CN109863097B - 基于果胶或明胶的抗微生物涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于明胶或果胶的抗微生物表面涂层材料。在本发明中，硼化合物与明胶或果胶混合并得到薄膜形式的表面涂层材料。所述涂层材料可用于所有需要卫生的包装工业，特别是用于食物工业。本发明使包装能够成为抗真菌、抗念珠菌和抗细菌的。

Description

基于果胶或明胶的抗微生物涂层
发明领域
本发明涉及基于明胶或果胶的抗微生物表面涂层材料。
发明背景
食物包装的主要目的是在食物到达消费者以前保护食物免受诸如氧、光、微生物污染、化学和物理降解的因素的影响。食物包装用作食物和外部环境之间的屏障。食物包装在确保食物质量和安全，延长保质期，最小化食物浪费和减少添加到食物中的防腐剂方面也发挥着重要作用[1]。
引起质量损失或食物安全问题的最重要的化学和生物化学反应是酶促和非酶促褐变反应，油水解，油氧化，蛋白质变性，寡糖和多糖的水解，以及若干色素的变性。除化学反应外；细菌、酵母和真菌引起的微生物降解是影响食物质量和安全的另一个重要因素。
虽然食物降解可能在生产阶段期间发生，但其也可能在运输和储存期间发生。这会导致质量损失和食物安全问题。虽然食物的保质期与食物生产中的所有阶段有关，但包装阶段是这些阶段中最重要的阶段之一。当测定食品的保质期时，首先评价微生物可靠性，然后评价化学和感官质量因素。有些产品虽然经过包装，但可能会受到外部因素的影响。通过控制外部环境中的一些参数可以增加产品的保质期[1,2]。
可以给出玻璃、纸、纸板、木材、铝、罐、塑料和基于塑料的包装材料作为常规食物包装方法的实例。由于塑料的各种优点，其是最优选的包装类型。由于塑料的价格便宜且重量轻，易于加工，透明且能够以不同颜色生产，能够根据使用目的而成为非常坚硬或易弯曲的，耐低温或高温，具有各种水平的透气性，耐油和溶剂，通常是惰性的性质，所以塑料广泛优选用作包装材料。除了这些优点之外，塑料在自然界中保持多年未降解的事实是最重要的缺点[3]。
与食物生产技术的创新并行，食物包装技术也呈现出持续发展。可生物降解包装、活性包装、智能包装和采用纳米技术生产的包装系统属于最重要的创新包装系统。开发这种类型的包装系统的最重要原因之一是在向人群提供食物时最小化食物浪费，通过延迟食物降解而日复一日地增加所述最小化[1]。
抗微生物活性包装方法是新技术之一，并且其能够将一种或多种抗微生物化合物整合到包装材料中并通过在整个保质期内将所述化合物从包装材料释放到食品表面来保护食物免于腐败。释放抗微生物剂的包装是一种包装系统，其使引起食物腐败的微生物失活，防止腐败并延长食品的保质期。具有抗微生物活性的包装降低了微生物的生长速率或活细胞的数量，从而延长了停滞期[4]。在包装材料中使用不同的有机和无机抗微生物剂。将用于食物包装的抗微生物剂应该是安全的并且符合食物或包装规定。
已经要求开发基于生物聚合物的新包装系统，以解决源自使用石化塑料包装的环境固体废物问题。城市化，缩小食物份额，增加现成食品的消费以及包装材料在某段时间后在自然界中降解的事实使得能够减少源自包装垃圾的环境问题。可生物降解的聚合物被认为是一种有前途的技术，因为它是环保的，在自然界中分解并且是可再生的[2,5]。
通过经由向包装材料中添加各种活性组分或经由使用功能聚合物，向包装提供除了其屏障功能之外的不同功能特征来获得活性包装系统。对于活性包装，将活性内容物添加到涂层材料中以满足所需的迁移或稳定性质。在控释系统中，将活性内容物添加到聚合物基质中，使其可以迁移并表现出其抗氧化，抗微生物或营养性质[2,5]。
抗微生物包装是一种活性包装类型。虽然可以将抗微生物活性剂直接添加到包装材料中以减少食物中的微生物负荷和可能由食物病原体引起的污染，但是食物包装也可以完全由抗微生物聚合物制成。活性抗微生物包装系统通过降低微生物的生长速率和数量以及通过延长停滞期来实现抗微生物活性[6,7]。
明胶是一种用于改善食物工业中各种食品的质地和流变性质的添加剂。它通常用于胶凝、浓缩、成膜、持水、增稠、调质(texturizing)和稳定。在冷冻食品中，明胶防止水和糖结晶，从而防止这些食品的结构和质地降解。用于冰淇淋中的明胶通过其持水特征防止水相分离，并且进一步增加产品的浓度并用于控制生产期间的泡沫形成。因为明胶的胶凝和成膜性质，其也用作涂层材料。明胶进一步用作微囊化应用中的壁材料，并且香味包封(aroma encapsulation)就是其中的一个实例。近年来，明胶也作为载体用于食物涂层应用中。
果胶因其在食品中的胶凝、增稠、乳化剂和稳定剂性质而广泛用于果汁、果酱、果冻、柑橘酱、水果糖和乳制品中。果胶还用于一些在药物工业中用于对抗腹泻的药物组合物中。
在文献中可获得的研究中，Muriel-Galet等人通过使用牛至精油和柠檬醛开发了抗微生物EVOH(乙烯-乙烯醇)薄膜，并将该薄膜涂覆在电晕处理的PP(聚丙烯)薄膜表面上[8]。袋子由开发的材料生产，并用于包装即食沙拉混合物。确定特别是在开始时，产品中的细菌、酵母和真菌负荷在保质期期间降低并且延长了保质期。
Cerisuelo等人类似地开发了一种使用香芹酚作为抗微生物剂的PP/EVOH/PP包装材料，并将这种活性薄膜用作放置在塑料罐中的鲑鱼的上部薄膜，并阐明香芹酚延长了鱼的保质期[9]。由于香芹酚的抗微生物性质，其被用作可食用薄膜中的添加剂，并且能够延长各种肉制品如鸡肉、火腿和香肠的保质期[10,11]。由于百里酚也具有类似香芹酚的高抗微生物性质，它可以用作塑料薄膜和可食用薄膜中的活性物质[12]。Suppakul等人编辑了关于罗勒挥发油对微生物的作用以及其用作食物添加剂和用于抗微生物包装的潜在机会的信息[13]。Suppakul等人将芳樟醇和甲基胡椒酚(罗勒油组分)整合到LDPE中并用于奶酪[14]。他们公开了他们开发的薄膜具有高抗微生物活性并且不会改变奶酪的感官性质。
另外；通过在果胶薄膜材料中加入木瓜浆和肉桂醛获得了对大肠杆菌(Escherichia coli)、肠道沙门氏菌(Salmonella enterica)、单核细胞增生李斯特氏菌(Listeria monocytogenes)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的抗细菌活性[15]。此外，已经通过添加银纳米颗粒和纳米粘土实现了对大肠杆菌和单核细胞增生李斯特氏菌的抗细菌活性[16]；已经通过添加牛至和薰衣草精油实现了对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗细菌活性[17]；并且已经通过添加氧化锌纳米颗粒实现了对大肠杆菌、单核细胞增生李斯特氏菌的抗细菌活性[18]。
在文献中研究了硼化合物的抗微生物性质。Bailey等人(1980)通过他们进行的实验证明，硼酸对肠道细菌具有抗细菌活性。在革兰氏阴性(G (-))菌上尝试了含硼的抗细菌剂，并且观察到它们是有效的[19]。另一项研究表明，硼酸酯具有广谱抗细菌活性[20]。
Reynold等人(2007)表明，包含两种不同硼的亲脂性2,4-二氨基-6-甲基嘧啶抗叶酸化合物对细菌鸟分枝杆菌(Mycobacterium avium)和干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)具有中等水平的抗细菌活性[21]。
Qin等人的一项研究表明，0.1％四硼酸钾是抑制扩展青霉(Penicillium expansium)胶束生长的最低浓度[22]。
Qin等人(2010)在他们的其他研究中已经证明了1％四硼酸钾可以控制导致灰霉病的灰霉菌(Botrytis cinerea)的生长[23]。
中国专利文件号CN104559075公开了一种包装材料，其由耐高温的保鲜含硼聚酯薄膜制成。
加拿大专利文件号CA2735531公开了用于食物包装的有机硼化合物。
发明概述
本发明的目的是通过将硼化合物与基于明胶或果胶的材料一起使用来获得抗微生物表面涂层材料。
本发明的另一个目的是提供一种抗真菌表面涂层材料。
本发明的另一个目的是提供一种抗念珠菌表面涂层材料。
本发明的另一个目的是提供一种抗细菌表面涂层材料。
本发明的另一个目的是提供一种防止生物降解或生物污染的表面涂层材料。
本发明的另一个目的是提供一种易于生产和低成本的表面涂层材料。
发明详述
在本发明的范围内，通过组合硼化合物与基于明胶或果胶的化学品来制备将用作抗微生物表面涂层材料的薄膜带。
在附图中说明为实现本发明目的而开发的“基于明胶或果胶的抗微生物表面涂层材料”，其中：
图1是陪替氏培养皿中含硼薄膜的布局图。
图2是15％硼化合物掺杂的明胶薄膜对真菌黑曲霉(Aspergillus niger)的抗真菌活性的视图。
图3是10％硼化合物掺杂的明胶薄膜对白色念珠菌(Candida albicans)酵母的抗真菌活性的视图。
图4是5％硼化合物掺杂的明胶薄膜对铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)细菌的抗细菌活性的视图。
图5是10％硼化合物掺杂的明胶薄膜对金黄色葡萄球菌细菌的抗细菌活性的视图。
图6是10％硼化合物掺杂的果胶薄膜对金黄色葡萄球菌细菌的抗细菌活性的视图。
图7是10％硼化合物掺杂的果胶薄膜对真菌黑曲霉的抗真菌活性的视图。
图8是15％硼化合物掺杂的果胶薄膜对铜绿假单胞菌细菌的抗细菌活性的视图。
图9是不含任何添加剂的基于果胶的薄膜的SEM视图。
图10是含有15％硼酸的基于果胶的薄膜的SEM视图。
图11是含有10％八硼酸二钠的基于果胶的薄膜的SEM视图。
图12是含有5％五硼酸钠的基于果胶的薄膜的SEM视图。
图13是不含任何添加剂的基于明胶的薄膜的SEM视图。
图14是含有10％硼酸的基于明胶的薄膜的SEM视图。
图15是含有5％八硼酸二钠的基于明胶的薄膜的SEM视图。
图16是含有15％五硼酸钠的基于明胶的薄膜的SEM视图。
图17是包含果胶+硼衍生物的凝胶溶液按照变化的剪切速率的粘度的视图。
图18是包含明胶+硼衍生物的凝胶溶液按照变化的剪切速率的粘度的视图。
对通过使用硼化合物获得抗微生物涂层材料的方法进行的实验研究如下。
实验研究
薄膜制备
通过溶剂浇铸法制备基于明胶和低甲氧基果胶的薄膜。
- 对于明胶薄膜的制备，将3 g甘油(用作增塑剂)和10 g粉末明胶溶解在97 mL双蒸水(ddw)中，在50℃下以700 rpm搅拌30分钟。同时，将5质量％至15质量％的硼化合物(硼酸或八硼酸二钠或五硼酸钠)溶解在20 mL ddw中并滴加到明胶溶液中。将所得溶液搅拌30分钟并倒在平整表面上，并使其在室温下静置48小时直至溶剂蒸发。对于不同浓度的不同硼化合物重复该方法。
- 对于基于果胶的薄膜的制备，将3 g甘油和2 g果胶溶解在70 mL ddw中，在60℃下以700 rpm搅拌30分钟。同时，将5质量％至15质量％的硼化合物(硼酸或八硼酸二钠或五硼酸钠)溶解在15 mL ddw中并滴加到果胶溶液中。将通过将0.025g溶解在15 mL ddw中单独获得的溶液滴加到果胶-硼化合物溶液中。将所得溶液搅拌10分钟并倒在平整表面上，并使其在室温下静置72小时直至溶剂蒸发。对于不同浓度的不同硼化合物重复该方法。作为这些程序的结果，获得抗微生物薄膜样品。
在为获得本发明产物而进行的实验研究中，特别且优选使用硼酸(BA)、八硼酸二钠(DO)和五硼酸钠(SP)作为硼化合物。
表征研究和测试
开发表面的表征
进行了本发明的硼掺杂抗微生物的基于明胶和果胶的薄膜表面的表面表征。与对照组相比较地检查了开发的薄膜表面的流变、机械和形态性质。
抗微生物测试
改进的圆盘扩散法
通过改进使用标准NCCLS圆盘扩散法[24]以测定硼化合物对正在测试的每种微生物的抗微生物活性。用新培养物制备包含108 cfu/ml细菌、106 cfu/ml酵母和104 spor/ml真菌的100μl溶液，并用铺展法分别接种在营养琼脂(NA)、沙氏葡萄糖琼脂(SDA)和马铃薯葡萄糖琼脂( PDA)上。对革兰氏阳性菌中的金黄色葡萄球菌，革兰氏阴性菌中的大肠杆菌和铜绿假单胞菌，酵母中的白色念珠菌和真菌中的黑曲霉进行抗微生物活性测试。将开发的薄膜表面和对照组切成1 x 1 cm的大小，并放入接种的陪替氏培养皿中。陪替氏培养皿中含硼薄膜材料的放置显示在图1中。将被接种的并在其上应用改进圆盘扩散法的陪替氏培养皿孵育24小时(对于细菌)，在36±1℃下孵育48小时(对于酵母)，在25±1℃下孵育72小时(对于真菌)。通过测量抑制区(微生物不生长的区域)评估用改进的圆盘扩散法测试的对微生物的抗微生物活性。测试的含硼薄膜表面的抗微生物活性测试结果总结在表1中，并且所有测试重复至少两次。
实验结果
抗微生物测试结果：
测试的硼化合物的抗微生物活性测试结果总结在表1中。所有测试重复至少两次。
表1 – 硼酸(BA)、八硼酸二钠(DO)、五硼酸钠(SP)掺杂表面和对照(K)组对测试微生物的抗微生物活性。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
测定形态性质
通过使用SEM装置(EVO 40系列，Carl Zeiss，Germany)测定所开发的基于明胶或果胶的硼掺杂食物薄膜包装的形态性质。作为SEM图像的结果，观察到硼化合物完全分散在薄膜中。SEM图像样品在图9-15中给出。
测定机械性质
薄膜的拉伸强度显示出它的机械强度。生物聚合物薄膜的机械性质对于能够将它们用作包装材料非常重要。由于掺杂硼衍生物可改变薄膜的机械性质，因此对所制备的薄膜进行物理表征测试。本发明的薄膜样品的拉伸强度分别示于表2和表3中。所得结果表明，未掺杂硼衍生物的阴性对照样品与其它样品相比具有较低的抗力。
在以不同比率添加的不同硼衍生物的作用下，基于明胶的薄膜的拉伸强度在8626至17845克的范围内变化。发现包含10％八硼酸二钠的明胶薄膜样品具有最高的抗力(17845 g)。鉴于所有结果，可以看出，八硼酸二钠以积极的方式显著影响明胶薄膜的抗力。虽然硼酸浓度的增加提高了明胶薄膜的抗力，但是高于10％的五硼酸钠和八硼酸二钠浓度并未表现出对薄膜抗力的积极影响。认为这源于以下事实：高于某一浓度水平时，硼衍生物在分子和链之间以高水平累积，从而防止形成交联。由于硼酸的分子量低于所用的其它硼衍生物，因此认为在含有硼酸的薄膜中不能观察到相同的效果。此外，由于八硼酸二钠和五硼酸钠具有比硼酸更大的离子电荷，高于某一浓度时，其可能引起加强明胶基质的氢键变形。
另一方面，果胶薄膜样品的拉伸强度在963至2170克的范围内变化。虽然通过加入15％浓度的五硼酸钠获得最高拉伸强度，但是高于10％的八硼酸二钠和硼酸浓度对薄膜抗力没有显示出积极影响。认为基于果胶的薄膜的拉伸强度的变化源自硼和果胶多糖之间的交联的形成。
表2. 基于明胶的薄膜表面的拉伸强度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
表3. 基于果胶的薄膜表面的拉伸强度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
随着分子序列的聚集，薄膜表面趋于变得更薄。因此，硼的添加影响基于明胶或果胶的薄膜表面的厚度。硼与果胶中固有的RG-II的相互作用导致薄膜更薄。因此含硼薄膜比对照组更薄。由于不同的硼化合物在不同程度上影响生物聚合物的交联，因此在每个样品处获得不同的厚度。硼化合物的添加对明胶薄膜的厚度没有重要影响。表4和表5显示了硼化合物掺杂的基于明胶和果胶的薄膜样品的厚度。
表4. 含有硼化合物的基于明胶的薄膜的厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
表5. 含有硼化合物的基于果胶的薄膜的厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
测定流变性质
由于明胶具有热可逆的胶凝机理，因此通过流变学测试研究了硼化合物对胶凝和熔化温度的影响。据观察，硼化合物不会显著改变胶凝和熔化温度或使凝胶结构变形。表6中给出了明胶凝胶的熔化(Tm)和胶凝(Tg)温度的变化。
在图17和图18中给出了含有不同浓度的3种不同硼衍生物的基于果胶或明胶的凝胶溶液按照变化的剪切速率的粘度图。所有明胶和果胶样品都显示出剪切稀化行为。虽然含有15% (w/w)硼酸的果胶样品具有最低的粘度值，但含有10% (w/w)八硼酸二钠的果胶样品具有最高的粘度值。在基于明胶的薄膜中，添加八硼酸二钠的明胶溶液具有最高的粘度值。硼酸的添加导致明胶的粘度降低。
表6. 掺杂硼衍生物的明胶凝胶的熔化(Tm)和胶凝(Tg)温度
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
工业应用
本发明涉及基于明胶或果胶的抗微生物表面涂层材料。表面涂层材料以薄膜的形式获得，并作为包装材料用于工业应用。要用作涂层材料的所述包装可用于需要卫生的所有领域，特别是用于食物工业。在食物包装中，与食物和外部环境或消费者接触的表面是抗细菌、抗真菌和抗念珠菌的，使得它们不会对人体健康有害。通过本发明，开发了一种涂层材料，该涂层材料可有效抵抗在食物包装的表面和内部都存在的各种致病因子(细菌、真菌和病毒)，并且不会危害人体健康或食物质量。
除食物工业外，本发明的表面涂层材料还用于药物和化妆品工业。其作为包衣材料用于药物工业中的丸剂或片剂是另一可替代其在水果或类似食品上的使用的使用领域。
所述表面涂层材料可以是固体粉末或液体溶液的形式。它可以作为溶液通过喷雾或浸渍法施用在水果和蔬菜上。
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Claims (10)

1.一种基于果胶的抗微生物表面涂层材料，其特征在于所述抗微生物表面涂层材料由硼酸或五硼酸钠或八硼酸二钠、甘油、果胶和双蒸水构成，且所述抗微生物表面涂层材料用于需要卫生的包装工业，其中所述硼酸或五硼酸钠或八硼酸二钠的含量为5质量％至15质量％。
2.一种基于明胶的抗微生物表面涂层材料，其特征在于所述抗微生物表面涂层材料由硼酸或五硼酸钠或八硼酸二钠、甘油、明胶和双蒸水构成，且所述抗微生物表面涂层材料用于需要卫生的包装工业，其中所述硼酸或五硼酸钠或八硼酸二钠的含量为5质量％至15质量％。
3.根据权利要求1或2所述的抗微生物表面涂层材料，其特征在于所述抗微生物表面涂层材料包含5质量％至15质量％的硼酸。
4.根据权利要求1或2所述的抗微生物表面涂层材料，其特征在于所述抗微生物表面涂层材料包含5质量％至15质量％的五硼酸钠。
5.根据权利要求1或2所述的抗微生物表面涂层材料，其特征在于所述抗微生物表面涂层材料包含5质量％至15质量％的八硼酸二钠。
6.根据权利要求1或2所述的抗微生物表面涂层材料，其特征在于所述抗微生物表面涂层材料具有对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌细菌的抗细菌性质。
7.根据权利要求1或2所述的抗微生物表面涂层材料，其特征在于所述抗微生物表面涂层材料具有对白色念珠菌酵母的抗念珠菌性质。
8.根据权利要求1或2所述的抗微生物表面涂层材料，其特征在于所述抗微生物表面涂层材料具有对黑曲霉真菌的抗真菌性质。
9.根据权利要求1或2所述的抗微生物表面涂层材料，其特征在于所述抗微生物表面涂层材料是液体或粉末的形式。
10.根据权利要求1或2所述的抗微生物表面涂层材料，其特征在于所述抗微生物表面涂层材料通过喷雾或浸渍施用于水果和蔬菜。
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