CN111378209A - 可生物降解的包装膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种可生物降解的包装膜的制备方法，以细菌纤维素(BC)0.5‑5％(w/v)、淀粉5‑30％(w/v)以及山梨醇1‑5％(w/v)作为基础配方，先对基础配方设计正交实验进行制膜，基于所得包装膜的手感度对比获得优化的配方；再在此基础上，对所要添加的食品交联剂进行配方优化，并基于机械性能测试得到成膜液的最优配方。基础配方添加食品交联剂后加水混合制成成膜液，经糊化刮膜后制成可生物降解的包装膜；本发明制备的BC膜具有较好的强度、拉升度、可生物降解等优点，既可用于包装袋等一般性用途、又可用于食品包装等行业，具有良好的商业化潜力。

Description

可生物降解的包装膜的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种生物工程领域的技术，具体是一种通过使用从木葡糖酸醋杆菌发酵获得的细菌纤维素(BC)以及其它食品添加物成分，制备获得廉价、可生物降解、可食用的包装膜的方法。
背景技术
细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)是一种由细菌发酵合成的多孔网状胞外多糖类生物大分子聚合物，由β-D-葡萄糖单体分子以β-1,4-糖苷键聚合而成。由于BC的高持水性、高弹性模量和抗拉伸强度、绿色无污染等特性，使其在包装行业，尤其是食品包装中有着显著的应用潜力。中国专利文献号CN108570156A公开了一种蔬菜味细菌纤维素可食用调料包装膜及其制备方法和应用，使用了市购的细菌纤维素，成本较高。中国专利文献号CN106633127A，公开了一种细菌纤维素-茶多酚复合膜在食品保鲜中的应用，但是其细菌纤维素的用量大、成本高，制备的具抗菌作用的包装膜的应用前景欠佳。中国专利文献号CN103028117A，公开了一种细菌纤维素凝胶材料的制备方法，同样存在BC用量较大的问题，其生产效率不高，故其凝胶材料的制造成本较高。
发明内容
本发明针对现有技术存在BC用量较高或者可生物降解性降低、膜制造成本较高等不足，提出一种可生物降解的包装膜的制备方法，使用诱变育种的BC高产菌株来生产BC并大幅度降低BC用量、保持膜的可生物降解和可食用性的包装膜制备工艺，避免采用生物不可降解成分和非食用成分，使之制备获得的膜既可用于包装袋等一般性用途、又可用于食品包装等行业，从而提高其经济价值，为实现商业化奠定基础。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种可生物降解的包装膜的制备方法，以细菌纤维素(BC)0.5-5％(w/v)、淀粉5-30％(w/v)以及山梨醇1-5％(w/v)作为基础配方，添加食品交联剂，经正交实验优化配方后加水混合制成成膜液，经糊化刮膜后制成可生物降解的包装膜。
所述的正交实验优化是指：先对基础配方设计正交实验进行制膜，然后基于所得包装膜的手感度对比进行浓度组合优化；再在此基础上，对所要添加的食品交联剂进行配方优化并基于机械性能测试得到成膜液的配方。
所述的食品交联剂采用谷氨酰胺转氨酶(TG酶)、三偏磷酸钠或甘油。
所述的糊化是指：在90℃环境下糊化30min。
所述的刮膜是指：将糊化的成膜液倒于有机玻璃板上，采用刮膜器刮制厚度均匀的透明包装膜，待静置自然晾干后即得。
所述的细菌纤维素，具体为木葡糖酸醋杆菌Gluconacetobacter xylinus TDS-114，于2020年3月30日保藏于中国普通微生物保藏中心(CGMCC)保藏，保藏编号CGMCCNo.19536，该木葡糖酸醋杆菌来自诱变筛选的高产菌株，经从葡萄中分离筛选以及使用1-甲基-3-硝基-1-亚硝基胍(NTG)的诱变分离获得。
所述的成膜液中的细菌纤维素，优选将所述菌株经摇瓶发酵后得到发酵液，经过10000rpm离心5-10min，水洗2次；每瓶样品加200mL 0.4％NaOH，用手持式搅拌器破碎均质；破碎后的BC碱溶液于80-100℃、碱煮20-30min；碱煮后的产物于漏斗中过滤、水洗至中性；滤至中性的产物转移至平皿，于50-60℃烘箱中烘干即作为基础配方之一。
所述的摇瓶发酵，包括先采用pH为6.0的种子培养基进行静置培养30℃，再采用pH为5.0的发酵培养基进行发酵培养。
所述的种子培养基的组分及含量为：葡萄糖20g/L、蛋白胨5g/L、酵母粉5g/L、Na2HPO4·12H2O 6.8g/L、一水合柠檬酸1.15g/L，余量为水。
所述的发酵培养基的组分及含量为：蔗糖40g/L、(NH4)2SO4 3.3g/L、KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 0.25g/L、玉米浆(CSL)5％(v/v)，余量为水。
技术效果
本发明整体解决了在有限成本的情况下最大限度提升膜的物理性能的技术问题。
与现有技术相比，本发明在淀粉基础上、添加BC及交联剂等，通过成膜液成分的优化，使制得的膜具有可生物降解、可食用的特点，并且维持了膜的拉伸和强度，满足包装要求；并且本发明进一步采用了膜制备配方的正交设计思路，结合膜性能的定性定量评价，创新了BC膜制备配方的方法，具有本领域的显著创新性，获得的BC膜的性能接近或优于市场上的食品包装膜，且具有生物可降解性等优势，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明BC-淀粉复合膜示意图；
图2为TG酶添加对BC复合膜的影响示意图；
图中：a为TG酶50U/100mL；b为TG酶100U/100mL；c为TG酶200U/100mL；
图3为三偏磷酸钠添加对BC复合膜的影响示意图；
图中：a为0.1％，b为0.2％，c为0.3％，d为0.5％；
图4甘油添加对BC复合膜的影响示意图；
图中：a为1％甘油，b为1.5％甘油，c为2％甘油，d为3％甘油。
具体实施方式
本实施例涉及一种可生物降解的包装膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1)BC高产菌株的诱变育种，具体步骤包括：
1.1)制备菌悬液：取1mL菌液与棕色EP管中，12000rpm离心5min，去上清，用1mL缓冲液将离心后的沉淀重悬作为原液。
1.2)将菌悬液分成两份，一份为对照组，一份为诱变组，即各500μL。
1.3)对照组为500μL菌液+500μL缓冲液，诱变组为500μL菌液+不同量的缓冲液和1-甲基-3-硝基-1-亚硝基胍(NTG)，使NTG浓度为0.05mg/mL，放置30℃、200rpm摇床反应30min。
1.4)终止反应：反应结束后，取出菌液，立即向其中各加500μL硫代硫酸钠终止反应，迅速混匀后，12000rpm离心5min，取出后用枪头小心吸取上清弃掉。
1.5)涂布：无菌生理盐水重悬梯度稀释，溴平板上进行涂布筛选，于30℃条件下倒置培养。
1.6)菌株备份：挑取溴平板上涂布长出的单菌落进行编号，并于HS平板上划线，30℃静置培养48h左右得新鲜的菌平板。
1.7)摇瓶粗筛：用接种环刮取半环菌体接种于CSL发酵液中(50mL/250mL挡板瓶)，于摇床中30℃、100rpm条件下震荡培养。产物发酵4天后取出，水洗离心2次(10000rpm，6min)以去除培养基，置于已称量的一次性培养皿中，于60℃烘箱内烘干至恒重，称重计算。以发酵产物高的菌株作为高产菌株进行保存并供后续发酵实验使用。
步骤2)细菌纤维素的制备：木葡糖酸醋杆菌TDS-114在HS液体培养基(30mL/250mL、pH4.0)，30℃静置培养24-28h，获得的种子液，用塞脱脂棉的注射器过滤，按6％(3.0mL)的接种量接种发酵培养基(50mL/250mL、pH5.0)，摇晃混匀，30℃、100rpm发酵或静置培养4d。将发酵产物收集水洗离心(10000rpm、20min)，再打碎磨浆后在80-100℃碱煮20-30min。然后用漏斗过滤，并冲洗至中性，最后将BC收集备用。
步骤3)包装膜的制备：
3.1)将纯化好的细菌纤维素加入到配置好的溶液中(0.5-5g/100mL)，用纳米化磨浆机分散一段时间后得到稳定的细菌纤维素分散液；分散过程为：先在0-10bar压力下疏解分散10-40min，再在50-100bar压力下分散30-60min，最后在200-1000bar压力下磨浆30-60min。
3.2)在上一步得到的细菌纤维素分散液中加入淀粉5-30g/100mL，在90℃，300-500r/min转速下搅拌糊化；加入1-5％的山梨醇以及适量的交联剂，搅拌混合均匀后得到成膜液。最后，将成膜液流延至模具中，控制成膜厚度(0.18mm以内)，干燥后揭膜。
通过NTG诱变育种，从上海市场上的烂葡萄中分离筛选获得的细菌纤维素生产菌，即木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)TDS-114出发菌株的BC产量为3.51±0.04g/L，NTG二轮诱变后的高产菌株的产量达到8.02±0.52g/L；对照菌株为木葡糖酸醋杆菌Gluconacetobacter xylinus标准菌株ATCC 700178，其BC产量为3.1±0.5g/L。发酵条件均为：30℃、100rpm、250mL摇瓶、发酵4天。
制备获得的BC-淀粉复合膜(如图1)，其膜完整性较差，整体膜性能较差，抗拉伸度不强，柔韧度不好，易碎裂，推测可能原因有膜厚度不够，影响了膜的性能；也可能是复合膜结构间的分子作用力较弱，导致膜易断裂。
在优化BC-淀粉复合膜基础配方的正交试验中，通过对制得的BC/淀粉复合膜进行手感的拉伸、折叠和揉搓试验结果如下表1，综合评价结果，发现BC含量和甘油的用量对膜的性能影响较为明显，较优的配方为：BC 1％，淀粉10％，山梨醇1.0-1.5％，甘油1.5％。
表1 BC-淀粉复合膜配方与膜制品的感官评价
样品 BC(g/L) 淀粉(g/L) 山梨醇(g/L) 甘油(g/L) 拉伸度 柔韧度
#1 2.5 80 10 10 好 差
#2 2.5 100 12.5 12.5 较好 较好
#3 2.5 120 15 15 较好 好
#4 5.0 80 12.5 15 较好 较好
#5 5.0 100 15 10 较差 较差
#6 5.0 120 10 12.5 较差 较好
#7 10 80 15 12.5 差 较好
#8 10 100 10 15 较好 好
#9 10 120 12.5 10 差 较好
本实施例通过以下方式测试TG酶交联剂对复合膜的影响以提升BC膜的机械性能、进一步优化配方，具体包括：
①成膜液制备：依次称取淀粉、BC、山梨醇后，加水搅拌均匀，配制成成膜液。
②TG酶交联：得到成膜液加入不同酶活单位的TG酶，于恒温磁力搅拌器上40℃搅拌交联30min。
③成膜液处理：得到交联的成膜液于90℃糊化30min。
④气泡消除：成膜液糊化好后，装于50mL离心管7000rpm离心2min去除气泡。
⑤涂膜制膜：将糊化的成膜液倒于有机玻璃板上用刮膜器刮膜，保证膜面厚度适中，均匀且透明，涂抹后静置15min，自然晾干，揭膜。
按上述制备步骤，室内自然晾干之后揭膜，得到成膜，如图2将得到的复合膜裁成大小相同长条，手动拉升进行抗拉强度的评价，折叠、揉搓进行柔韧度评价、结果如下表。
表2 TG酶添加对复合膜性能的影响(手感评价结果)
Figure BDA0002457831870000051
添加TG酶作为交联酶，其柔韧性得到了很大的提升，综合二者的评价，将添加量为50U/100mL和100U/100mL的样品进行膜力学性能进行了测定，如表3所示，TG酶添加量为50U/100mL的膜的弹性模量和抗拉强度优于添加100U/100mL的膜，测得其杨氏模量791.2±44.9MPa>127.6±23.5MPa，拉伸应变力17.68±0.44>8.53±0.1，综合得出，TG酶添加量50U/100mL的BC复合膜为优选。
表3交联剂添加对BC-淀粉膜的机械性能的影响及与常规包装膜的比较
Figure BDA0002457831870000052
本实施例通过以下方式测试三偏磷酸钠对复合膜的影响以提升BC膜的机械性能、进一步优化配方，具体包括：
①成膜液制备：依次称取淀粉、BC、山梨醇后，分别加入不同含量的三偏磷酸钠，搅拌均匀，配制成成膜液。
②三偏磷酸钠交联：调节成膜液pH至10.0，在恒温磁力搅拌器上45℃上恒温搅拌2h，使发生交联反应。
③成膜液处理：交联反应之后，将成膜液于90℃搅拌加热糊化30min。
④气泡消除：成膜液糊化好后，装于50mL离心管7000rpm离心2min去除气泡。
⑤涂膜制膜：将糊化的成膜液倒于有机玻璃板上用刮膜器刮膜，保证膜面厚度适中，均匀且透明，涂抹后静置15min，自然晾干，揭膜。
按上述制备步骤，室内自然晾干之后揭膜，得到成膜，如图3，三偏磷酸是淀粉交联的一种常用交联剂，其可以与淀粉分子的-OH反应生成磷脂键增强其分子间作用力，提升复合膜的抗拉性能，将得到的复合膜裁成大小相同长条，手动拉升进行抗拉强度的评价，折叠、揉搓进行柔韧度评价，结果如下表4。
表4三偏磷酸钠对复合膜的影响手感评价
Figure BDA0002457831870000061
添加三偏磷酸纳0.1％得到的复合膜的力学性质进行了测定(表3所示)，膜的抗拉强度有一定的改善，相比于对照BC-淀粉膜8.53±0.1提升至16.21±0.5MPa，但其拉伸应变仅为4.73±0.34(％)、比该对照膜的15.20±0.97(％)低很多，原因可能是在淀粉交联和糊化过程中搅拌不均匀以及温度不够导致交联不彻底，影响了膜的性能，但是，它比快餐包装纸仍具有更优的拉伸性能，故完全可满足该类食品包装的要求。
本实施例通过以下方式测试甘油添加对复合膜的影响以提升BC膜的机械性能、进一步优化配方，具体包括：
1)成膜液制备：依次称取淀粉、BC、山梨醇后，加水，分别加入不同含量的甘油，搅拌均匀，配制成成膜液；
2)成膜液处理：得到成膜液于90℃糊化30min；
3)涂膜制膜：将糊化的成膜液倒于有机玻璃板上用刮膜器刮膜，保证膜面厚度适中，均匀且透明，涂抹后静置15min，自然晾干，揭膜。
添加不同的甘油量，复合膜的外观随之改变(如图4)，其性能也受影响。随着甘油添加量的增加，复合膜的抗拉强度和柔韧性均有不同程度的提升；手感测评结果显示(表5)，甘油对复合膜性能的改善有增强作用。选择甘油添加量1％和2％的复合膜进行性能测定(表6)，甘油含量为2％的复合膜其拉伸应变位移为18.23±1.65、远高于甘油含量1％的拉伸应变位移3.51±0.62；这两者的拉伸应变最大力即抗拉强度，分别为11.29±0.85N和12.24±3.22N、差异不明显。
表5不同甘油添加量对BC-淀粉膜的性能影响(感官评价)
Figure BDA0002457831870000062
Figure BDA0002457831870000071
表6甘油添加对BC-淀粉膜的机械性能的影响(力学性质测定)
样品 弹性模量(MPa) 拉伸应变(位移)(％) 抗拉强度(MPa)
甘油1％ 1189.26±252.22 3.51±0.62 12.24±3.22
甘油2％ 139.35±44.62 18.23±1.65 11.29±0.85
综合上述不同交联剂结果，发现添加2％甘油复合膜的拉伸应变最大18.23±1.65，50U/100mL TG酶和0.1％三偏磷酸钠复合膜的抗拉强度最优，分别为17.68±0.44和16.21±0.5MPa，但二者的拉伸应变很小。
综上，最终正交实验优化配方是：对于需要拉伸变形(位移)性能很强的包装场合，BC膜的最优配方是BC1％、淀粉10％、山梨醇1.0-1.5％、甘油2％；对于需要抗拉强度很大的包装场合，BC膜的最优配方是BC1％、淀粉10％、山梨醇1.0-1.5％、三偏磷酸钠0.1％。
与目前广泛使用的厚包装袋、快餐食物包装纸或普通面包袋相比，本发明的包装膜在弹性模量、抗拉强度等方面并不逊色，具备实际应用的潜力。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种可生物降解的包装膜的制备方法，其特征在于，以细菌纤维素(BC)0.5-5％(w/v)、淀粉5-30％(w/v)以及山梨醇1-5％(w/v)作为基础配方，添加食品交联剂，经正交实验优化配方后加水混合制成成膜液，经糊化刮膜后制成可生物降解的包装膜；
所述的正交实验优化是指：先对基础配方设计正交实验进行制膜，然后基于所得包装膜的手感度对比进行浓度组合优化；再在此基础上，对所要添加的食品交联剂进行配方优化并基于机械性能测试得到成膜液的最优配方。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的食品交联剂采用谷氨酰胺转氨酶、三偏磷酸钠或甘油。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的细菌纤维素，具体为木葡糖酸醋杆菌Gluconacetobacter xylinus TDS-114，于2020年3月30日保藏于中国普通微生物保藏中心(CGMCC)保藏，保藏编号CGMCC No.19536。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的木葡糖酸醋杆菌来自诱变筛选的高产菌株，经从葡萄中分离筛选以及使用1-甲基-3-硝基-1-亚硝基胍(NTG)的诱变分离获得。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的成膜液中的细菌纤维素，通过将菌株经摇瓶发酵后得到发酵液，经过10000rpm离心5-10min，水洗2次；每瓶样品加200mL0.4％NaOH，用手持式搅拌器破碎均质；破碎后的BC碱溶液于80-100℃、碱煮20-30min；碱煮后的产物于漏斗中过滤、水洗至中性；滤至中性的产物转移至平皿，于50-60℃烘箱中烘干即作为基础配方之一。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的摇瓶发酵，包括先采用pH为6.0的种子培养基进行静置培养30℃，再采用pH为5.0的发酵培养基进行发酵培养。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的种子培养基的组分及含量为：葡萄糖20g/L、蛋白胨5g/L、酵母粉5g/L、Na2HPO4·12H2O 6.8g/L、一水合柠檬酸1.15g/L，余量为水；
所述的发酵培养基的组分及含量为：蔗糖40g/L、(NH4)2SO4 3.3g/L、KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 0.25g/L、玉米浆5％(v/v)，余量为水。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的最优配方为：
①BC1％(w/v)、淀粉10％(w/v)、山梨醇1.0-1.5％(w/v)、甘油2％(w/v)，余量为水；
②BC1％(w/v)、淀粉10％(w/v)、山梨醇1.0-1.5％(w/v)、三偏磷酸钠0.1％(w/v)，余量为水。
9.一种可生物降解的包装膜，其特征在于，根据权利要求1～8中任一所述方法制备得到。
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