CN105111477B - 一种抗菌性可食性膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗菌性可食性膜的制备方法：在搅拌球磨机中，加入多糖原料和ε‑聚赖氨酸，多糖原料、ε‑聚赖氨酸的质量之比为5:0.8～2.2，在25～50℃温度下球磨反应，反应时间为5～10min，制备得到多糖与ε‑聚赖氨酸复合物；然后将多糖与ε‑聚赖氨酸复合物、明胶、甘油加水配制得到成膜溶液，成膜溶液涂抹成膜，制得所述抗菌性可食性膜。本发明反应过程不用添加其他溶剂，反应时间短、温度低、产物色泽浅、成膜效果好，所得膜具有广谱的抑菌性，同时增加可食性膜的韧性和阻氧能力。

Description

一种抗菌性可食性膜的制备方法

技术领域

本发明属于食品包装材料技术领域，具体涉及一种具有抗菌功能的可食性膜的制备方法。

背景技术

现在商业上大量使用的是合成的聚合塑料包装，虽然这些聚合物材料的机械性能和阻隔性能良好，但塑料制品普遍含有塑化剂等有毒有害物质，会带来大量潜在的食品安全问题。近年来，由于可食性膜相对于化学合成包装膜具有诸多优势，对它的研究已成为当前的热点。用于制备可食性膜的主体材料为脂类、蛋白质和多糖等食品原料，能被人体直接食用和吸收，不存在环境污染等问题。此外，它还具有保持水分，隔离氧气和光照等作用，能显著提高食品的耐储藏性能。

食品中含有丰富的营养成分，在贮藏的过程中极易滋生微生物，造成腐败变质。现有的可食性膜本身基本没有抑菌性，主要通过物理添加防腐剂来解决。由于物理混合或涂抹的防腐剂和可食性膜材料之间的作用力较弱，在加工的过程中容易流失，必须加大防腐剂的用量才能取得到较好的效果，而且人们对合成防腐剂普遍具有排斥心理。因此，制备一种结合有天然、无毒的高活性广谱抑菌材料的可食性膜将更容易受到人们的青睐。ε-聚赖氨酸已被证实具有很好的抗菌性能和食用安全性，但由于其本身具有较好的亲水性，在某些油脂含量较高的食品表面使用过程中容易流失。

目前国内外已有多种可食性膜应用于果蔬、肉类、蛋类和水产品中的研究，并且取得了较好的效果。

其中(1)中国专利CN 102964849 A公开了一种鱼鳞胶原蛋白/普鲁兰多糖复合型可食用膜及其制备方法。该方法将一定比例的粗提鱼鳞胶原蛋白，普鲁兰多糖，甘油混合制备可食性膜。该方法中粗提鱼鳞胶原蛋白过程较为繁琐，且蛋白质抗菌能力差，易滋生细菌，不能起到较好的保藏作用。

(2)赵晓燕等,甘油对明胶-普鲁兰多糖可食性材料性能的影响[J]，食品科学,2013,利用普鲁兰多糖与明胶，甘油结合制得共混膜，其力学性能有待提高，且抗菌性能较差。

(3)中国专利CN 102643554A公开了一种可食性鱼皮胶原蛋白抗菌膜及其制备方法。其膜组分中含有鱼皮胶原蛋白、壳聚糖、植物精油、大豆卵磷脂和甘油。其特征在于抗菌组分为植物精油，植物精油在室温，光照的情况下极易挥发变质，可食性鱼皮胶原蛋白抗菌膜抗菌作用的持续性将大大丧失。

(4)中国专利CN 103937272A公开了一种可食性花生分离蛋白抗菌膜及其制备方法。该方法将丁香精油和乳酸链球菌素成分加入到花生分离蛋白、壳聚糖和甘油中，制备安全无毒的可食用膜。其中丁香精油在室温，光照的情况下极易挥发和氧化变质，乳酸链球菌素仅抑制革兰氏阳性细菌，对革兰氏阴性细菌、霉菌和酵母菌无抑制作用，抑菌范围较窄。

(5)高彦祥(“ε-聚赖氨酸与葡聚糖美拉德反应初级阶段产物的乳化性研究”)等通过美拉德反应制备了ε-聚赖氨酸-葡聚糖共价复合物。该方法先将ε-聚赖氨酸和葡聚糖按照一定质量比混合后，再溶解在pH8.51/15mol/L的磷酸盐缓冲液中，放入恒温箱中磁力搅拌反应1～12小时后制得复合物。该方法操作温度高、耗时长，在制作过程中加入了大量带有缓冲盐的水，不仅大大提高终产物的灰分，还增加了产物干燥的成本(胶状物质非常不容易干燥)。美拉德反应会导致产物的褐变，从而影响产物的使用范围。该论文仅测试了ε-聚赖氨酸-葡聚糖共价复合物的乳化性能，没有涉及其成膜性能。

(6)高彦祥(“美拉德反应条件对ε-聚赖氨酸－壳聚糖复合物乳化性及抑菌性的影响”)，通过美拉德反应获得一种具有乳化性和抑菌性物复合物。具体操作如下：将ε-聚赖氨酸与壳聚糖以质量比1:5分散在水中，冷冻干燥后置于相对湿度79％的条件下用70℃反应1-12h。样品用1％乙酸溶液溶解，即得ε-聚赖氨酸－壳聚糖复合物乳液。该方法操作温度高、耗时长，复合物需要用到乙酸溶液溶解，具有乙酸的酸味，同时美拉德反应也会导致产物的褐变，限制了产物的使用范围。由于壳聚糖本身具有抑菌活性，论文在测定抑菌活性时没有使用ε-聚赖氨酸和壳聚糖做对照，并不能说明ε-聚赖氨酸的抑菌活性得到了保留，也可能是壳聚糖在起主要的抑菌作用。同时该论文也没有涉及复合物的成膜性能。

在食品保藏的过程中，可食性膜的物理特性和抗菌性等已有一些报道，但是直接将成膜材料进行机械球磨处理并应用于可食性膜制备的研究还未见报道。

虽然上述专利申请和文献在不同程度上对可食性膜进行了研究，但可食性膜的抑菌能力仍未得到显著改善，最终限制了相关产品的应用范围。

此外，现有用于传统食品的可食性淀粉膜韧性很差、脆性高，极大的限制了它的适用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用无溶剂和其它助剂的机械固相活化法制备抗菌性可食性膜材料的方法，该方法将成膜材料直接进行球磨处理，在提高可食性膜抑菌性的同时，还能增加膜的机械性能，膜的抗拉强度、水溶性、阻氧性、透光率都有显著提高。

本发明所要解决的技术问题在于不添加任何反应溶剂和助剂的前提下，克服常见成膜材料抑菌能力不足的缺陷，采用机械固相活化法制备具有较高广谱抑菌活性的多糖基质偶联ε-聚赖氨酸的可食性膜材料，并保持了ε-聚赖氨酸的抗菌性能，能显著延长食品的保质期，同时提高可食性膜的机械性能，复合物色泽灰白，成膜后近似无色半透明状。

本发明采用的技术方案是：

一种抗菌性可食性膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)采用机械固相活化法制备多糖与ε-聚赖氨酸复合物：在搅拌球磨机中，加入多糖原料和ε-聚赖氨酸，多糖原料、ε-聚赖氨酸的质量之比为5:0.8～2.2，在25～50℃温度下球磨反应，反应时间为5～10min，制备得到多糖与ε-聚赖氨酸复合物；

(2)制膜：多糖与ε-聚赖氨酸复合物、明胶、甘油加水配制得到成膜溶液，然后将成膜溶液涂抹成膜，制得所述抗菌性可食性膜。

所述步骤(1)中，搅拌球磨机的搅拌轴的转速优选为415～600r/min。

所述步骤(1)中，搅拌球磨机可采用市售产品，球磨介质优选为φ5-10mm的不锈钢磨球。

所述步骤(1)中，所述多糖原料优选普鲁兰多糖、葡聚糖、壳聚糖、魔芋葡甘聚糖、果聚糖、海藻糖、淀粉、琼脂糖中的一种或两种以上的混合，更优选普鲁兰多糖、葡聚糖或壳聚糖。

所述步骤(1)中，多糖原料、ε-聚赖氨酸的质量之比优选为5：1.5～2。

所述步骤(1)中，优选在室温下球磨反应。

所述步骤(2)的制膜优选按以下方法操作：将多糖与ε-聚赖氨酸复合物、明胶、甘油加水配制成膜溶液，所述成膜溶液中，多糖与ε-聚赖氨酸复合物的质量浓度为1～3g/100mL，明胶的质量浓度为3～8g/100mL，甘油的质量浓度为0.5～2g/100mL，所得成膜溶液涂抹于聚丙烯塑料平板上，室温下放置成膜8～10h，并于自然环境下干燥揭膜，即制得所述抗菌性可食性膜。

所述成膜溶液中，优选多糖与ε-聚赖氨酸复合物的质量浓度为2～3g/100mL，明胶的质量浓度为5g/100mL，甘油的质量浓度为1～2g/100mL。

进一步，配制成膜溶液时，按照质量浓度取各原料后，优选先将明胶溶解在80～90℃蒸馏水中，然后冷却到50～60℃，加入多糖-ε-聚赖氨酸复合物搅拌均匀，冷却到室温后再添加甘油，搅拌均匀，配制得到成膜溶液。

本发明采用多糖和ε-聚赖氨酸为原料，通过机械球磨反应制得多糖与ε-聚赖氨酸复合物，再制备抗菌性可食性膜，反应过程不用添加其他溶剂，反应时间短、温度低、产物色泽浅、成膜效果好，所得膜具有广谱的抑菌性，同时增加可食性膜的韧性。在抗菌性可食用膜方面有非常广阔的应用前景。

本发明的优点和产生的有益效果：

1.本发明的特点是采用了机械球磨的方法代替传统的化学合成反应制备多糖和ε-聚赖氨酸复合物。和化学合成反应相比，能在极短的时间内，在不用溶剂和化学催化剂的条件下，制备多糖-ε-聚赖氨酸复合物。节约能源，减少不必要的化学污染。不使用有机溶剂，成本低，食用安全性能高，易于规模化生产，且复合物色泽灰白，成膜后近似无色半透明状。

2.由于成膜材料包括多糖和ε-聚赖氨酸复合物，在拥有多糖自身的特性外，同时具有ε-聚赖氨酸广谱的抑菌性，对革兰氏阴性和阳性菌、酵母菌、曲霉菌等具有接近于天然ε-聚赖氨酸的抑菌效果，使得抗菌膜具有较好的保鲜能力。

3.成膜材料多糖的复合物中，ε-聚赖氨酸的加入，缓解了多糖韧性较差的状况，能显著提高可食性膜的机械性能，膜的抗拉强度、水溶性、阻氧性、透光率都有显著提高。

4.可食性膜ε-聚赖部分水解后生成的赖氨酸为人体必需氨基酸，为人体增加营养物质。

附图说明

图1可食性膜对大肠杆菌的抑制实验图。

图2可食性膜对金黄色葡萄球菌的抑制实验图。

图3可食性膜对黑曲霉的抑制实验图。

图4可食性膜对啤酒酵母菌的抑制实验图。

图1～图4中，1为空白对照组(空白普鲁兰多糖可食性膜)，2为样品组(普鲁兰多糖ε-聚赖氨酸复合物可食性膜)，3为阳性对照组(含有和样品组等量ε-聚赖氨酸的滤纸片)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1

以搅拌球磨机为反应装置，采用机械固相活化法进行球磨反应，普鲁兰多糖、ε-聚赖氨酸为原料，其质量之比为5:1.5，机械活化时间为5min、温度为25℃、搅拌速度为415r/min，研磨介质为φ5-10mm的不锈钢磨球，制备得到普鲁兰多糖和ε-聚赖氨酸复合物。按照普鲁兰多糖和ε-聚赖氨酸的复合物的质量浓度为2g/100mL、明胶的质量浓度为5g/100mL、甘油的质量浓度为1g/100mL的配比制备成膜溶液：先将明胶溶解在80～90℃蒸馏水中，冷却至50～60℃后加入普鲁兰多糖和ε-聚赖氨酸的复合物溶解，冷却到室温后添加甘油，搅拌均匀，磁力搅拌10min。所得成膜溶液倾倒在聚丙乙烯培养皿中,室温下放置成膜8-10h，并于自然环境下干燥揭膜，即制得所述抗菌性可食性膜。揭膜后于40℃、相对湿度50～55％的恒温恒湿试验箱中平衡2天，用于后续测试膜性能(见表1)。

实施例2

以搅拌球磨机为反应装置，采用机械固相活化法进行球磨反应，壳聚糖、ε-聚赖氨酸为原料，其质量之比为5:1.8，机械活化时间为10min、温度为25℃、搅拌速度为415r/min，制备得到壳聚糖和ε-聚赖氨酸的复合物。按照壳聚糖和ε-聚赖氨酸的复合物的质量浓度为2g/100mL，明胶的质量浓度为5g/100mL，甘油的质量浓度为2g/100mL的配比制备成膜溶液：先将明胶溶解在80～90℃蒸馏水中，冷却至50～60℃后加入壳聚糖和ε-聚赖氨酸的复合物溶解，冷却到室温后添加甘油，搅拌均匀，磁力搅拌10min。成膜溶液倾倒在聚丙乙烯培养皿中,室温下放置成膜8-10h，并于自然环境下干燥揭膜，即制得所述抗菌性可食性膜。揭膜后于40℃、相对湿度50～55％的恒温恒湿试验箱中平衡2天，用于后续测试膜性能(见表1)。

实施例3

以搅拌球磨机为反应装置，采用机械固相活化法进行球磨反应，葡聚糖、ε-聚赖氨酸为原料，其质量之比为5:2，机械活化时间为8min、温度为25℃、搅拌速度为415r/min，制备得到葡聚糖和ε-聚赖氨酸的复合物。按照葡聚糖和ε-聚赖氨酸的复合物的质量浓度为3g/100mL，明胶的质量浓度为5g/100mL，甘油的质量浓度为1g/100mL的配比制备成膜溶液：先将明胶溶解在80～90℃蒸馏水中，冷却至50～60℃后加入葡聚糖和ε-聚赖氨酸的复合物的酯化物溶解，冷却到室温后添加甘油，搅拌均匀，磁力搅拌10min。成膜溶液倾倒在聚丙乙烯培养皿中,室温下放置成膜8-10h，并于自然环境下干燥揭膜，即制得所述抗菌性可食性膜。揭膜后于40℃、相对湿度50～55％的恒温恒湿试验箱中平衡2天，用于后续测试膜性能(见表1)。

实施例1～3制备的可食性膜性能的测定

膜厚度根据GB/T6672—2001，用测厚仪对每张膜测定厚度，均匀取13个点(其中1点过膜的中心点),以平均值作为膜的厚度值。膜厚度的测定是为膜性能指标的测定提供依据。

膜的机械性能根据ASTM D 882-01方法使用物性测试仪测定抗拉强度(TS,Tensile strength)和断裂延伸率(E,Elongation at break),两个探头的初始间距设定为40mm,拉引速度设定为l mm/s。其计算参照公式2-1和2-2。

TS＝F/S 2-1

E＝(L₁-L₀)/L×100％ 2-2

式中：TS——抗拉强度，MPa；

F——膜断裂时的最大拉力，N；

S——膜的横截面积，m²；

E——断裂延伸率，％；

L₀——膜样品的长度，mm；

L_l——膜断裂时的长度，mm。

膜的水溶性取剪裁成2cm×2cm规格的膜样品,置于盛满90℃水的烧杯中,能发现膜先收缩然后呈很多细小的颗粒状分散于水中,一段时间后阳光下观察水中无颗粒状为本试验溶水时间的终点,记录样品溶解时间(ST，Soluble time)。

膜的水蒸气透过率(Water Vapor Permeability，WVP)测试，根据塑料薄膜及片材透水蒸汽实验方法的原理和步骤，对GB-1037-70方法改进，采用拟杯子法，在25℃温度条件下，在玻璃杯中放入无水CaCl₂(CaCl₂使用前应粉碎，使其粒度为2mm，并在200℃的烘箱中干燥2h，待冷却后加入到玻璃杯中)，使加入的CaCl₂量至杯口5mm处为止。选择均匀、无孔洞、皱褶的膜，用千分尺测量其厚度后再将膜用熔化的石蜡封口，并称重。将称重后的玻璃杯放入温度为25℃底部为去离子水的干燥器中(保持相对湿度100％)，使膜内外两侧保持一定的蒸汽压差，以后每隔一定时间取出玻璃杯称重，并由此算出水蒸气透过系数(WVP)值。按Aydindi和Kaya的方法计算：

WVP＝Δm×d/A×Δt×Δp

式中：WVP——水蒸气透过系数,g·m·(m²·s·Pa)^-1

Δm——稳定质量的增量，g

A——膜的面积，m²

Δt——测定时间间隔，s

d——膜的厚度，m

Δp——试样两侧的水蒸汽压差，Pa

膜的阻氧性(Oxygen Barrier)的测定，在容量为250mL的容器中，装入20.0g新鲜花生油,用不同的膜样品覆盖容器瓶口并密封,然后贮存在60℃培养箱里陈化10d,用硫代硫酸钠滴定法测定花生油的过氧化值。根据油脂过氧化值(Peroxide Value，PV)的大小,来评价可食用膜样品的阻氧性。油脂过氧化值的测定：称取2.00g～3.00g的样品，置于250mL碘瓶中加入30mL，三氯甲烷—冰乙酸混合液，使样品完全溶解，加入1.00mL饱和碘化钾溶液，紧紧塞好瓶盖，并轻轻震荡0.5min。在暗处放置3min，取出加100mL水，摇匀，立即用硫代硫酸钠标准液滴定，至淡黄色时，加1mL淀粉指示液，继续滴定至蓝色消失为终点，记下消耗量，并做空白对照。

X₂＝(V₂-V₃)×C₂×12.69/m₂

式中：X₂——样品中过氧化值，g/100g；

V₂——样品消耗硫代硫酸钠标准溶液的体积，mL；

V₃——试剂空白消耗硫酸钠标准溶液的体积，mL；

C₂——硫代硫酸钠标准溶液的浓度，mol/L；

m₂——待滴定样品的量，g。

实施例4

实施例1～3制备的可食性膜和空白对照普鲁兰多糖可食性膜的膜性能比较结果如表1所示。

空白对照普鲁兰多糖可食性膜按以下方法制备：按照普鲁兰多糖的质量浓度为1.34g/100mL、明胶的质量浓度为5g/100mL、甘油的质量浓度为1g/100mL的配比制备成膜溶液：先将明胶溶解在80～90℃蒸馏水中，冷却至50～60℃后加入普鲁兰多糖溶解，冷却到室温后添加甘油，搅拌均匀，磁力搅拌10min。成膜溶液倾倒在聚丙乙烯培养皿中,室温下放置成膜8～10h，制得空白对照普鲁兰多糖可食性膜。干燥揭膜后于40℃、相对湿度50～55％的恒温恒湿试验箱中平衡2天，用于膜性能测试。

表1 可食性膜的膜性能测定结果

实施例5采用滤纸片法比较可食性膜的抑菌效果

将实施例1制备的普鲁兰多糖-ε-聚赖氨酸复合物制备的可食性膜和空白对照普鲁兰多糖可食性膜的抑菌活性(大肠杆菌，金黄色葡萄球菌，黑曲霉，啤酒酵母菌)进行比较，用打孔机将两种可食性膜制成直径6毫米大小的圆形小片，普鲁兰多糖-ε-聚赖氨酸复合物制备的可食性膜为样品组，空白对照普鲁兰多糖可食性膜为空白对照组；另取直径6毫米大小的滤纸片，涂抹与样品组中含有的ε-聚赖氨酸等质量的ε-聚赖氨酸水溶液，作为阳性对照组。将三种膜分别放入培养有大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉、啤酒酵母菌的培养基中，经过24h培养后，观察膜区域菌落生长情况，若膜区域菌落生长与空白对照组相比确实受到一定程度的限制，则表明含普鲁兰多糖-ε-聚赖氨酸复合物制备的可食性膜确实具有一定的抑菌效果。结果如图1～图4所示。图1～图4中，1为空白对照组(空白普鲁兰多糖可食性膜)，2为样品组(普鲁兰多糖-ε-聚赖氨酸复合物可食性膜)，3为阳性对照组(含有和样品组等量ε-聚赖氨酸的滤纸片)。

结果表明，空白对照组的膜区菌落生长与周围无区别，而样品组与空白组相比，膜区范围内相比周围明显菌落生长受到抑制，照片显示膜区及周边范围为透明空白区域，而阳性对照组的不透明滤纸片周围显示有透明区域，表示滤纸片周围区域的菌落生长受到抑制。

将实施例2、3制备的可食性膜按照实施例5的方法步骤测试其抗菌性能，结果表明两种膜对四种菌种同样具备良好的抑菌生长作用。

Claims (8)

1.一种抗菌性可食性膜的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

(1)采用机械固相活化法制备多糖与ε-聚赖氨酸复合物：在搅拌球磨机中，加入多糖原料和ε-聚赖氨酸，多糖原料、ε-聚赖氨酸的质量之比为5:0.8～2.2，在25～50℃温度下球磨反应，反应时间为5～10min，制备得到多糖与ε-聚赖氨酸复合物；所述多糖原料为普鲁兰多糖、葡聚糖、壳聚糖、魔芋葡甘聚糖、果聚糖、海藻糖、淀粉、琼脂糖中的一种或两种以上的混合；

(2)制膜：多糖与ε-聚赖氨酸复合物、明胶、甘油加水配制得到成膜溶液，然后将成膜溶液涂抹成膜，制得所述抗菌性可食性膜。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述多糖原料为普鲁兰多糖、葡聚糖或壳聚糖。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(1)中，搅拌球磨机的搅拌轴的转速为415～600r/min。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(1)中，多糖原料、ε-聚赖氨酸的质量之比为5：1.5～2。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(1)中，在室温下进行球磨反应。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(2)按以下方法操作：将多糖与ε-聚赖氨酸复合物、明胶、甘油加水配制成膜溶液，所述成膜溶液中，多糖与ε-聚赖氨酸复合物的质量浓度为1～3g/100mL，明胶的质量浓度为3～8g/100mL，甘油的质量浓度为0.5～2g/100mL，所得成膜溶液涂抹于聚丙烯塑料平板上，室温下放置成膜8～10h，并于自然环境下干燥揭膜，即制得所述抗菌性可食性膜。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述成膜溶液中，多糖与ε-聚赖氨酸复合物的质量浓度为2～3g/100mL，明胶的质量浓度为5g/100mL，甘油的质量浓度为1～2g/100mL。

8.如权利要求1～7之一所述的方法制备得到的抗菌性可食性膜。