CN112457509A - 一种用于包装食品的抑菌膜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于包装食品的抑菌膜，涉及食品领域。该用于包装食品的抑菌膜，采用包括如下步骤的方法制备：（1）将明胶溶于乙酸水溶液中，然后依次溶入壳聚糖和苯乳酸，得到制膜溶液；（2）将制膜溶液制成膜，即得到用于包装食品的抑菌膜。本发明抗菌膜，其原料为天然材料，安全性高，抑菌效果较好，制备方法简单。

Description

一种用于包装食品的抑菌膜

技术领域

本发明涉及食品领域，具体涉及一种用于包装食品的抗菌膜。

背景技术

由微生物引起的食品腐败变质是食品行业一直以来面临的严重问题。包装作为食品行业的下游工作，对食品起到了很关键的保护作用。随着社会的发展，人们对食品安全的意识也逐渐提高，无毒无害食品包装材料的需求也日益增大。目前的食品包装大多都是由采用有机合成方法制备的高分子聚合物组成，由于制备过程中添加了大量的化学试剂，其安全性也受到了越来越多的质疑。

现有技术中缺乏以天然材料为原料制备的用于包装食品的抗菌膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于包装食品的抗菌膜，其原料为天然材料，安全性高，抑菌效果较好，制备方法简单。

一种用于包装食品的抑菌膜，采用包括如下步骤的方法制备：

(1)将明胶溶于乙酸水溶液中，然后依次溶入壳聚糖和苯乳酸，得到制膜溶液；

(2)将制膜溶液制成膜，即得到用于包装食品的抑菌膜。

在本发明中，每100mL明胶乙酸水溶液中明胶的加入量为7-9g。

在本发明中，明胶和壳聚糖质量比为5:0.5-1.5，所述制膜溶液中苯乳酸的质量百分含量为1％-4％。

在本发明中，明胶、壳聚糖和苯乳酸在搅拌下溶解。

在本发明中，使用静电纺丝设备将制膜溶液制成膜。

本发明用于包装食品的抗菌膜，以天然蛋白质、多糖、天然抑菌剂苯乳酸等天然材料为原料为，安全性高，抑菌效果较好，制备方法简单。

附图说明

图1各薄膜的微观结构，其中A1、B1、C1、D1和E1分别是薄膜GCP-0、GCP-1、GCP-2、GCP-3和GCP-4的SEM图像；A2、B2、C2、D2和E2分别是GCP-0、GCP-1、GCP-2、GCP-3和GCP-4的直径直方图，横坐标为直径范围，纵坐标为纤维数量。

图2壳聚糖粉末，PLA粉末，明胶粉末和各薄膜的FTIR光谱。

图3壳聚糖粉末，PLA粉末，明胶粉末和不同薄膜的X射线衍射图。

图4不同薄膜的DSC图。

图5不同纤维膜对六种食源性致病菌的杀菌效果比较，图中的，其中横坐标中1-6分别是对照、GCP-0、GCP-1、GCP-2、GCP-3和GCP-4薄膜，对照是无菌的锡纸；纵坐标为菌数(log₁₀CFU/mL)；A-F分别是针对金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、肺炎克雷伯氏菌、单增李斯特菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌的抑菌效果。

图6对照薄膜1、GCP-1和对GCP-2对六种食源性致病菌的杀菌效果比较，其中横坐标中1、2、3、4分别是对照组、对照薄膜1、薄膜GCP-1和薄膜GCP-2，对照组是无菌的锡纸；纵坐标为菌数(log₁₀CFU/mL)；A-F分别是针对沙门氏菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌的抑菌效果、单增李斯特菌、肺炎克雷伯氏菌、金黄色葡萄球菌。

具体实施方式

实施例1制备用于包装食品的抑菌膜

将8.0g明胶(阿拉丁化学试剂公司，货号9000-70-8)缓慢添加到100mL体积百分浓度为80％的乙酸水溶液中，并在45℃下磁力搅拌(200rpm)30分钟至完全溶解，然后加入1.6g壳聚糖(上海麦克林生化科技有限公司，货号C5527)，磁力搅拌2小时至完全溶解，得到含有明胶和壳聚糖的溶液。在该含有明胶和壳聚糖的溶液中，分别添加终浓度(质量百分浓度)为1％、2％、3％和4％苯乳酸(PLA)，磁力搅拌24小时至完全溶解，得到制膜溶液。

使用静电纺丝设备(天津云帆科技有限公司，DP30)分别将含有明胶和壳聚糖的溶液以及添加有各浓度苯乳酸的制膜溶液制成膜，具体方法如下：使用电纺丝设备从具有不锈钢针头的5mL塑料注射器中喷出含有明胶和壳聚糖的溶液或者各制膜溶液，并以0.5mL/h的流速和20kV的电压泵送，纺丝完成后，将所有薄膜从收集器上剥离下来，得到了薄膜GCP-0、GCP-1、GCP-2、GCP-3和GCP-4，分别对应于含有明胶和壳聚糖的溶液及含有浓度为1％、2％、3％和4％苯乳酸的制膜溶液。

实施例2各薄膜的性质

采用下述方法研究实施例1制备的薄膜GCP-0、GCP-1、GCP-2、GCP-3和GCP-4的性质。

1.各薄膜的形态评估

扫描电子显微镜(EVO-LS10，德国卡尔蔡司)用于研究不同薄膜的形态。在真空下用金溅射薄膜2分钟，使用Image J软件测量随机选择的各薄膜SEM图片中50根纳米纤维的直径，并计算其平均纤维直径。

2.各薄膜的结构评估

(1)傅立叶变换红外光谱

使用FTIR光谱仪(Nicolet iS50R，美国Thermo Nicolet Ltd.)确定静电纺丝过程中各薄膜的官能团结构改变。分析参数为：范围：4000-500cm^-1，间隔1cm^-1，分辨率为4cm^-1。

(2)X射线衍射

使用D8ADVANCE XRD系统(德国布鲁克·道尔顿公司)分析了壳聚糖，明胶，PLA和各薄膜的X射线晶体衍射结果。XRD系统在2θ衍射角5°至40°的扫描范围内以4°/min的扫描速度运行。X射为Cu-Kα光源(20kV，5mA)，波长(λ)为

3.各薄膜的热力学稳定性评估

通过差示扫描量热仪(DSC)分析了制备的各薄膜的热力学稳定性。为了进行DSC分析，将各薄膜密封在DSC铝盘中，并在氮气气氛下以10℃/min的加热速率从25℃加热至250℃。

4.各薄膜的物理性能评估

(1)水蒸气渗透率(WVP)

使用手动千分尺以0.001毫米的精度测量各薄膜厚度。将薄膜覆盖在深度为5厘米、内径为2.5厘米、装有3克CaCl₂(相对湿度为0％)的圆形玻璃杯口上，并测量玻璃杯和薄膜的重量。然后，将它们放在装有1L蒸馏水的玻璃容器中，每24小时将覆盖薄膜的玻璃杯取出，测量重量，直到观察不到重量增加为止。薄膜的WVP(kg/m^-1s^-1Pa^-1)使用以下公式计算：

WVP＝(Δm·L)/(A·T·ΔP)

其中Δm是水分增加的重量(kg)，L是膜的厚度(m)，A是膜的暴露面积(m²)，T是时间(s)，ΔP是整个膜的水蒸气压差(Pa)。

(2)薄膜的水分含量和水稳定性

将各薄膜在105℃下干燥24小时，并在干燥前后称重。重量损失百分比代表薄膜的水分含量。将各薄膜在25℃的10mL蒸馏水中放置24h，然后在105℃的烘箱中干燥24h，以测量膜的水稳定性。使用以下公式计算薄膜的水分含量(MT)和水稳定性(WS)：

MT(％)＝(M1-M2)/M1×100％，

WS(％)＝(M2-M3)/M2×100％。

其中，M1是膜的初始重量，M2是膜干燥后的重量，M3是膜在水中处理后的干重。

5.各薄膜的抑菌性能评估

通过平板计数法评估各薄膜的抗菌活性。将大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、单增李斯特菌、肺炎克雷伯氏菌在BHI肉汤(中国北京北京陆桥技术有限公司)中培养至对数期。依次将10⁷CFU/mL的各菌悬浮液100μL滴入切割好的不同薄膜(1cm×1cm)的表面，处理30min后，将各薄膜片与9.9mL的0.01M磷酸盐缓冲液(PBS)混合，低温震荡30min，然后十倍梯度稀释到合适浓度进行涂板，计数。以无菌的锡纸为对照。

6.统计分析

各试验均重复三次，平行两次。采用SPSS 17.0软件进行数据分析。测定结果以平均值和标准差表示。试验数据采用ANOVA进行LSD差异分析(P<0.05为差异显著)。

7.结果分析

如图1所示，明胶和壳聚糖的比例为5：1时，制备的GCP-0薄膜中出现了许多断裂和大的结节(图1中的A1)，说明该条件下纺丝出来的材料不能形成很好的空间网状结构，大大降低了纤维膜的稳定性和抗菌活性。当制膜溶液中苯乳酸浓度为1％时，制备的GCP-1膜在纳米纤维表面上的结节显著减少，纤维结构较为光滑(图1中的B1)；当制膜溶液中苯乳酸浓度为2％时，制备的GCP-2膜的纤维表面光滑、直径分布均匀并且无结节存在(图1中的C1)；当制膜溶液中苯乳酸浓度为3％和4％时，制备的GCP-3和GCP-4薄膜的纳米纤维没有明显的间隙，失去了纳米纤维膜的多孔结构(图1中的D1和E1)。

由图2所示，不含PLA的GCP-0薄膜在3278、1636和1534cm^-1处出现峰，这些峰也存在于壳聚糖和明胶中，表明明胶和壳聚糖在静电纺丝过程中没有发生化学反应，没有形成新的化学键。与不含PLA的GCP-0薄膜相比，GCP-1、GCP-2、GCP-3和GCP-4在3075、1455和745cm^-1处出现峰。3075cm^-1处的峰是因为壳聚糖中的羟基和PLA中的羧基形成的氢键。1455cm^-1处的峰归属于II型胺(NH弯曲和CN延伸)，745cm^-1处的峰是由苯环的双取代产生的。与壳聚糖粉末，明胶粉末，PLA粉末和GCP-0纳米纤维薄膜相比，GCP-1膜、GCP-2、GCP-3和GCP-4中3387cm^-1处峰强度的降低和1455cm^-1处峰强度的增加表明PLA成功加入到含有明胶和壳聚糖的溶液中，在静电纺丝的过程中，通过苯乳酸和两者的相互作用，形成了新的化学键，改变了含有明胶和壳聚糖溶液的性质，使得纳米纤维的结构更加的均一稳定。

如图3所示，壳聚糖中有强大的分子间和分子内氢键，在2θ为19°处的窄衍射峰对应于

的晶面间距。但是，壳聚糖的衍射峰在薄膜中消失了，表明羟基(-OH)变成了氢键。壳聚糖的分子间氢被破坏，结晶度明显降低，因此薄膜的水溶性增加。对于明胶粉末，在19°的2θ处有一个宽峰，晶面间距为

表明明胶是典型的非晶态结构。PLA粉末中检测到许多窄的衍射峰，但是这些衍射峰在薄膜中消失，表明苯乳酸与明胶和壳聚糖发生了反应，导致薄膜的无定形结构。如图3所示，GCP-0膜在2θ为19°处检测出了一个宽的衍射峰，但在含有苯乳酸的薄膜中，该位置的峰明显弱于GCP-0膜在该处的该峰，说明苯乳酸和壳聚糖之间的分子间氢键也导致了膜的结构变化。

图4显示了不同薄膜的DSC曲线。GCP-0，GCP-1、GCP-2、GCP-3和GCP-4的吸热峰分别分布在113，116，123，117，118℃左右，其中GCP-2膜的吸热温度最高，说明GCP-2膜的稳定性最好。

表1不同薄膜的水分含量、水溶性和水蒸气透过率

从表1中可见，GCP-1和GCP-2薄膜具有较低的水溶性和水蒸气透过率，原因在于GCP-1和GCP-2薄膜具有致密的膜结构，所以容易实现阻止气体渗透的路径和增加膜的阻隔性。

图5为不同的薄膜对六种常见食源性致病菌的杀菌效果，从图中可以看出GCP-0、GCP-1、GCP-2、GCP-3和GCP-4膜均可以对六种致病菌起到不同的杀菌效果。对于金黄色葡萄球菌来说，对照菌数在9log₁₀CFU/mL左右，经GCP-0、GCP-1、GCP-2、GCP-3和GCP-4膜处理30min后，菌数分别降低到7.3、5.7、4.2、6.4和6.4log₁₀CFU/mL，其中GCP-2膜的杀菌效果显著性优于其他组(P<0.05)，GCP-1、GCP-3和GCP-4组之间没有显著性差异。对于其他五种菌来说，结果类似，其中GCP-2膜的杀菌效果均显著性优于其他组(P<0.05)。说明G CP-2膜的抗菌效果良好。

另外，将7.2g明胶(阿拉丁化学试剂公司，货号9000-70-8)缓慢添加到100mL体积百分浓度为80％的乙酸水溶液中，并在45℃下磁力搅拌(200rpm)30分钟至完全溶解，然后加入1.2g壳聚糖(上海麦克林生化科技有限公司，货号C5527)，磁力搅拌2小时至完全溶解，得到含有明胶和壳聚糖的溶液。在该含有明胶和壳聚糖的溶液中，添加终浓度(质量百分浓度)为2mg/mL聚赖氨酸(ε-PL，购自麦克林公司，货号25104-18-1)，发现制备的共混液，在纺丝的过程中，共混液从喷头中喷出的全是圆的滴状物，不能形成良好的纤维，因此也不能纺丝成膜。因此，降低聚赖氨酸(ε-PL)的浓度，采用如下方法制备了对照薄膜1，具体方法如下：将7.2g明胶(阿拉丁化学试剂公司，货号9000-70-8)缓慢添加到100mL体积百分浓度为80％的乙酸水溶液中，并在45℃下磁力搅拌(200rpm)30分钟至完全溶解，然后加入1.2g壳聚糖(上海麦克林生化科技有限公司，货号C5527)，磁力搅拌2小时，得到含有明胶和壳聚糖的溶液。在该含有明胶和壳聚糖的溶液中，添加终浓度为1.5mg/mL的聚赖氨酸(ε-PL)，得到制膜溶液，使用电纺丝设备从具有不锈钢针头的5mL塑料注射器中喷出含有明胶/壳聚糖/聚赖氨酸的溶液，并以0.5mL/h的流速和20kV的电压泵送，纺丝完成后，将薄膜从收集器上剥离下来，得到对照薄膜1。

因此，对照薄膜1是采用明胶、壳聚糖和聚赖氨酸制膜中，所得壳聚糖和聚赖氨酸浓度均为最高的一种情况，抑菌效果也是最好的。

采用上述相同方法，分析了对照薄膜1、GCP-1和GCP-2对六种常见食源性致病菌的杀菌效果，结果如图6，发现添加苯乳酸制备的GCP-1和GCP-2的膜的抗菌性要显著优于对照明胶/壳聚糖/聚赖氨酸膜。这是因为明胶和壳聚糖混合液中，加入苯乳酸后，能够显著提高壳聚糖的含量，增加抗菌性，同时与负载聚赖氨酸相比，明胶和壳聚糖的共混液能负载较多的苯乳酸，所以最后制得的对照薄膜1的抗菌性效果要好。

Claims (6)

1.一种用于包装食品的抑菌膜，其特征在于采用包括如下步骤的方法制备：

（1）将明胶溶于乙酸水溶液中，然后依次溶入壳聚糖和苯乳酸，得到制膜溶液；

（2）将制膜溶液制成膜，即得到用于包装食品的抑菌膜。

2.根据权利要求1所述用于包装食品的抑菌膜，其特征在于每100 mL明胶乙酸水溶液中明胶的加入量为7-9g。

3.根据权利要求1或2所述用于包装食品的抑菌膜，其特征在于明胶和壳聚糖质量比为5:0.5-1.5，所述制膜溶液中苯乳酸的质量百分含量为1％-4％。

4.根据权利要求3所述用于包装食品的抑菌膜，其特征在于所述制膜溶液中苯乳酸的质量百分含量为1％-2％。

5.根据权利要求4所述用于包装食品的抑菌膜，其特征在于明胶、壳聚糖和苯乳酸在搅拌下溶解。

6.根据权利要求5所述用于包装食品的抑菌膜，其特征在于使用静电纺丝设备将制膜溶液制成膜。

Images