CN106633135B - 用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法 - Google Patents

用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法，其技术方案包括以下步骤：（1）褐藻糖胶和多酚复合膜液配置；（2）去除褐藻糖胶和多酚复合膜液中的气泡；（3）制备坯膜：将褐藻糖胶和多酚复合膜液倒入到成膜模具中，凝固成坯膜；（4）对坯膜烘干，去除水分；（5）交联固定；（6）烘干成型。本发明的优点是低能耗、操作简单、绿色环保等优点，且提高褐藻糖胶的应用领域和应用价值。

Description

用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法
技术领域
本发明属于可食性膜领域，具体是一种用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法。
背景技术
食品周围的微生物和食品氧化是食品变质的重要原因，难以降解的包装材料如聚乙烯、聚丙烯对环境和被包装食品都有较大危害，而可食性抗菌膜以天然可食性物质(如蛋白质、多糖、脂类等)为原料，添加可食用的增塑剂、交联剂等，通过分子间的相互作用而形成的具有多孔网络结构的膜，能防止气体、水汽和溶质等的迁移，保持食品质量，延长食品货架期，而且可食性膜具有绿色环保、生物降解、无毒无害、本身有营养价值引起了人们的关注。
将抗菌剂融合进可食性膜，按一定规律缓慢释放，在较长时间内逐渐作用于食品，也能减少使用防腐剂，从而持久的抑制或防止腐败菌群和减少病原体的增长，达到抗菌作用。
褐藻糖胶主要成分是L-岩藻糖-4-硫酸酯的酸性杂多糖，溶于水，不溶于乙醇和氯仿等有机溶剂，可从海带、羊栖菜和裙带菜等主要褐藻中提取，中国是褐藻生产大国，如海带产量约占世界总产量的95%，羊栖莱也有大规模人工养殖，文献报道褐藻糖胶在海带和羊栖菜中提取率7.3%和4.6%；可利用浙江沿海盛产的海带和羊栖菜下脚料来提取褐藻糖胶增加褐藻的附加值，提取褐藻糖胶方法较为成熟。
羊栖菜属褐藻门马尾藻属，在中国各海域都能生长来源丰富，并建有大型的人工养殖基地，具有抗血栓、降血脂和延缓衰老等功效。而酚类化合物广泛存在于褐藻中，具有多种营养保健功能，酚类化合物具有很强的抗菌功能，研究表明褐藻多酚具有很强的自由基清除能力。多酚在包装膜上的和抗菌能力取决于多酚从膜基质的迁移能力。由此可见，羊栖菜来源丰富，羊栖菜内的多酚含量高，提取的多酚具有对人体无害、有较高的抗菌能力。如果能融合进褐藻糖胶基质制备成膜将有可能成为具有抗菌功能的可食性活性膜。目前，国内外尚未有褐藻糖胶作为基质制备具有抗菌活性的可食性膜的报道，因此限制了褐藻糖胶的应用领域和应用价值，有必要对此进行改进。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种低能耗、操作简单、绿色环保等优点，且提高褐藻糖胶的应用领域和应用价值的用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是包括以下步骤：
（1）褐藻糖胶和多酚复合膜液，该膜液包括以下组分：
褐藻糖胶 1wt%
甘油 0.08-0.64wt%
吐温-80 0.16-0.80wt%
多酚 0.12-0.44wt%
余量为水；
（2）去除褐藻糖胶和多酚复合膜液中的气泡；
（3）制备坯膜：将褐藻糖胶和多酚复合膜液倒入到成膜模具中，凝固成坯膜；
（4）对坯膜烘干，去除水分；
（5）交联固定：坯膜连同成膜模具一起放入浓度0.8-2.4％的氯化钙溶液中交联固定5-10min；
（6）烘干成型：将经过交联处理的坯膜进行烘干，并从成膜模具上揭下成品膜，获得基于褐藻糖胶和多酚的抗菌活性的可食性膜成品。
进一步设置是所述的多酚为茶多酚或褐藻多酚。
进一步设置是所述的步骤（1）为将褐藻糖胶加入水中配成0.01g/mL的褐藻糖胶水溶液25mL，加0.02-0.16mL甘油，加0.04-0.20mL吐温-80，加0.03-0.11g多酚，并在温度30-60的搅拌20-40min溶解得到褐藻糖胶膜液，澄清。
进一步设置是所述的步骤（2）为将配置单膜液放入2-8℃冰箱30min去除膜液中的气泡。
进一步设置是所述的步骤（3）为将25mL的褐藻糖胶膜液倒在水平放置的15cm×12cm的玻璃模具上，通过玻璃棒引流使膜液自然流平充满整块平板的玻璃模具，使形成的坯膜为15 cm×12 cm， 室温下(25℃)凝固2h。
进一步设置是所述步骤（4）将凝固后的坯膜放入30-50℃烘箱中4-6h去除水分。
进一步设置是所述的步骤（6）中烘干为将膜连同成膜模具一起放入30-70℃烘箱中烘烤10-20 min。
本发明的创新机理是：
藻糖胶水溶液有一定的特性黏度和吸湿保湿性，通常水溶性多糖类物质通过与多价金属离子（如钙离子）能产生强凝胶透明度高的不溶性物质，从而提高水和气体阻隔性成聚合膜，在膜液中添加甘油和乙二醇等增塑剂通过与基质形成分子间氢键能吸收水分进入膜网络中，增加膜的柔韧性和弹性，提高兼容性、力学性能和阻隔性，而褐藻糖胶作为可食性膜的基质是可行的。
本发明的用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜具有抗细菌活性又具有能适合包装食品的柔软性、弹性和韧性，在包装食品时对包装袋内的环境起到抗氧化作用，具有优秀的应用价值。
本发明的方法不但可以克服传统食品包装的不可降解性及容易腐败变质的弊端，而且还具有反应条件温和、原料易得和绿色环保等优点，不仅具有重要的理论价值同时也具有潜在的应用前景。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。
附图说明
图1为本发明多酚含量对膜拉伸强度和断裂伸长率影响图；
图2为本发明多酚含量对膜水蒸气渗透系数的影响图；
图3为本发明甘油含量对膜拉伸强度和断裂伸长率的影响图；
图4为本发明甘油含量对膜水蒸气渗透系数的影响图；
图5为本发明吐温-80含量对膜拉伸强度和断裂伸长率的影响图；
图6为本发明吐温-80含量对膜水蒸气渗透系数的影响图；
图7为本发明CaCl2对膜拉伸强度和断裂伸长率的影响图；
图8为本发明CaCl2对膜水蒸气渗透系数的影响图；
图9为本发明温度对膜拉伸强度和断裂伸长率的影响图；
图10为本发明温度对膜水蒸气渗透系数的影响图；
图11为本发明多酚粉末、褐藻糖胶膜和褐藻糖胶/多酚（比例）膜的XRD图；
图12为本发明多酚粉末、褐藻糖胶膜和褐藻糖胶/多酚（比例）膜的FTIR图；
图13为本发明褐藻糖胶/多酚膜1000倍表面和断面SEM图；
图14为本发明褐藻糖胶/多酚膜3000倍表面和断面SEM图；
图15为本发明褐藻糖胶/多酚膜的抗菌性能图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
如图1—图15所示，一种褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性包装膜的方法，包括有以下步骤：
一、褐藻糖胶/多酚膜液的制备；通过平板膜液量试做得知，称取褐藻糖胶0.25g加入蒸馏水中配成0.01g/mL浓度的液体25mL（即1%），加0.02-0.16mL（即0.08-0.64%）甘油，加0.04-0.20mL（即0.16-0.80%）吐温-80，0.03-0.11g（0.12-0.44%）多酚（茶多酚）在温度30-60℃的磁力控温搅拌器上搅拌溶解20-40分钟到膜液澄清；
二、褐藻糖胶/多酚膜液气泡去除；取澄清膜液放入2-8℃冰箱30min去除膜液中的气泡；
三、褐藻糖胶/多酚膜平铺成型；然后将25mL的膜液倒在水平放置的的15cm×12cm的玻璃模具上，通过玻璃棒引流使膜液自然流平充满整块平板，使形成的膜为15 cm×12cm，室温下（25℃）凝固2h；
四、褐藻糖胶/多酚膜烘烤；凝固后的膜放入30-50℃烘箱中4-6去除水分；
五、褐藻糖胶/多酚膜交联固定；膜连同玻璃板一起放入浓度0.8-2.4％的氯化钙溶液中交联固定5-10min；
六、褐藻糖胶/多酚膜烘干成型；膜连同玻璃板再放入30-70℃烘箱中10-20 min后取出揭膜。
分析测定
一、厚度；在膜上随机取10个点用千分尺测量，求得平均值作为膜的厚度用于计算膜机械性质和水蒸气透过系数；
二、膜拉伸强度和膜断裂伸长率；膜的机械性能按照《塑料拉伸性能的测定》GB／T1040.3-2006所列方法, 将膜裁成100 mm×l5 mm长条，用电子万能试验机测量。拉伸速率设定为10 mrn／min(恒速拉伸法)，夹持有效距离为80mm．重复测量3次，最后求出其求平均值；
拉伸强度以(MPa)表示，公式如下：
σt=p/bd （1）
式中P为断裂负荷(N)；b为试样宽度(mm)；d为试样厚度(mm)。
断裂伸长率以εt (％)表示，公式如下：
εt =(L-Lo)/Lo （2）
式中Lo为试样原始标线距离(mm)；L断裂时标线距离(mm)；
三、水蒸汽透过系数(WVP)；水蒸气渗透系数,参考《塑料薄膜和片材透水蒸汽性试验方法》GB/T1037-1988，测定膜透水蒸气性用杯式法再适当简化。首先在25℃左右的温度下，把干燥过的CaCl2，放人洗净烘干的称量瓶里，然后从膜中选择均匀、完整的，均衡选取10个点用千分尺测出其厚度，最后用白胶带将膜封口称重。将称重后的称量瓶放入温度为25℃、湿度为58%的恒温恒湿箱中，24h后取出测定称量瓶的增加的重量，由此算出水蒸气渗透系数(Water Vapor Permeability，WVP)值[g·m／(m2·s·Pa)]，公式如下：
WVP=△m.d/(AtΔP) （3）
式中△m为杯增重量（g）；d为膜厚度（m）；A为透过面积（m2）；t为时间变化（s）；ΔP为膜两侧水分蒸汽压差(1837.25Pa)；
四、膜衍射(XDR)；XRD采用德国布鲁克公司的AXSX射线衍射计(D８Advance)进行测试,2θ角度范围为10-90°；
五、膜红外（FTIR）；傅里叶变换红外光谱采用Thermo Fisher公司的NICOLET is10测试,采用ATR 模式，扫描范围为,4000-500cm-1,分辨率为4cm-1；
六、膜电镜(SEM)；复合膜的表面形貌采用日本日立公司的SU1510型扫描电镜进行分析。加速电压为10kV,放大倍数为1000和3000倍，测试前对样品进行喷金处理；
七、膜抗菌性能测定；选择无多酚褐藻糖胶膜和有多酚褐藻糖胶膜样品进行抗菌性能测试，选用标准为修正的AATCC检测方法100-1999，测试使用大肠杆菌O157：H7(ATCC43895)和金黄葡萄球菌(ATCC6538)。在一片复合膜中央加入细菌悬浮液，然后将另一片复合膜盖上，接触1,5,10,30和60min后。再将试样用pH值=7的缓冲液稀释后将其放置在培养基中，在37℃下恒温培养24h,测定细菌数量,计算细菌的减少量。
结果与分析
一、多酚含量对膜性能的影响
由图1、2可知，25mL膜液中多酚含量在0.03-0.09g之间时，拉伸强度随着含量的增加而上升，0.09g时最大；断裂伸长率也随着多酚含量的增加先增大后减小，0.07g时最大；而膜的水蒸气渗透率也呈现先下降再上升后下降的趋势。由于本实验机械性能主要以拉伸强度为主，且水蒸气渗透系数越低，具有性的多酚含量越高，膜的保鲜性能就相对越好，所以25mL膜液中多酚的最佳含量选取0.09g（即0.36wt%）；
二、甘油含量对膜性能的影响
由图3、4可知，25mL膜液中甘油量在0.02-0.04mL时，膜的拉伸强度逐渐增大；0.04-0.16mL时，随着含量的增大，拉伸强度减小；在0.02-0.08mL之间，膜的断裂伸长率随着甘油的含量的增加而增大，在0.08-0.12mL之间，膜的断裂伸长率随着甘油的含量的增加而下降，在0.12-0.16mL之间，膜的断裂伸长率随着甘油的含量的增加而增大，膜的水蒸气渗透系数都随着甘油的含量的增加而下降。这是由于甘油的相对分子质量较小且具有亲水性，因而它能轻易插入到多糖分子链之间，然后与其中大部分的亲水基团形成氢键，氢键的成功形成大大减弱多糖分子间或分子内本身的相互作，增加了膜的柔软度，使膜得以有效地延展，柔韧性提高。但由于甘油含量的增加同时增大了渗透系数，不利于食品的保鲜，所以甘油的含量并不是越多越好，综合抗拉强度，25mL膜液中添加0.04mL甘油（即0.16wt%）为较优值；
三、吐温-80含量对膜性能的影响
由图5、6可知，25mL膜液中吐温-80含量在0.04-0.08mL：随着吐温-80含量增加，膜的拉伸强度缓慢下降，断裂伸长率随含量增加而上升，含量在0.08-0.16mL之间，膜的拉伸强度缓慢上升，在0.16mL时最高，断裂伸长率随含量增加而下降，含量0.16-0.2mL时，膜的拉伸强度缓慢下降，断裂伸长率上升，吐温-80含量0.04-0.08mL时，膜的水蒸气渗透系数上升，吐温-80含量0.08-0.20mL时膜的水蒸气渗透系数缓慢下降；虽然从原理上看，吐温-80-80会进入到褐藻糖胶分子链的间隙，使链间的空隙增大，减小链间的作用力，从而使链的流动性增加，以膜的拉伸强度为主，综合考虑，25mL膜液中添加0.16mL的吐温-80（即0.64wt%）最佳；
四、CaCl2浓度对膜性能的影响
由图7、图8可知，在CaCl2浓度0.8%-2.0%的范围内，浓度的越高，抗拉强度慢慢增加，在CaCl2浓度2.0%时最高，在氯化钙浓度2.0%-2.4%时，抗拉强度慢慢下降，在CaCl2浓度0.8%-1.2%时断裂伸长率和水蒸气渗透系数逐渐增大，随着浓度的上升断裂伸长率和水蒸气渗透系数再下降又上升再下降；以膜的拉伸强度为主，综合考虑，25mL膜的交联CaCl2浓度2.0%最佳；分析原因可能是一开始随着交联浓度的增加，钙离子浓度增加，褐藻糖胶膜中钙离子成分增多，膜性能增强，当浓度超过2.0wt%后，可能是膜表面形成了一种阻碍钙离子进入的物质，导致膜的钙含量减少，抗拉强度减少，膜性能降低；
五、温度对膜性能的影响
由图9、10可知，在烘干温度30-50℃，膜的拉伸强度、断裂伸长率和水蒸气渗透系数随温度升高而增大；在50-70℃随温度的升高都呈现下降趋势，50℃时膜的拉伸强度、断裂伸长率最好，水蒸气渗透系数相对较差，分析原因为：在膜液干燥时，受干燥温度影响，膜液变化除了溶剂蒸发，成膜物质之间的相互作用也会随温度改变而改变。当温度过低时，分子运动速度相对缓慢，溶剂蒸发速度过慢，使成膜时间变长，膜液分子间氢键也不利于形成，分子间无法有序交联而形成有规则的聚集态结构，同时成膜大分子的展开也会不充分，从而影响成膜表面局部干燥不完全、膜会出现薄厚不均等缺陷，从而使膜性能低。温度过高时，又因溶剂蒸发速度过快，从而使得成膜大分子被过早地固定下来，成膜分子间结构絮乱，易导致膜表面出现厚薄不均、裂缝、孔洞或褶皱等问题，从而降低膜的性能。温度为50℃时膜液中水分蒸发速度在一个相对稳定适宜的水平，褐藻糖胶分子可以充分伸展，互相缠绕、穿插，形成定向有序排列，提高了膜结构致密程度和结晶程度，综合考虑，膜的最佳烘干温度为50℃；
六、X射线（XRD）分析
XRD可以用于研究混合物之间的相互作用，在混合体系中,如果两种物质彼此之间没有相互作用，混合体系将会呈现出单一物质各自的晶型，因此X射线衍射还可用来研究混合物的混合程度。图11可知，多酚在２θ=13.88°、14.27°、16.05°处有几个明显的衍射峰，这是由于PVA 结晶区的形成，纯褐藻糖胶在２θ=16.07°处有个明显的衍射峰，而褐藻糖胶/多酚（多）复合膜在２θ=18.79°，褐藻糖胶/多酚（少）复合膜在２θ=18.13°处出现了一个新的衍射峰，而且复合膜衍射峰的形状也与纯褐藻糖胶和纯多酚不同。这说明褐藻糖胶与多酚有较强的相互作用，即较高的混合程度。
七、红外（FTIR）分析
图12是多酚、褐藻糖胶膜、褐藻糖胶/多酚膜（多）和褐藻糖胶/多酚（少）的红外谱图，褐藻糖胶膜、褐藻糖胶/多酚膜（多）和褐藻糖胶/多酚（少）的红外吸收光谱大体相似，褐藻糖胶和多酚共混后，褐藻糖胶分子中1730cm-1 处峰明显变弱，羟基伸缩振动峰增强并向低波数方向位移，说明分子间作用增强，分子内和分子间容易形成氢键，使分子链相互缠绕，形成更加稳定的网络结构，同时两种天然高分子间协同作用增强，表明多酚与褐藻糖胶参与了交联反应，产生良好的相容性；
八、电镜扫描(SEM)分析
复合膜的表面和断面形貌采用SEM 表征，如图13（放大倍数为1000倍）、图14（放大倍数为3000倍）所示，膜的表面比较光滑，没有出现突起物，说明没有发生明显相分离，也表明褐藻糖胶/多酚膜具有很好的相容性；
九、膜抗菌性能分析
褐藻糖胶/多酚膜与褐藻糖胶膜的对照抗菌性能如图15所示，金黄色葡萄球菌的初始浓度为1.00×106cfu/sample,大肠杆菌的初始浓度为1.23×106cfu/sample。从图15可以看出，无多酚的褐藻糖胶膜在30min内杀死61.14％金黄色葡萄球菌和24.83％大肠杆菌。这主要是因为复合膜中褐藻糖胶对细菌有一定的杀菌作用。加了多酚的褐藻糖胶/多酚膜，在接触5min 后杀死98.92％金黄色葡萄球菌和100％大肠杆菌。从表中还可以看出,褐藻糖胶/多酚膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌都具有更好的杀灭作用。
十、结论
为了研发新型可降解抗菌包装材料，以褐藻糖胶为成膜基料，多酚为抗菌剂，添加了增塑剂甘油和吐温-80通过测定膜的厚度、抗拉强度、断裂伸长率和水蒸气渗透系数等力学性质指标，确定复合抗菌膜成膜液的最佳组成（质量比）为：1％ 褐藻糖胶，0.36%多酚，0.16%甘油，0.64%吐温-80，在CaCl2浓度2.0%溶液中交联交联固定5min为最佳，烘烤温度为50℃烘箱中10 min后取出揭膜，,得到的褐藻糖胶/多酚膜的力学性能较好，通过X射线、红外光谱、电镜扫描等分析手段证明褐藻糖胶和多酚能很好地结合成膜，褐藻糖胶/多酚膜的抗菌效果也较理想，为绿色包装提供了一种新的抗菌材料和工艺参数，该膜可以在生物医药、食品包装、水污染处理等方面有良好的发展前景。

Claims (5)

1.一种用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)褐藻糖胶和多酚复合膜液，该膜液包括以下组分：
(2)去除褐藻糖胶和多酚复合膜液中的气泡；
(3)制备坯膜：将褐藻糖胶和多酚复合膜液倒入到成膜模具中，凝固成坯膜；
(4)对坯膜烘干，去除水分；
(5)交联固定：坯膜连同成膜模具一起放入浓度0.8-2.4％的氯化钙溶液中交联固定5-10min；
(6)烘干成型：将经过交联处理的坯膜进行烘干，并从成膜模具上揭下成品膜，获得基于褐藻糖胶和多酚的抗菌活性的可食性膜成品，所述的步骤(6)中烘干为将膜连同成膜模具一起放入30-70℃烘箱中烘烤10-20min。
2.根据权利要求1所述的一种用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法，其特征在于：所述的多酚为茶多酚或褐藻多酚。
3.根据权利要求1所述的一种用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法，其特征在于：所述的步骤(2)为将配置的膜液放入2-8℃冰箱30min去除膜液中的气泡。
4.根据权利要求1所述的一种用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法，其特征在于：所述的步骤(3)为将25mL的褐藻糖胶膜液倒在水平放置的15cm×12cm的玻璃模具上，通过玻璃棒引流使膜液自然流平充满整块平板的玻璃模具，使形成的坯膜为15cm×12cm，室温下(25℃)凝固2h。
5.根据权利要求1所述的一种用褐藻糖胶和多酚制备具有抗菌活性的可食性膜的方法，其特征在于：所述步骤(4)将凝固后的坯膜放入30-50℃烘箱中4-6h去除水分。
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