涂布。本发明能够定向释放且控释的多层抗菌膜，具有良好的膜机械性能，阻水阻氧的性能明显提高。

Description

一种多层定向控释抗菌膜及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种多层定向控释抗菌膜的制备方法，原料全部采用食品级以及可以完全降解的生物材料，属于农副产品深加工及食品工业技术领域。

背景技术

食品包装是食品加工、储藏过程中致抑制病微生物滋生防止食品腐败变质的重要有效手段。一般来讲，食品包装材料的选取要考虑包装上机生产可行性、高阻水性、高阻氧性、高阻油性以及良好的抗拉伸强度、耐撕裂、耐冲击等机械性能。特殊的，为延长食品的货架期，有研究将抑菌物质添加到食品包装材料进行缓慢释放。

蛋白‐多糖复合膜膜集合蛋白与多糖的优势，且极为容易荷载天然抑菌物质，有较好缓释性，是一种极好的食品包装材料的原材料，但由于一般蛋白、多糖极具亲水性，空气中的水分容易从膜表面进入到蛋白膜内部，破坏膜的网络结构，导致膜的寿命大大缩短，因此单纯的蛋白‐多糖膜很难再食品包装材料中得以广泛的应用。

近年来，由于保护环境的需要，生物可降解材料作为食品包装材料在食品的工业生产中具有广泛的应用。聚乳酸（PLA）是一种新型的生物降解材料，是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料，能被自然界中微生物完全降解，具有最良好的抗拉强度及延展度，最良好的抗拉强度及延展度，是公认的保护环境且可应用于食品包装的材料。但由于天然抑菌物质在聚乳酸膜中得不到良好的释放，因此在使用PLA作为包装材料的时候无法添加抑菌物质。

鉴于蛋白‐多糖复合膜以及PLA各自的优点，多层膜应运而生，但在实际的实验过程当中发现，无论是蛋白溶液在PLA上成膜还是PLA在蛋白上成膜，两种材料形成的膜始终无法紧密的粘合在一起。

本发明方法通过制备一种既能与蛋白膜黏合的又能与PLA膜黏合的天然性物质，旨在制备一种多层定向控释抗菌膜，不仅为制备可降解的食品包装材料提供一种重要的技术手段，而且对于创新功能性食品的开发具有重要的理论意义。

发明内容

本发明的目的是通过蛋白‐多糖复合膜荷载抑菌物质，zein‐儿茶素溶液作为蛋白‐多糖复合膜以及PLA的黏合剂提供一种多层定向释放控释抗菌膜及其制备方法。

本发明还有一目的在于提供所述的多层定向控释抗菌膜在制备食品和医疗包装材料中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多层定向控释抗菌膜的制备方法，包括以下步骤和工艺条件：

（1）配制质量浓度为5%‐15%PLA的氯仿溶液；

（2）在步骤（1）中得到的溶液添加油酸，搅拌均匀，倒入玻璃板中干燥成膜，得PLA膜；油酸的用量为PLA质量的4%‐12%；

（3）将玉米醇溶蛋白溶解到乙醇与水的混合溶液中；控制玉米醇溶蛋白的质量浓度为5%‐10%；

（4）在步骤（3）中的溶液中添加儿茶素，搅拌均匀；控制儿茶素的质量浓度为5%‐18%；

（5）将步骤（4）中得到的混合溶液在沸水中暴沸；

(6)将步骤（5）中所得的混合溶液采用涂布机涂在步骤（2）中所得的PLA膜上得双层膜，所得的双层膜在60‐80℃温度下快速干燥1‐5min；以PLA膜涂布面积计，控制混合溶液的涂布量为3ml‐8ml/180mm²；

（7）配制卡拉胶的水溶液；每100毫升水加入0.5‐2克卡拉胶；

（8）将玉米醇溶蛋白溶解到乙醇与水的混合溶液中；控制玉米醇溶蛋白的质量浓度为2.5%‐5%；

（9）将步骤（7）所得的卡拉胶的水溶液倒入搅拌中的步骤（8）所得的溶液中，充分搅拌至均匀；控制玉米醇溶蛋白和卡拉胶的质量比为（1∶5）‐（5∶1）；

（10）在步骤（9）中的混合溶液中添加抑菌物质；所述抑菌物质为纳米银、氧化锌、百里香酚和乳酸链球菌中的一种或多种，抑菌物质的质量浓度为1%‐5%；

（11）将步骤（10）中所得的混合溶液采用涂布法涂在步骤（5）所得双层膜上，干燥得多层定向控释抗菌膜，以双层膜涂布面积计，控制混合溶液的量为（3ml‐8ml）/180mm²。

为进一步实现本发明目的，优选地，步骤（3）中所述乙醇与水的混合溶液中乙醇与水的体积比为（90∶10）‐（96∶4）。步骤（7）中所述乙醇与水的混合溶液中乙醇与水的体积比为（75∶25）‐（85∶15）。步骤（10）所述的干燥是将涂布后的多层膜放在玻璃板上，在室温条件下风干。步骤（6）所述快速干燥是将双层膜放在移动干燥机上干燥。步骤（5）中混合溶液在沸水中暴沸时间为5‐10min。

本发明提供一种多层定向控释抗菌膜，其由上述制备方法制得。

本发明提供所述的多层定向控释抗菌膜在制备食品和医疗包装材料中的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明采用蛋白‐多糖复合膜以及阻水阻氧极好的优良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料PLA制得了具有缓释效果且机械性能、阻氧阻水均有提高的多层定向控释抗菌膜。

（2）本发明提供了一种既能与蛋白膜黏合的又能与PLA膜黏合的天然性物质，使蛋白‐多糖复合膜以及PLA在没有经过任何物理或者化学处理的情况下就能将复合膜和PLA紧密的黏合，避免了膜表面处理的复杂程序。

（3）本发明采用涂布法制备多层膜，能有效降低气泡的产生，涂布机的收放卷均配置全速自动接膜机构，同时高精度控制确保了涂布效果高度均匀。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

准确称取1gPLA，溶解于20mL氯仿中在避光条件下下搅拌20min；在上述溶液中添加0.1g油酸，继续搅拌10min后将成膜液倒入玻璃板中成膜，在RH40%，25℃下干燥4小时后获得PLA膜。

准确称取2g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为95：5的乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌混合均匀；在上述溶液中添加0.2g儿茶素，充分搅拌均匀后在沸水中暴沸5min，即得到混合溶液A。

称取1g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为82：18的乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌混合均匀。称取0.75g卡拉胶溶解到50ml蒸馏水中，将其置于65℃的磁力水浴搅拌锅中搅拌20min。将玉米醇溶蛋白的乙醇/水溶液迅速倾倒到卡拉胶溶液中得混合溶液，在该混合溶液中添加纳米银粒子0.035g，并置于65℃中搅拌，即得到B溶液。

采用涂布机进行涂布，用移液枪取上述混合溶液A5ml，用涂布棒涂布在PLA膜上（PLA膜面积为180㎜²）进行一次涂布；在80℃下的移动干燥机上快速干燥1min，即可得到zein‐PLA双层膜；用移液枪取上述溶液B5ml，用涂布棒在zein‐PLA双层膜上进行两次涂布，将得到的多层膜（zein‐PLA膜面积为180mm²），在室温条件下风干，即可得到多层定向控释的抗菌膜。

该抗菌莫由于具有定向释放的作用，又由于具有良好的阻水阻氧性，可广泛的应用于饼干、豆粉干粮食品包装材料，肉类、熟食类的保鲜膜以及医疗包装材料。

实施例2：

准确称取2gPLA，溶解于20mL氯仿中在避光条件下下搅拌20min；在上述溶液中添加0.18g油酸，继续搅拌10min后将成膜液倒入玻璃板中成膜，在RH40%，25°C下干燥4小时后获得PLA膜。

准确称取1.5g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为97：3的乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌混合均匀；在上述溶液中添加0.25g儿茶素，充分搅拌均匀后在沸水中暴沸7min，即得到混合溶液A。

称取1g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为80：10的乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌混合均匀。称取1g卡拉胶溶解到50ml蒸馏水中，将其置于65°C的磁力水域搅拌锅中搅拌20min。称取1g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml充分搅拌混合均匀。称取0.75g卡拉胶溶解到50ml蒸馏水中，将其置于65℃的磁力水浴搅拌锅中搅拌20min。将玉米醇溶蛋白的乙醇/水溶液迅速倾倒到卡拉胶溶液中得混合溶液，在该混合溶液中添加纳米银粒子0.1g，并置于65℃中搅拌，即得到B溶液。

采用涂布机进行涂布，用移液枪取上述混合溶液A6ml，用涂布棒涂布在PLA膜上（PLA膜面积为180㎜²）进行一次涂布；在80℃下的移动干燥机上快速干燥2min，即可得到zein‐PLA双层膜；用移液枪取上述溶液B8ml，用涂布棒在zein‐PLA双层膜上进行两次涂布，将得到的多层膜（zein‐PLA膜面积为180mm²），在室温条件下风干，即可得到多层定向控释的抗菌膜。

实施例3：

准确称取1.5gPLA，溶解于20mL氯仿中在避光条件下下搅拌20min；在上述溶液中添加0.15g油酸，继续搅拌10min后将成膜液倒入玻璃板中成膜，在RH40%，25°C下干燥4小时后获得PLA膜。

准确称取1g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为92：8的乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌混合均匀；在上述溶液中添加0.18g儿茶素，充分搅拌均匀后在沸水中暴沸10min，即得到混合溶液A。

称取1g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为85：15的乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌混合均匀。称取1g卡拉胶溶解到50ml蒸馏水中，将其置于65°C的磁力水域搅拌锅中搅拌20min。称取1g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml充分搅拌混合均匀。称取1g卡拉胶溶解到50ml蒸馏水中，将其置于65℃的磁力水浴搅拌锅中搅拌20min。将玉米醇溶蛋白的乙醇/水溶液迅速倾倒到卡拉胶溶液中得混合溶液，在该混合溶液中添加纳米银粒子0.09g，并置于65℃中搅拌，即得到B溶液。

采用涂布机进行涂布，用移液枪取上述混合溶液A5ml，用涂布棒涂布在PLA膜上（PLA膜面积为180㎜²）进行一次涂布；在78℃下的移动干燥机上快速干燥1min，即可得到zein‐PLA双层膜；用移液枪取上述溶液B5ml，用涂布棒在zein‐PLA双层膜上进行两次涂布，将得到的多层膜（zein‐PLA膜面积为180mm²），在室温条件下风干，即可得到多层定向控释的抗菌膜。

实施例4：

准确称取1.8gPLA，溶解于20mL氯仿中在避光条件下下搅拌20min；在上述溶液中添加0.16g油酸，继续搅拌10min后将成膜液倒入玻璃板中成膜，在RH40%，25°C下干燥4小时后获得PLA膜。

准确称取1.4g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为95：5的乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌混合均匀；在上述溶液中添加0.16g儿茶素，充分搅拌均匀后在沸水中暴沸9min，即得到混合溶液A。

称取1g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为80：20的乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌混合均匀。称取0.25g卡拉胶溶解到50ml蒸馏水中，将其置于65°C的磁力水浴搅拌锅中搅拌20min。将玉米醇溶蛋白的乙醇/水溶液迅速倾倒到卡拉胶溶液中得混合溶液，在该混合溶中添加百里香酚0.062g，并置于65°C中搅拌，即得到B溶液。

采用涂布机进行涂布，用移液枪取上述混合溶液A8ml，用涂布棒涂布在PLA膜上（PLA膜面积为180㎜²）进行一次涂布；在75℃下的移动干燥机上快速干燥4min，即可得到zein‐PLA双层膜；用移液枪取上述溶液B7ml，用涂布棒在zein‐PLA双层膜上进行三次涂布，将得到的多层膜（zein‐PLA膜面积为18mm²），在室温条件下风干，即可得到多层定向控释的抗菌膜。

对比实施例1：

准确称取2gPLA，溶解于20mL氯仿中在避光条件下下搅拌20min；在上述溶液中添加0.2g油酸，继续搅拌10min后将成膜液倒入玻璃板中成膜，在RH40%，25°C下干燥4小时后获得PLA膜。

称取1g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为80：20的乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌混合均匀。称取0.5g卡拉胶溶解到50ml蒸馏水中，将其置于65°C的磁力水浴搅拌锅中搅拌20min。将玉米醇溶蛋白的乙醇/水溶液迅速倾倒到卡拉胶溶液中得混合溶液，在该混合溶液中添加百里香酚0.06g、甘油0.6g，并置于65°C磁力水浴搅拌锅中充分搅拌后将混合溶液倒入有PLA的玻璃板中。在RH40%，55°C下干燥24小时后获得双层膜。

对比实施例2：

称取1g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为80：20的乙醇与水的混合溶液中，，充分搅拌混合均匀。称取0.5g卡拉胶溶解到50ml蒸馏水中，将其置于65°C的磁力水浴搅拌锅中搅拌20min。将玉米醇溶蛋白的乙醇/水溶液迅速倾倒到卡拉胶溶液中得混合溶液，在该混溶液中添加纳米银0.06g、甘油0.6g，并置于65°C中充分搅拌后将成膜液倒入玻璃板中。在RH40%，55°C下干燥24小时后获得蛋白‐多糖复合膜。准确称取2gPLA，溶解于20mL氯仿中在避光条件下下搅拌20min；在上述溶液中添加0.2g油酸，继续搅拌10min后将成膜液倒入含有蛋白‐多糖膜的玻璃板中成膜，在RH40%，25°C下干燥4小时后即可获得双层膜。

对比实施例3：

称取1g的玉米醇溶蛋白溶解到20ml体积比为80：20的乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌混合均匀。称取0.5g卡拉胶溶解到50ml蒸馏水中，将其置于65°C的磁力水域搅拌锅中搅拌20min。将玉米醇溶蛋白的乙醇/水溶液迅速倾倒到卡拉胶溶液中得混合溶液，在该混合溶中中添加纳米银0.06g、甘油0.6g，并置于65°C中充分搅拌后将成膜液倒入玻璃板中。在RH40%，55°C下干燥24小时后获得蛋白‐多糖复合膜。

表1比实施例与对比实施例膜形貌比较

由表1得实施例膜并无分层现象，而对比实施例膜有明显分层，上层膜材料直接脱落，本发明较好的解决了双层膜分层的现象。

表2实施例膜正反面抑菌试验的对比

抗菌膜抑菌测定方法：

向每个平板倒入20mL的营养肉汤固体培养基，等放置一段时间培养基凝固后，使用移液枪取100μL藤黄微球菌ATCC10240菌液浓度为（1×10⁵CFU/ml）均匀涂布于营养肉汤固体培养基上。在每个培养皿中放置两片直径为15mm的实验膜。然后将培养皿置于37℃恒温培养箱中培养24h。之后使用游标卡尺读取平板上抑菌圈的大小，重复试验多次，求出平均值。

由表2实施例膜正反面抑菌圈的对比，发现上表面抑菌效果良好，抑菌圈约为24mm，该实验膜在膜周围以24为直径的圆范围内有抑菌效果。而下表面抑菌圈约为16mm几乎没有抑菌效果。本发明在定向释放上凸显出优势。

表3实施例与对比实施例机械性能的对比

质构特性测定方法：

膜的力学性能与膜中物质的分子量、各基材的性能及含量有关。大分子的聚合物因分子量不同导致了它们具有不同的分子链结构和长度，因此制得的膜弹性和延伸性也会有所不同。作为可食性包装材料，理想的蛋白多糖复合膜须具有较好的拉伸性、柔韧性等。这些性质可以用抗拉强度和断裂延伸率等指标来表示。抗拉强度是指试样在拉断前承受的最大拉应力；断裂延伸率是指膜拉断后试样长度的变化率。

物性测试仪上测定薄膜的抗拉强度和断裂伸长率的计算。

$\mathrm{TS}=\frac{P}{(b+d)}$

式中

TL-抗拉强度，MPa

P-最大拉力，N

b—膜样品的宽度，mm

d—膜样品的厚度，mm

$\mathrm{EAB}=\frac{(L-L_0)}{L_0}\×100$

式中；EAB—断裂延伸率，％

L₀—样品拉伸前的长度，mm；

L—样品拉伸后的长度，mm；

在试验前需对试样进行预处理。选取平整、洁净、无破损的薄膜，将其裁制成80×25mm的横条并将其置于相对湿度为53％左右的恒湿干燥箱中，于常温下平衡48h。

测试步骤及各项测试条件按如下操作：

测定模式：测定拉伸强度（Tensile Strength）

测试探头：A‐TG探头

测定前探头速度：5.0mm/s

测定时探头速度：1.0mm/s

测定后探头速度：10.0mm/s

测定起始距离：50mm

测试拉伸距离：70mm

从表3机械性能的对比可以观察到，实施例比对比实施例在TS上有将近160%的增长，在EAB上约100%的增长率，由于PLA膜的加入，其特有的高阻水高阻氧性能使得多层膜的机械性能有显著性提高。在机械性能比较的实验中，由于对比实施例1和对比实施例2出现分层现象不能用来进行机械性能实验，因此选择对比实施例3来进行比较。

表4实施例与对比实施例透湿透氧的对比

水蒸气透过率测定方法：

水蒸气透过率反应了膜的透湿性能，测定水蒸气透过率采用的是TSY‐TIH透湿性测试仪。调好参数后开始测量，测试条件为：

测试温度：23℃

预热时间：30分钟

测试时间：3小时

测试中的相对湿度要保持在80%以上。

$\mathrm{WVP}=\frac{\mathrm{WVTR}\×d}{\mathrm{RH}\×\mathrm{Pa}}$

WVP—水蒸气透过系数

WVTR—水蒸气透过率

d—测试膜厚度

RH—相对湿度

Pa—试验温度相对应的饱和蒸汽压

透氧性测定方法：

透氧量的测定采用的压差法气体渗透仪VAC‐V1。待实验完成后直接读取数据。

从表4可得，实施例比对比实施例在阻水阻氧方面有大幅度的提高。多层膜叠加的效果在本发明中得到了显现。

Claims (8)

1.一种多层定向控释抗菌膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤和工艺条件：

(1)配制质量浓度为5％‐15％PLA的氯仿溶液；

(2)在步骤(1)中得到的溶液添加油酸，搅拌均匀，倒入玻璃板中干燥成膜，得PLA膜；油酸的用量为PLA质量的4％‐12％；

(3)将玉米醇溶蛋白溶解到乙醇与水的混合溶液中；控制玉米醇溶蛋白的质量浓度为5％‐10％；

(4)在步骤(3)中的溶液中添加儿茶素，搅拌均匀；控制儿茶素的质量浓度为5％‐18％；

(5)将步骤(4)中得到的混合溶液加入沸水中暴沸；

(6)将步骤(5)中所得的混合溶液采用涂布机涂在步骤(2)中所得的PLA膜上得双层膜，所得的双层膜在60‐80℃温度下快速干燥1‐5min；以PLA膜涂布面积计，控制混合溶液的涂布量为3ml‐8ml/180mm²；

(7)配制卡拉胶的水溶液；每100毫升水加入0.5‐2克卡拉胶；

(8)将玉米醇溶蛋白溶解到乙醇与水的混合溶液中；控制玉米醇溶蛋白的质量浓度为2.5％‐5％；

(9)将步骤(7)所得的卡拉胶的水溶液倒入搅拌中的步骤(8)所得的溶液中，充分搅拌至均匀；控制玉米醇溶蛋白和卡拉胶的质量比为(1:5)‐(5:1)；

(10)在步骤(9)中的混合溶液中添加抑菌物质；所述抑菌物质为纳米银、氧化锌、百里香酚和乳酸链球菌中的一种或多种，抑菌物质的质量浓度为1％‐5％；

(11)将步骤(10)中所得的混合溶液采用涂布法涂在步骤(6)所得双层膜上，干燥得多层定向控释抗菌膜，以双层膜涂布面积计，控制混合溶液的量为(3ml‐8ml)/180mm²。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述乙醇与水的混合溶液中乙醇与水的体积比为(90:10)‐(96：4)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(8)中所述乙醇与水的混合溶液中乙醇与水的体积比为(75:25)‐(85：15)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(11)所述的干燥是将涂布后的多层膜放在玻璃板上，在室温条件下风干。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)所述快速干燥是将双层膜放在移动干燥机上干燥。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中混合溶液在沸水中暴沸时间为5‐10min。

7.一种多层定向控释抗菌膜，其特征在于其由权利要求1‐6任一项所述制备方法制得。

8.根据权利要求7所述的多层定向控释抗菌膜在制备食品和医疗包装材料中的应用。