CN109021271A - 一种聚乙烯抗菌膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种聚乙烯抗菌膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚乙烯抗菌膜，由聚乙烯膜、丙烯酸膜和至少一层壳聚糖‑柠檬精油复合膜组成。还公开了该聚乙烯保鲜膜的制备方法以及该聚乙烯保鲜膜在制备具有抗菌功效的包装材料中的应用以及在冷鲜肉保鲜中的应用。

Description

一种聚乙烯抗菌膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于保鲜膜技术领域，具体涉及一种聚乙烯抗菌膜及其制备方法和应用。
背景技术
PE即聚乙烯，聚乙烯是塑料中产量最大的热塑性材料，也是目前用量最大的塑料品种，近年来在食品包装领域中也发挥着重要作用。PE膜本身无抗菌性，可以将抗微生物剂掺进PE膜中，然而该方法制备PE膜会受到挤出期间抗微生物剂的热稳定性或与聚合物的不相容性的限制，因此先对PE膜进行表面改性，再用涂层技术是更优选择。表面改性常用方法是等离子体表面处理法，电晕处理法作用效果与等离子体处理法相同，只是电晕处理法工艺比较简便，在表面改性后的PE膜上涂覆抗菌物质，能够改善 PE的非极性问题，实现稳定性和粘附性，是最理想的方式。
甲壳素是天然高分子化合物的一种，由β-1,4糖苷键连接而成，化学名称是(1,4)-2- 乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖；而由甲壳素通过不同程度脱乙酰基反应得到的，一般甲壳素脱乙酰基度达到70％以上的，就是甲壳素的重要衍生物——壳聚糖，其化学名称是 (1,4)-2-氨基-2-脱氧-8-D-葡萄糖。
壳聚糖是一种无毒安全的高分子材料，具有良好的抗菌性、成膜性、生物兼容性，与人体细胞有良好的亲和性，已被应用于生物医药、化学和食品工业。在食品应用中，壳聚糖可用作肉制品、水果和鸡蛋的表面涂层，或酸性食品的添加剂。其防护屏障可以延缓成熟和减少水分流失，从而对食品起保鲜作用。
壳聚糖的抗菌性与其自身的分子量、脱乙酰度以及菌的种类等有关系。有关于壳聚糖最新抗菌机理的研究表示：壳聚糖先是引起细菌细胞内的酶向外溢出，再通过损坏细菌细胞壁来影响其正常功能。有关于壳聚糖抗菌能力的研究表示：壳聚糖的分子质量、乙酰化程度和所处环境条件限制了其自身抗菌能力。
壳聚糖膜对水蒸汽有良好的阻隔性能，可以阻止食品表面水分的转移，但壳聚糖浓度过高或过低都会影响其膜的质量，因此可以通过添加乳化剂、增塑剂或用涂层法改善其成膜性。目前，壳聚糖已经作为涂层用于食品包装纸上，并且已经报道了壳聚糖涂布纸张后显着增强了纸张的光泽度和氧气阻隔性能。然而在壳聚糖涂覆的产品中，关于壳聚糖涂覆PE膜的研究数量有限，因为PE不带有任何极性基团，其表面能低，因此难以将PE用于涉及粘合的应用中，如印刷和涂布。根据这些限制，需要在壳聚糖涂覆之前对PE膜进行表面改性。
食品工业中常用的合成抗菌化合物的安全性问题促使了人们对天然精油抗菌性的兴趣。天然精油(EOs)是从芳香植物中提取的天然物质，其高含量的酚类化合物对食源性病原体具有有效的抗菌特性，当用作食品添加剂时，在当前较低的摄入量下不会对人体健康造成风险。天然精油及其成分在EU被归类为食品添加剂并被药物管理局公认为安全物质，可用于食品包装，提高食物链的可持续发展性。在未来的发展中，精油的出现可以适当取代合成添加剂，减少化学成分的危害，广泛应用于食品工业。
柠檬外果皮的油细胞中存在柠檬精油，平均含量约0.7％～0.8％，柠檬精油的主要成分包含香茅油、柠檬烯、柠檬醛等，可用于薰身洗面，对皮肤有保护功能，能够促进新陈代谢，有抗菌防腐作用，目前广泛应用于食品保鲜，其柠檬香味可做食品添加剂来增加食品的香鲜味。
屠宰产品主要分为热鲜肉、冷冻肉、冷鲜肉，其中热鲜猪肉在目前消费中占据主要地位。热鲜肉易被污染和腐化，无法迎合消费者对健康的要求，而冷鲜肉具有营养价值高、安全系数高、感官舒适性高等优势，因此冷鲜肉将是未来消费升级的主要产品。据统计，我国冷鲜肉消费量占猪肉总消费量的比例由2005年的2％增至2015年的20％。
冷鲜肉在生产和运输过程中虽然一直处于冷链状态，但是在冷藏的条件下依然会受微生物的污染导致腐败变质和褐变等问题，而消费者对食品质量和保鲜的要求也越来越高。传统保鲜膜虽然能对冷鲜肉起保鲜作用，但无抗菌效果且保鲜时间不宜过长，因此抗菌膜的应用在今后的食品包装市场中将会更广泛。
PE膜安全无毒、价格低廉，具有优良机械性能，良好的阻气保鲜和阻湿效果，但无抗菌性，被广泛用于肉类食品中；壳聚糖是天然的抗菌剂和成膜物质，但机械强度、阻隔性能以及与PE的相容性差。
目前，层层自组装技术被广泛应用于薄膜的制备中，其作用力实际是分子单元通过识别、装配、结合的过程，成为功能性超分子材料。作用力主要包括电荷转移、共价键、配位键、氢键和静电引力等形式。而静电作用力是制备薄膜过程中最常见的一种，能保证带有相反电荷的物质在基材中充分地吸附，是成膜的驱动力。
目前，现有技术中还没有采用层层自组装技术将壳聚糖、柠檬精油等引入PE薄膜上并获得良好抗菌效果的研究以及用于冷鲜肉保鲜等方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚乙烯抗菌膜，该聚乙烯抗菌膜具有较好的抗菌效果。
本发明的目的还在于提供上述聚乙烯抗菌膜的制备方法，该制备方法采用层层自组装方法，将壳聚糖、柠檬精油引入经过丙烯酸处理过的聚乙烯膜表面。
本发明的目的还在于提供上述聚乙烯抗菌膜在制备具有抗菌效果的包装材料中的应用以及在冷鲜肉保鲜中的应用。
本发明的上述第一个目的是通过如下技术方案来实现的：一种聚乙烯抗菌膜，由聚乙烯膜、丙烯酸膜和至少一层壳聚糖-柠檬精油复合膜组成。
进一步的，所述聚乙烯抗菌膜从外层到内层依次由聚乙烯膜、丙烯酸膜和至少一层壳聚糖-柠檬精油复合膜组成。
优选的，本发明所述聚乙烯膜为电晕处理过的聚乙烯膜。
电晕聚乙烯(PE)膜，跟一般的聚乙烯(PE)膜相比，有更强的极性，能够与更多的物质发生化学作用。大多数塑料薄膜(如聚烃薄膜)属非极性聚合物，表面张力较低，一般在29-30mN/m。电晕处理薄膜尤其是聚乙烯薄膜时，空气电离后产生的各种离子在强电场的作用下，加速并冲击处理装置内的塑料薄膜，使塑料分子的化学键断裂而降解，可以增加表面粗糙度和表面积，放电时还会产生大量的臭氧，能使塑料分子氧化，产生羰基与过氧化物等极性较强的基团，从而提高了其表面能。
优选的，本发明所述丙烯酸膜为食品级水性丙烯酸膜。
与非水性丙烯酸膜相比，水性丙烯酸膜配方灵活，耐水性好，基材附着力好，机械性能好，耐酸碱性好，耐紫外线好。
优选的，本发明所述壳聚糖-柠檬精油复合膜的层数为三层。
不同层数的壳聚糖-柠檬精油复合膜涂布PE膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果不同，抑菌圈越大表示抑菌作用越强，结果表明，随着壳聚糖-柠檬精油复合膜涂布的层数增加，对两种菌的协同抑菌作用越强，壳聚糖-柠檬精油复合膜涂布层数为三层时抑菌作用最强。
优选的，本发明所述聚乙烯膜的厚度为15～25μm，所述丙烯酸膜的厚度为1～10μm，所述壳聚糖-柠檬精油复合膜的厚度为5～20μm。
此时，聚乙烯抗菌膜具有较佳的抗菌效果以及较好的适用性。
本发明的上述第二个目的是通过以下技术方案来实现的：上述聚乙烯抗菌膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备壳聚糖溶液：选取壳聚糖，溶于醋酸溶液中，磁力搅拌后，得到壳聚糖溶液；
(2)制备柠檬精油溶液：选取柠檬精油，溶于水中，同时加入吐温80，磁力搅拌后，得柠檬精油溶液；
(3)制备壳聚糖-柠檬精油复合溶液：将步骤(1)中的壳聚糖溶液和步骤(2)中的柠檬精油溶液按比例混合，制得壳聚糖-柠檬精油复合溶液；
(4)层层自组装制备聚乙烯抗菌膜：选取聚乙烯膜，先在所述聚乙烯膜上涂布丙烯酸乳液，干燥后再涂布至少一层步骤(3)中所述的壳聚糖-柠檬精油复合溶液，干燥后，即制得聚乙烯抗菌膜。
在该聚乙烯抗菌膜的制备方法中：
优选的，步骤(1)中所述醋酸溶液的体积百分含量为1.5～2.5％，所述的壳聚糖溶液的浓度为0.015～0.025g/mL。
优选的，步骤(2)中所述柠檬精油的初始浓度为0.1～0.2g/mL，所述柠檬精油与所述水的体积比为8～1.2：3～5，所述吐温80的质量为柠檬精油和水总体积的0.4％～0.6％。
优选的，步骤(1)～(2)中磁力搅拌转速为800～1000rpm，搅拌时间为50～70min。
优选的，步骤(3)中所述壳聚糖溶液和柠檬精油溶液的体积比为1：1～3，更佳的，所述壳聚糖溶液和柠檬精油溶液的体积比为1：1。
优选的，步骤(4)中所述的丙烯酸乳液为水性丙烯酸乳液。
本发明利用层层自组装方法来制备聚乙烯抗菌膜，具有可成膜、物质丰富、简单通用、产物有序性高等优点，可通过实验条件的调节控制薄膜的生成，易于实现多功能纳米组装薄膜和表面修饰。
在制备多层膜时，通过控制溶液的浓度、组装次数等参数可以控制膜的结构和厚度，并较好地调控薄膜的成分、结构及形貌和功能。另外，由于静电作用的非特异性，使得具有不同功能性的物质得以在膜上添加进而发挥其特异性的作用。
本发明进一步通过原子力显微镜(AFM)，傅里叶变换红外光谱(FTIR)评估丙烯酸的涂布处理对聚乙烯膜表面性能的影响，通过测定丙烯酸处理的聚乙烯膜的水接触角，确定膜的亲水性。通过凯氏定氮法测定沉积在膜上的壳聚糖的量，通过核磁共振的持水性和菌落总数来评价该膜在冷鲜肉中的应用效果。
本发明的上述第二个目的是通过以下技术方案来实现的：上述聚乙烯抗菌膜在制备具有抗菌效果的包装材料中的应用以及在冷鲜肉保鲜中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明中的聚乙烯保鲜膜，由聚乙烯膜、丙烯酸膜和至少一层壳聚糖-柠檬精油复合膜组成，其中，在聚乙烯膜表面涂布丙烯酸膜可以显著改变聚乙烯膜的表面形态，涂布了丙烯酸膜的电晕聚乙烯膜比起纯电晕聚乙烯膜的亲水性提高，在聚乙烯膜表面涂布丙烯酸膜使得聚乙烯膜的表面多了更多的活性亲水基团羟基-OH，而且，在聚乙烯膜的表面涂布水性丙烯酸膜可以增强壳聚糖和经PAA处理过的聚乙烯膜之间的相互作用；
(2)本发明通过自组装这种交替沉积技术，制备的聚乙烯保鲜膜，具有可成膜、物质丰富、简单通用、产物有序性高等优点，可通过实验条件的调节控制薄膜的生成，易于实现多功能纳米组装薄膜和表面修饰；
(3)本发明通过将壳聚糖与柠檬精油复合膜在聚乙烯膜上的自组装膜的构建，这种更为优选的涂布技术，是聚合物溶液涂层将抗微生物分子附着在塑料膜上的稳定性和粘合性方面是最理想的方式，也符合活性抗菌包装的要求，即能在一定程度上满足目前社会上关于食品安全和质量方面的＂少处理、易处理、即食新鲜、食品交易全球化及集中化处理后的分配＂等要求；
(4)采用本发明方法制备获得的聚乙烯抗菌膜具有良好的阻气保鲜和阻湿效果，还具有优良的抗菌性，并且机械性能好，还安全无毒，是天然的食品接触型抗菌材料。
附图说明
图1为本发明聚乙烯抗菌膜的性能测试与结果分析部分，比较涂覆有PAA(a)和纯的PE膜的红外光谱PE膜(b)；
图2是本发明聚乙烯抗菌膜的性能测试与结果分析部分，PE-CTS膜(a)、纯CTS膜(b)、PE-PAA-CTS膜(c)的红外光谱比较；
图3是本发明聚乙烯抗菌膜的性能测试与结果分析部分，涂覆有PAA的PE膜和纯PE表面的AFM图像；
图4是本发明聚乙烯抗菌膜的性能测试与结果分析部分，纯PE、PE-PAA、 PE-PAA-CTS、PE-PAA-CTS/柠檬精油三种膜的接触角比较；
图5是本发明聚乙烯抗菌膜的抗菌测试与结果分析部分，不同配比壳聚糖溶液和柠檬精油溶液对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果；
图6是本发明聚乙烯抗菌膜的抗菌测试与结果分析部分，不同层数混合成膜液涂覆 PE膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果；
图7是本发明聚乙烯抗菌膜在冷鲜肉保鲜中的应用部分，4℃下PE膜和PE-PAA-CTS/LEO膜包装猪肉的TVB-N；
图8是本发明聚乙烯抗菌膜在冷鲜肉保鲜中的应用部分，4℃下PE膜和 PE-PAA-CTS/LEO膜包装猪肉的pH；
图9是本发明聚乙烯抗菌膜在冷鲜肉保鲜中的应用部分，4℃下PE膜和 PE-PAA-CTS/LEO膜包装猪肉的菌落总数；
图10是本发明聚乙烯抗菌膜在冷鲜肉保鲜中的应用部分，4℃下PE膜(a)和 PE-PAA-CTS/LEO膜(b)包装猪肉的核磁共振弛豫时间T2的曲线图；
图11是本发明聚乙烯抗菌膜在冷鲜肉保鲜中的应用部分，4℃下PE膜(a)和 PE-PAA-CTS/LEO膜(b)包装猪肉的弹性变化；
图12是本发明聚乙烯抗菌膜在冷鲜肉保鲜中的应用部分，4℃下PE膜(a)和 PE-PAA-CTS/LEO膜(b)包装猪肉的硬度变化；
图13是本发明聚乙烯抗菌膜在冷鲜肉保鲜中的应用部分，4℃下PE膜(a)和 PE-PAA-CTS/LEO膜(b)包装猪肉的黏性变化。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围如各原料浓度、磁力搅拌转速、时间、质量百分含量、体积比等不局限于实施例所举。
(一)、聚乙烯抗菌膜及其制备方法
以下实施例中采用的原料来源：
壳聚糖(脱乙酰度>95％)、醋酸、氯化钠、氢氧化钠，国药集团化学试剂有限公司；
柠檬精油、去离子水，上海应用技术学院香料香精技术与工程学院；
微生物营养物质琼脂、蛋白胨、牛肉膏，北京奥博星生物技术有限责任公司；
大肠杆菌菌种、金黄色葡萄球菌菌种，仲恺农业工程学院微生物实验室；
电晕PE膜，脱普日用化学品有限公司；
丙烯酸树脂乳液，市售产品；
鲜猪肉，海珠区市场；
甲基红指示剂、溴甲酚绿指示剂、硼酸、氧化镁、盐酸、95％乙醇，天津市天茂化学试剂厂。
实施例1
本实施例提供的聚乙烯抗菌膜，由聚乙烯膜、丙烯酸膜和一层壳聚糖-柠檬精油复合膜组成。
其中聚乙烯膜为电晕处理过的聚乙烯膜。
丙烯酸膜为水性丙烯酸膜。
该聚乙烯抗菌膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备壳聚糖溶液：称取0.2g壳聚糖溶入浓度为2％(10mL)的醋酸溶液中，在磁力搅拌器中搅拌1小时，配制成10mL浓度为2％(w/v)的壳聚糖溶液；
(2)制备柠檬精油溶液：用移液器量取2mL柠檬精油溶入8mL去离子水中，同时加入0.4％(w/v，吐温80的用量占柠檬精油和水总体积0.4％～0.6％)的吐温80，在磁力搅拌器中搅拌1小时，配制成10mL稀释过的柠檬精油溶液；
(3)制备壳聚糖-柠檬精油复合溶液：然后将两者混合后在磁力搅拌器中搅拌30分钟，配制好20mL的混合成膜液；
(4)层层自组装制备聚乙烯抗菌膜：将电晕PE膜贴在XKR-XB320D线棒涂布机的玻璃板上并固定住，选用OSP-05的线棒，在电晕PE膜上涂覆一层丙烯酸树脂乳液，待其干燥一段时间后，再涂覆一层配制好的混合成膜液，干燥后标记这张膜为B膜，即 B膜的每一层分别是PE-PAA-混合成膜液；
由不同比例配成的二氧化钛/壳聚糖溶液的PE膜，体积比分别为壳聚糖CTS：柠檬精油为8：0、4：4、和0：8。
实施例2
与实施例1不同的是，步骤(3)中壳聚糖CTS：柠檬精油的体积比为8：0、6：2 和0：8。
实施例3
与实施例1不同的是，步步骤(3)中壳聚糖CTS：柠檬精油的体积比为8：0、2： 6和0：8。
实施例4
与实施例1不同的是，壳聚糖CTS：柠檬精油的体积比为1：1时，在聚乙烯PE 膜上涂覆二层壳聚糖和柠檬精油复合溶液以及三层壳聚糖和柠檬精油复合溶液与未涂覆壳聚糖和柠檬精油复合溶液、以及涂覆一层壳聚糖和柠檬精油复合溶液的对照。
实施例5
与实施例1不同的是，该聚乙烯抗菌膜从外层到内层依次由聚乙烯膜、丙烯酸膜和至少一层壳聚糖-柠檬精油复合膜组成，制备时，壳聚糖的浓度是0.015g/mL，柠檬精油的浓度为0.1g/mL。
(二)聚乙烯抗菌膜的性能测试与结果分析
将实施例1-4制备的聚乙烯抗菌膜进行性能测试，结果如下：
一、性能测试：
1.1实验设备
AB135-S电子分析天平(0.00001g)，METTLER TOLEDO公司；DHG-9140A电热鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司；PO-200数字式连续可调微量移液器，METTLER TOLEDO公司；恒温数显磁力搅拌器，上海沪西分析仪器有限公司；振荡光照培养箱、 LDZX-50FBS立式压力蒸汽灭菌器，上海森信实验仪器有限公司；DL-6000B低速离心机，深圳市科力易翔仪器设备有限公司；XKR-XB320D线棒涂布机，常州德杜精密仪器有限公司；K1100全自动凯氏定氮仪、LDZX-50FBS立式压力蒸汽灭菌器、质构仪、 NS800色差仪，山东海能科学仪器有限公司；PHS-3C数字式酸度计，上海佑科仪器仪表有限公司；纽迈核磁共振成像分析仪，苏州纽迈分析仪器股份有限公司。
1.2红外光谱
通过衰减的全反射-傅里叶变换红外光谱仪观察未处理和处理过PAA以及涂布了壳聚糖的膜的表面化学成分。ATR-FTIR光谱波数范围为4000至650厘米调查-1以4cm-1的分辨率与64次扫描。
1.3原子力显微镜
使用原子力显微镜测定纯PE膜与涂布了PAA的PE膜的表面粗糙度。评估了在 10μm×10μm图像上测量的均方根(rms)粗糙度和形貌曲线。
1.4接触角
为了证实膜是否亲水，用接触角测定仪进行测量。将膜样品裁成2cm的正方形进行测定。注射器吸取适量超纯水，安装于测量仪的夹持器上，将膜放在测量仪载物台上，调节注射器上下控制旋钮，使一滴4μL的水滴滴落在膜表面，并在10s内冻结水滴的图像，计算接触角值，并用其均值表示接触角(°)。
二、结果分析
2.1膜的红外光谱分析
通过衰减的全反射-傅里叶变换红外光谱仪观察未处理和处理过PAA以及涂布了壳聚糖的膜的表面化学成分。ATR-FTIR光谱波数范围为4000至650厘米调查-1以4cm -1的分辨率与64次扫描。结果如图1-2所示。
如图1所示，电晕PE膜在723cm-1左右有较强的吸收振动峰，为-CH2键，其他吸收振动峰，如1713cm-1处的酯基C＝O在伸缩振动，以及1238cm-1的酚羟基，1095cm-1处的醚键都有明显的伸缩振动，由于电晕处理过的PE膜表面带上了许多的活性基团，使得PE表面变得活泼，能与更多的活性基团接触。承印物表面附着力也增强了。而涂布过PAA的PE膜在2000cm-1以后的吸收峰与PE膜基本一致，但在3571cm-1处和 3365cm-1出现了新的宽吸收峰，分子间的氢键在伸缩振动，说明PAA涂层处理使得PE 膜的表面多了更多的活性亲水基团羟基-OH。
如图2显示了PE-PAA-CTS膜，PE-CTS膜，纯CTS膜的ATR-FTIR光谱。从b,c 可以看出，在覆盖3250～3460cm-1的范围的大带中观察到碳水化合物环的N-H和O-H 拉伸的重叠。a与c的红外光谱图并未发生明显的变化，但c在2400cm-1出现羧酸二聚体的峰,能与壳聚糖的羟基发生更好的结合。b纯壳聚糖分别在1586cm-1处显示对应于酰胺基振动的特征吸收带。在3358cm-1处有特征峰，为酰胺键-NH3，在2920cm-1处有较强的吸收振动峰，为羟基-OH。除了壳聚糖的特征峰外，从a，c可以看出，在1713cm-1处表示酯基的C＝O伸缩振动的新峰，从而得知形成了通过酯键发生的共价键，将壳聚糖包被在PAA涂布处理的PE膜上。
2.2膜的原子力显微镜分析
使用原子力显微镜测定纯PE膜与涂布了PAA的PE膜的表面粗糙度。评估了在10 μm×10μm图像上测量的均方根(rms)粗糙度和形貌曲线。
为了研究PAA的涂布处理对PE膜表面形态的影响，使用AFM观察来呈现三维表面视图。图3显示了涂布了PAA的PE膜和纯PE表面的AFM图像。显然，涂布了PAA 的处理显着改变了PE膜的表面形态。由图3可以看出，未处理的PE膜表面的大部分区域相当光滑，而在PAA涂布处理过的PE膜的表面上有很多突出部分。此外，表面粗糙度的变化可以通过均方根(rms)粗糙度值来量化，该值是指兴趣区域内的峰和谷的平均尺寸。较低有效值数字表示平滑的表面。可从图3计算未处理的PE膜的均方根为 26.35±7.39nm，有PAA处理过的PE膜，该值增加至32.52±8.93nm。结果表明，涂布了PAA去除了PE表面顶层而对PE表面产生强烈的冲击。这种现象可能与分子的物理或化学去除，链断裂和降解过程有关。
2.3膜的接触角分析
为了证实膜是否亲水，用接触角测定仪进行测量。将膜样品裁成2cm的正方形进行测定。注射器吸取适量超纯水，安装于测量仪的夹持器上，将膜放在测量仪载物台上，调节注射器上下控制旋钮，使一滴4μL的水滴滴落在膜表面，并在10s内冻结水滴的图像，计算接触角值，并用其均值表示接触角(°)。
接触角(θ)是确定表面润湿性的变量。液滴在平坦表面上展开的趋势随着接触角的减小而增加。因此，高接触角表示不良润湿。接触角由粘合剂(液体和固体之间的力) 和内聚力(液体中的力)之间的力平衡决定。因此，可湿润表面可能表明其亲水性。
结果如图4所示，涂覆了PAA的PE膜接触角变小，证明亲水性提高了，而涂覆了 PAA和壳聚糖的PE膜，亲水性比起前面两组有提高，证明是壳聚糖提高了亲水性；最后一组涂覆了PAA、壳聚糖、柠檬精油的PE膜接触角只有20°，说明柠檬精油和壳聚糖的共同作用使亲水性大大提高，涂膜在PE和PAA基层上的效果比较好。
(三)聚乙烯抗菌膜的抗菌测试与结果分析
3.1不同壳聚糖/柠檬精油层数的LBL方法复合膜抑菌实验
取大肠杆菌和金黄色葡萄球菌斜面冻干菌种管，用灭菌接种环挑取典型菌落划线接种于固体琼脂斜面培养基中，放置于37℃恒温培养箱中培养24小时。取活化后的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌种，用无菌接种环挑取一环接种于300ml液体培养基中，在手掌上振荡数次，得到大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌悬液，分别置于37℃，转速为180rpm 的摇床内振荡培养24小时，得到大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌悬液，轻轻振荡后用无菌移液管吸取10mL于装有90mL无菌生理盐水的锥形瓶中，稀释成10-1(CFU/mL)浓度的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌悬液，高压蒸汽灭菌后进行倒平板操作，待固体培养基凝固后，用无菌移液枪吸取0.1mL浓度为10-1的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌悬液于其表面，用无菌三角环将菌液均匀涂布在培养基的表面。在固体培养基的中间位置摆放牛津杯，一个培养皿中摆放一个，轻轻加压，使牛津杯和培养基接触无空隙。按表1的配比分别把待测液加入到牛津杯中，然后把培养皿放入37℃恒温培养箱中培养24h，测量抑菌圈直径和观察抑菌圈的大小。
表1壳聚糖溶液和柠檬精油溶液的配比
A1、B1、C1、D1、E1和A2、B2、C2、D2、E2分别表示当壳聚糖和柠檬精油的配比为80：0，60：20，40：40，20：60，0：80时，菌种为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌时，所对应的实验分组。
不同配比壳聚糖溶液和柠檬精油溶液对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果如图5所示，表1中的抑菌实验所对应的抑菌直径如表2所示，抑菌圈的直径越大，说明抑菌效果越好。A组为单独壳聚糖，E组为单独柠檬精油，E组的抑菌直径比A组大，说明柠檬精油的抑菌性比壳聚糖高；B、C、D组是壳聚糖和柠檬精油协同作用，抑菌直径都比A组大，说明两者协同作用的抑菌性比单独壳聚糖高；其中C组的抑菌圈直径最大，说明当壳聚糖溶液和柠檬精油溶液的配比为1：1的时候对两种菌的抑菌性都是最高。从图5中结果还可以算出金黄色葡萄球菌组的平均抑菌直径比大肠杆菌组大，说明这两种溶液对金黄色葡萄球菌抑菌效果更佳。
表2不同配比壳聚糖溶液和柠檬精油溶液对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌直径
A1、B1、C1、D1、E1和A2、B2、C2、D2、E2分别表示当壳聚糖和柠檬精油的配比为80：0，60：20，40：40，20：60，0：80时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌直径。
3.2抑菌性的测定
将实施例4中的四张膜剪成直径为1.5cm的圆作为样品，置于无菌条件下待用；用无菌镊子将其放置在固体培养基表面中间，并且有壳聚糖和柠檬精油的一层紧贴培养基表面，放置于37℃恒温培养箱中培养24小时，最后测量抑菌圈直径和观察抑菌圈的大小，具体组别见表3。
表3不同层数混合成膜液涂覆PE膜
其中a1、b1、c1、d1和a2、b2、c2、d2分别表示壳聚糖/柠檬精油层数为0、1层、2层、3层时，菌种为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌时，所对应的实验分组。
不同层数混合成膜液涂覆PE膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果如图6所示，不同层数混合成膜液涂覆PE膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌直径如表4所示，抑菌圈越大表示抑菌作用越强。结果表明，随着壳聚糖和柠檬精油的混合成膜液涂覆的层数增加，对两种菌的协同抑菌作用越强，四组实验中混合成膜液涂覆层数为三层时抑菌作用最强。
表4不同层数混合成膜液涂覆PE膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌直径
其中a1、b1、c1、d1和a2、b2、c2、d2分别表示壳聚糖/柠檬精油层数为0、1层、 2层、3层时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌直径。
(四)聚乙烯抗菌膜的在冷鲜肉保鲜中的应用
4.1聚乙烯抗菌膜在冷鲜肉中的保鲜
用清水冲洗鲜猪肉表面，把水分沥干后均匀切成5g(用于核磁共振的测定)、10g(用于色差、质构、TVB-N值、pH值的测定)、25g(用于菌落总数的测定)的小块，然后分成两组。一组用PE膜包装；另一组用抗菌膜包装(含柠檬精油的壳聚糖层接触鲜猪肉表面，二者的体积比为1：1，层数为三层)。分别将这两组包装好的鲜猪肉置于 4℃冰箱里保存。在第1、3、5、7、9天测定其挥发性盐基氮(TVB-N值)、pH值、菌落总数，通过色差仪和质构仪分析其颜色变化和质构变化，通过核磁共振仪测定其水分变化。
取10g猪肉，按照GB5009.228—2016《食品安全国家标准食品中挥发性盐基氮测定》中规定的自动凯氏定氮仪法来测定，单位为mg/100g。评价标准：一级鲜度≤ 15mg/100g，二级鲜度≤20mg/100g变质肉>20mg/100g。
取10g猪肉，按照GB/T9695.5-2008《肉与肉制品p H值测定》规定的方法来测定。评价标准:一级鲜度5.8～6.2，二级鲜度6.3～6.6，变质肉>6.7。
取25g猪肉，按照GB4789.2-2016《食品安全国家标准菌落总数测定》规定的方法来测定。评价标准：小于104cfu/g为一级鲜度，在104cfu/g～106cfu/g之间为二级鲜度，大于106cfu/g为变质肉。
基于核磁共振弛豫时间来反映水分的自由度，研究肉品的水分分布和变化。设置好硬脉冲CPMG序列的参数，取5g猪肉进行测定，测定结束后进入T2反演从而得出弛豫时间分布状况图。
黑白校正后取10g猪肉测量，测定肉样在储存期间的L*值(明度)，a*值(红度)， b*值(黄色度)，重复测量三次，最后取平均值。
取10g等厚度猪肉置于质构仪探头下。测定参数为：起始力1N，形变量30％，检测速度150mm/min，暂停时间5s，上升高度15mm，量程1000N。
4.2挥发性盐基氮结果分析
挥发性盐基氮是指猪肉中的蛋白质分解产生了氨类等碱性挥发物质，由肌肉中的内源酶或者细菌的作用而导致。
4℃下PE膜和PE-PAA-CTS/LEO膜包装猪肉的TVB-N如图7所示，从图7中可以看出，在4℃冷藏条件下，用PE膜包装的猪肉在第7天时TVB-N值达到20mg/100g开始变质，而且第7天到第9天变质速度加快，到第9天时已经完全变质有了明显的恶臭味；用PE-PAA-CTS/LEO抗菌膜包装的猪肉在第7天时仍然处于二级鲜度范围内，第9 天时达到腐败值开始变质。
4.3pH值结果分析
冷藏过程中猪肉pH值的变化对肉的颜色、可溶性蛋白浓度以及货架期的长短都有影响，因此pH值是测定猪肉质量的重要指标。
4℃下PE膜和PE-PAA-CTS/LEO膜包装猪肉的pH如图8所示，从图8中可以看出，在4℃冷藏条件下，用PE膜包装的猪肉在第7天时pH为6.79，已经开始变质，第9天时pH为7.1，已经完全腐败变质；用抗菌膜包装的猪肉在第7天时pH为6.54，属于二级鲜度范围内，第9天时pH为6.66，仍然属于二级鲜度但是接近变质肉。
4.4菌落总数结果分析
冷藏过程中猪肉的菌落总数可以反应出微生物对猪肉作用的程度，是判定猪肉质量的重要指标之一。
4℃下PE膜和PE-PAA-CTS/LEO膜包装猪肉的菌落总数如图9所示，从图9中可以看出，在4℃冷藏条件下，用PE膜包装的猪肉在第5天时菌落总数在104cfu/g～106cfu/g 之间，属于二级鲜度，第5天到第7天菌落总数上升非常快，到第7天时菌落总数接近 107cfu/g，已经腐败变质，第9天时达到了107cfu/g，有明显恶臭味；用抗菌膜包装的猪肉在第9天时菌落总数接近106cfu/g，准备开始变质。
4.5核磁共振结果分析
冷藏过程中猪肉的水分变化可以通过核磁共振测出来，核磁共振的横向弛豫时间是研究持水性和水分分布的一种非常有效的方法。
4℃下PE膜(a)和PE-PAA-CTS/LEO膜(b)包装猪肉的核磁共振弛豫时间T2的曲线图如图10所示，图10中的a图和b图所对应的曲线a1、a3、a5、a7、a9和b1、b3、b5、b7、b9分别表示第1、3、5、7、9天PE膜和PE-PAA-CTS/LEO膜包装猪肉的核磁共振曲线。
图10中可以看出两组曲线图都有四个峰，根据本试验样品的NMR弛豫时间和峰值的结果来看，弛豫时间T2的四个峰分别为T20、T21、T22、T23，可以认为T20、T21 为与蛋白质等大分子结合的结合水；T22代表了肌肉中存在于肌原纤维及膜之间的不易流动水，占了肌肉中水分的绝大部分；T23代表了存在于细胞外间隙中能自由流动的水。 T20、T21弛豫时间没有明显的规律，T22弛豫时间越长，则不易流动水向自由水转化的越多，保水性越差；T23弛豫时间越长，则自由水含量越高，保水性越差。四个峰的峰顶所对应的横坐标分别表示每种成分水的弛豫时间。
表5 4℃下PE膜(a)和PE-PAA-CTS/LEO膜(b)包装猪肉的弛豫时间T22、T23
a1、a3、a5、a7、a9和b1、b3、b5、b7、b9分别表示第1、3、5、7、9天PE膜和 PE-PAA-CTS/LEO膜包装猪肉的弛豫时间T22、T23。
从表5中可以看出，在4℃冷藏条件下，a组猪肉在第3、5、7天T23弛豫时间增加，表明不易流动水在向自由水转化，猪肉保水性下降，在第9天T22弛豫时间增加，表明自由水总量增加，猪肉保水性继续下降；b组猪肉在第5、7天T23弛豫时间增加，表明不易流动水在向自由水转化，猪肉保水性下降，在第9天T22弛豫时间增加，表明自由水总量增加，猪肉保水性继续下降。对比两组实验每天的弛豫时间，发现a组弛豫时间都比b组长，说明b组的保水性比较好，即用抗菌膜包装保鲜效果比较好。
4.6色差分析
猪肉中的肌红蛋白是颜色的重要组成成分，肌红蛋白中的铁离子和氧气结合生成鲜红色的氧合肌红蛋白，所以鲜红色是新鲜猪肉的特征。色差仪所测的a*值越大，表明越红，因此a*值对肉色评定有很大的参考意义。b*值越大，表明越黄，对肉色评定也有一定影响。
表6 4℃下PE膜(a)和PE-PAA-CTS/LEO膜(b)包装猪肉的L*a*b*值
a1、a3、a5、a7、a9和b1、b3、b5、b7、b9分别表示第1、3、5、7、9天PE膜和 PE-PAA-CTS/LEO膜包装猪肉的L*a*b*值。
从表6中可以看出，在4℃冷藏条件下，用PE膜和抗菌膜包装的猪肉L*值都不断减小，证明猪肉的亮度不断降低，a*值都不断减小，证明猪肉的红色逐渐褪去，b*值没有太大的差别，但是第9天时数值最大，猪肉明显偏黄；b组比起a组，其L*值和a* 值高，b*值小，证明b组的保鲜效果比a组好。
4.7质构分析
4℃下PE膜(a)和PE-PAA-CTS/LEO膜(b)包装猪肉的弹性变化如图11所示，4℃下PE膜(a)和PE-PAA-CTS/LEO膜(b)包装猪肉的硬度变化如图12所示，从图11-12中可以看出，在4℃冷藏条件下，两组实验曲线变化趋势相同，弹性和硬度都逐渐下降，失去新鲜猪肉所具备的特征，开始腐败变质，在第7天到第9天时，弹性下降最快，在第 5天到第7天时硬度下降最快，对比两曲线发现用抗菌膜包装的猪肉其硬度和弹性都比较好。在冷藏过程中，由于猪肉的自身分解和微生物分解作用，导致肌肉蛋白分解以及脂肪氧化，从而使猪肉丧失水分，弹性和硬度下降。
4℃下PE膜(a)和PE-PAA-CTS/LEO膜(b)包装猪肉的黏性变化如图13所示，由于猪肉自身分解和微生物的作用还会导致猪肉表面变黏，因此肉质变黏也是猪肉变质的一个特征。从图13中可以看出两组实验曲线黏度都不断增加，在第1、3、5天时，用抗菌膜包装的猪肉黏度比较大，在第7天之后黏度又低于用PE膜包装的猪肉，由此变化可以推测出用抗菌膜包装的猪肉在第1、3、5天时由于柠檬精油与肉的表面接触，而导致测出来的猪肉黏度比较大，在第7天后，抗菌膜的保鲜作用大于柠檬精油的作用，所以黏度又比用PE膜包装的猪肉低。
综合TVB-N值、pH、菌落总数、核磁共振、色差、质构的实验结果，在4℃冷藏条件下，用PE膜包装的猪肉在5天内仍然符合指标，第7天时已经出现变质；用 PE-PAA-CTS/LEO抗菌膜包装的猪肉在7天内仍然符合指标，第9天时有的指标已经达到变质，有的指标开始接近变质。因此，PE-PAA-CTS/LEO抗菌膜相比PE膜能够延长猪肉的保质期2～3天。
所以，本发明主要是为了克服单一壳聚糖抑菌和成膜的局限性，制备出一种具有抗菌性并且成膜后机械性能、保水性能、透明性能良好的保鲜膜。通过前期的抑菌实验，找到了壳聚糖溶液和柠檬精油溶液的最佳复配比是1：1(体积比)，然后通过涂布机在电晕PE膜上涂覆PAA，接着涂覆三层1：1的壳聚糖和柠檬精油混合液，最后做了抗菌膜相关的表征，并将其应用在冷鲜肉上，测定了挥发性盐基氮(TVB-N值)、pH值、菌落总数、核磁共振，通过色差仪和质构仪分析了肉的颜色变化和质构变化，实验证明 PE-PAA-CTS/LEO抗菌膜相比PE膜能够延长猪肉的保质期2～3天。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种聚乙烯抗菌膜，其特征是由聚乙烯膜、丙烯酸膜和至少一层壳聚糖-柠檬精油复合膜组成。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯抗菌膜，其特征是：所述聚乙烯抗菌膜从外层到内层依次由聚乙烯膜、丙烯酸膜和至少一层壳聚糖-柠檬精油复合膜组成。
3.根据权利要求2所述的聚乙烯抗菌膜，其特征是：所述聚乙烯膜为电晕处理过的聚乙烯膜，所述丙烯酸膜为食品级水性丙烯酸膜，所述壳聚糖-柠檬精油复合膜的层数为三层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的聚乙烯抗菌膜，其特征是：所述聚乙烯膜的厚度为15～25μm，所述丙烯酸膜的厚度为1～10μm，所述壳聚糖-柠檬精油复合膜的厚度为5～20μm。
5.权利要求1-3任一项所述的聚乙烯抗菌膜的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)制备壳聚糖溶液：选取壳聚糖，溶于醋酸溶液中，磁力搅拌后，得到壳聚糖溶液；
(2)制备柠檬精油溶液：选取柠檬精油，溶于水中，同时加入吐温80，磁力搅拌后，得柠檬精油溶液；
(3)制备壳聚糖-柠檬精油复合溶液：将步骤(1)中的壳聚糖溶液和步骤(2)中的柠檬精油溶液按比例混合，制得壳聚糖-柠檬精油复合溶液；
(4)层层自组装制备聚乙烯抗菌膜：选取聚乙烯膜，先在所述聚乙烯膜上涂布丙烯酸乳液，干燥后再涂布至少一层步骤(3)中所述的壳聚糖-柠檬精油复合溶液，干燥后，即制得聚乙烯抗菌膜。
6.根据权利要求5所述的聚乙烯抗菌膜的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述醋酸溶液的体积百分含量为1.5～2.5％，所述壳聚糖溶液的浓度为0.015～0.025g/mL。
7.根据权利要求5所述的聚乙烯抗菌膜的制备方法，其特征是：步骤(2)中所述柠檬精油的初始浓度为0.1～0.2g/mL，所述柠檬精油与所述水的体积比为8～1.2：3～5，所述吐温80的质量为柠檬精油和水总体积的0.4％～0.6％。
8.根据权利要求5所述的聚乙烯抗菌膜的制备方法，其特征是：步骤(1)～(2)中磁力搅拌转速为800～1000rpm，搅拌时间为50～70min。
9.根据权利要求5所述的聚乙烯抗菌膜的制备方法，其特征是：步骤(3)中所述壳聚糖溶液和柠檬精油溶液的体积比为1：1～3。
10.权利要求1-3任一项所述的聚乙烯抗菌膜在制备具有抗菌效果的包装材料中的应用以及在冷鲜肉保鲜中的应用。
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