CN113045785A - 一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法 - Google Patents

一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法。利用环糊精制备高稳定、高精油含量的O/W型Pickering乳液，再将该乳液与水性壳聚糖膜基质均匀混合，经流延法制成精油均匀分布的抗菌膜。本发明的精油抗菌膜质地均匀，根据含精油量的多少呈无色半透明或淡黄的半透明状，具有一定的机械性能，可直接制膜使用或用于包装材料内表面或食品表面涂膜，能够缓释抗菌精油，用于包装食品达到延长保质期的目的，属于一种新型缓释食品纳米抗菌活性包装材料。

Description

一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法，属于食品保鲜技术领域。
背景技术
食品保鲜一直是我国食品工业面临的一大难题。为保持食品的贮藏稳定性，常常需要在食品中添加大量的防腐剂，给食品安全带来极大隐患。食品抗菌包装是通过使用具有杀菌作用的包装材料，抑制贮藏过程中食品微生物的生长，从而延长食品保质期。使用抗菌膜材料是抗菌包装的一种主要方式，抗菌膜大多通过将抗菌剂以共混方式结合于膜载体上，从而赋予膜抗菌性能。使用的天然抗菌剂主要包括植物精油、抗菌肽和一些有机酸，而膜材料则多采用天然蛋白质基、多糖基或合成聚乙烯醇或聚乳酸膜等。例如，可以将茶多酚、姜黄素等植物功能成分或一些植物精油添加到壳聚糖、淀粉等复合膜中制备抗菌膜制品。
植物精油是从植物提取的风味成分，大多具有较强的抗菌活性及抗氧化功能，是安全的天然食品抗菌剂。但这些精油易于挥发及氧化，在食品领域的应用受到限制。将精油加入膜基质中制备的精油抗菌膜，是食品抗菌保鲜膜中重要的一类。但直接将精油加入成膜液制备共混膜，亲脂性的抗菌精油大多与亲水性膜基质不相容，抗菌精油无法均匀分布于膜中，无法均一成膜，膜的机械及理化性能不理想。因此，通常认为制备植物精油抗菌膜的关键是将植物精油制成稳定的微乳液体系或其他纳米尺度的脂质体等微胶囊形式。
目前有不少研究报道将精油进行纳米封装再加入膜基质中。有研究报道在成膜液中添加乳化剂吐温或者司盘来促进油水两相的稳定性，使精油在膜基质中分散均匀；也有将精油与成膜液经高压均质、高压微射流等技术改变膜中油滴的分布，从而改善膜材料的微观结构；或者利用环糊精对精油进行分子包埋，再加入膜中。近年来也有不少研究利用壳聚糖、明胶等壁材包裹精油，再通过特殊工艺制成纳米胶囊形式加入膜中。这些方法都存在诸如乳液不稳定、大量使用乳化添加剂或精油含量低等缺点。例如，利用传统的乳化剂先将精油制成乳液，再将乳液与膜基质混合制成抗菌膜，由于传统乳液稳定性不佳，或需要添加大量乳化剂及乳化助剂，这种方法有其局限性；将精油进行环糊精包埋后加入膜液，由于环糊精分子包埋的精油量非常有限，导致膜精油含量过低，抗菌效果不理想；将精油进行亲水胶体包裹再进一步制备纳米胶囊后加入膜液，这种方式工艺复杂，包封率也不高。
Pickering乳液是以微纳米固体颗粒为乳化稳定剂的乳液体系，由于纳米颗粒能够紧密排列形成坚固的界面膜并在外围形成桥连产生空间位阻，从而有效防止了油滴的破裂和聚集，具有极高的稳定性。同时，相比于传统液体乳化剂乳液，Pickering乳液还具有颗粒乳化剂用量少、制备方便以及安全性高等优势。目前，可用于制备食品级Pickering乳液固体颗粒的材料主要有蛋白质、淀粉、纤维素、脂肪、多糖复合物以及环糊精等。其中，环糊精是由6-8个葡萄糖组成的一类环状低聚糖，其圆锥形分子结构特性使其具有良好的乳化性能，在水-油体系中能以纳米包合物颗粒形式形成油水界面膜，从而得到水包油型Pickering乳液，常温放置稳定期达数月之久。作为一类安全的食品添加剂，环糊精的环状分子结构比淀粉、蛋白和油脂等更稳定耐贮藏，相应制作的Pickering乳液贮存稳定性更好。
利用环糊精可以制备抗菌精油的水包油型Pickering乳液，乳液中精油粒径在10-100nm之间。由于其比传统乳液稳定性高，还具有一定的耐热、抗酸性能，进一步应用于制膜基质来制作精油抗菌摸具有不可比拟的优势。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法，利用环糊精与精油易于形成纳米包合物颗粒的特点，将该纳米包合物作为颗粒乳化剂通过高速均质法制备抗菌精油的O/W型Pickering乳液，再将该抗菌精油乳液均匀分散于水溶壳聚糖液膜中，通过流延法制备含均匀精油纳米液滴的抗菌膜。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备纳米尺度精油乳液：
将β-环糊精加入水中，50-100℃下加热溶解得到体积含量为2％～5％的β-环糊精溶液，向β-环糊精溶液中加入精油，以高于10000rpm的速度高速搅打1～5min，形成半流态乳液，备用；
(2)制备壳聚糖成膜液：
称取适量壳聚糖，加入体积含量为2％的乙酸溶液，搅拌溶解4～10h，制成质量浓度为1％～2％的壳聚糖乙酸溶液；向所得壳聚糖乙酸溶液中加入甘油作为塑化剂，制成成膜液，备用；
(3)制备抗菌膜：
将(1)所得含精油的乳液加入到(2)所得壳聚糖成膜液中，使壳聚糖成膜液中精油的体积含量为1％～8％，50～200rpm下机械搅拌3～6h，至乳液分布均匀，经流延法制膜，40℃干燥5～24h，将膜揭起，于50～60％相对湿度条件下平衡保存。
步骤(1)还包括向所得半流态乳液中加入质量分数为2～4％的黄原胶溶液，其中黄原胶添加量为半流态乳液体积的0.2％～0.6％，以200～12000rpm的速度下搅打1-10min后，再用于步骤(3)抗菌膜的制备。
黄原胶溶液的制备方法为：将黄原胶加入40-80℃水中在150rpm的速度下搅拌至溶解，制成质量浓度为2～4％的黄原胶溶液。
所述精油为具有抑菌活性的植物精油或化学合成精油。
所述植物精油为牛至精油、柠檬醛精油、肉桂醛精油或芥末精油。
所述精油的加入量为β-环糊精溶液体积的1.5～1.8倍。
所述甘油的加入量为壳聚糖乙酸溶液体积的0.4～0.6％。
本发明有益效果：
本发明提供一种稳定的具有缓释性能的荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法，适用于牛至精油、柠檬醛精油、肉桂醛精油、芥末精油等具有抗菌、抗氧化功能的精油抗菌膜或抗菌涂膜的制备。将抗菌精油制成高稳定、高精油含量的水包油型纳米乳液，再将其共混入水性膜基质中，制得质地均一、性质稳定、具有缓释抗菌精油特性的纳米抗菌膜，膜中抗菌精油以纳米油滴形式相对均匀分布，对膜的机械及其他理化性能无明显不利影响。
本发明原料中壳聚糖是一种来源丰富、价格便宜、具有优良抗菌性能和成膜性能的天然材料；β-环糊精来源于淀粉，是一种价格低廉，安全无毒，性质稳定的食品添加剂。本发明精油能呈纳米状均匀分散于抗菌膜中，膜中抗菌精油粒径在10-100nm粒径之间，膜液中还可适当添加黄原胶以调整抗菌膜的理化性能及精油的缓释速度。本发明所得纳米精油壳聚糖抗菌膜制作简单、抗菌效果显著，应用方便且绿色环保，成本可控。从金黄色葡萄球菌的抗菌实验显示，本发明所得的抗菌膜具有较好的抗菌特性。
本发明制得的精油抗菌膜制备工艺相对简单，克服了精油易挥发易氧化的不足，也避免精油与膜基质的不相容而无法制得均一膜的缺陷。由于本发明精油乳液为环糊精稳定的高油相Pickering乳液，含油量、稳定性及环保程度均高于传统精油乳液，也比工艺复杂的亲水胶体包裹的精油纳米胶囊具有优势。
附图说明
图1为本发明实施例所得抗菌膜的光学显微镜照片；
其中，a，对比例1所得抗菌膜的外观照片；b，实施例2所得抗菌膜的外观照片；c，实施例2所得抗菌膜中抗菌油滴染色后的照片(放大100倍)；
图2为本发明实施例所得抗菌膜的抗菌性能测试结果；
图中，对照、1％乳液、3％乳液、5％乳液，分别对应于对比例1、实施例3、实施例1和实施例2。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1
一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备纳米尺度牛至精油乳液：
称取适量黄原胶，加入40℃水中在150rpm的速度下搅拌至溶解，制成质量浓度为2％的黄原胶溶液；
将β-环糊精加入水中，60℃下加热溶解得到体积含量为2％的β-环糊精溶液，向β-环糊精溶液中加入牛至精油，其中牛至精油的加入量为β-环糊精溶液体积的1.5倍，以12000rpm的速度高速搅打1min，形成半流态乳液；
向所得半流态乳液中加入上述黄原胶溶液，使得黄原胶添加量为半流态乳液体积的0.2％，再次以12000rpm高速搅打1min，进一步增加乳液稳定性，得到纳米尺度的牛至精油乳液，备用。
(2)制备壳聚糖成膜液：
称取适量壳聚糖，加入体积含量为2％的乙酸溶液，搅拌溶解5～10小时，制成质量浓度为2％的壳聚糖乙酸溶液；
向所得壳聚糖乙酸溶液中加入甘油作为塑化剂，其中甘油的加入量为壳聚糖乙酸溶液体积的0.5％，制成成膜液，备用。
(3)制备抗菌膜：
取适量(1)所得纳米尺度牛至精油乳液加入到(2)所得壳聚糖成膜液中，使壳聚糖成膜液中牛至精油的体积含量为3％，机械慢速搅拌(120rpm)3小时至乳液分布均匀，经流延法制膜，40℃干燥20小时，揭起，于55％相对湿度条件下平衡保存。
实施例2
一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备纳米尺度柠檬醛乳液：
称取适量黄原胶，加入40℃水中在150rpm下搅拌至溶解，制成质量浓度为4％的黄原胶溶液；
将β-环糊精加入水中，加热至60℃溶解得到体积含量为3％的β-环糊精溶液，向β-环糊精溶液中加入柠檬醛精油，其中柠檬醛精油的加入量为β-环糊精溶液体积的1.8倍，以12000rpm的速度高速搅打3min，形成半流态乳液；
向所得半流态乳液中加入上述黄原胶溶液，使得黄原胶添加量为半流态乳液体积的0.4％，12000rpm高速搅打1min，进一步增加乳液稳定性，得到纳米尺度柠檬醛乳液，备用。
(2)制备壳聚糖成膜液：
称取适量壳聚糖，加入体积含量为2％的乙酸溶液，搅拌溶解4～10小时，制成质量浓度为1.5％的壳聚糖乙酸溶液；
向所得壳聚糖乙酸溶液中加入甘油作为塑化剂，其中甘油的加入量为壳聚糖乙酸溶液体积的0.5％，制成成膜液，备用。
(3)制备抗菌膜：
取适量(1)所得纳米尺度柠檬醛乳液加入到(2)所得壳聚糖成膜液中，使壳聚糖成膜液中柠檬醛精油的体积含量为5％，以120rpm的速度下搅拌4小时至乳液分布均匀，经流延法制膜，40℃干燥20小时，揭出，于55％相对湿度条件下平衡保存。
实施例3
一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备纳米尺度柠檬醛乳液：
称取适量黄原胶，加入40℃水中在150rpm的速度下搅拌至溶解，制成质量浓度为4％的黄原胶溶液；
将β-环糊精加入水中，加热至60℃溶解得到体积含量为3％的β-环糊精溶液，向β-环糊精溶液中加入1.5倍体积的柠檬醛精油，以12000rpm的速度高速搅打3min，形成半流态纳米尺度柠檬醛乳液；
向所得半流态乳液中加入上述黄原胶溶液，使得黄原胶添加量为半流态乳液体积的0.2％，12000rpm高速搅打1min，进一步增加乳液稳定性，得到纳米尺度的柠檬醛乳液，备用。
(2)制备壳聚糖成膜液：
称取适量壳聚糖，加入体积含量为2％的乙酸溶液，搅拌溶解5～10小时，制成质量浓度为2％的壳聚糖乙酸溶液；
向所得壳聚糖乙酸溶液中加入甘油作为塑化剂，其中甘油的加入量为壳聚糖乙酸溶液体积的0.5％，制成成膜液，备用。
(3)制备抗菌膜：
取适量(1)所得纳米尺度柠檬醛乳液加入到(2)所得壳聚糖成膜液中，使壳聚糖成膜液中柠檬醛精油的体积含量为1％，机械慢速搅拌(100rpm)3小时至乳液分布均匀，经流延法制膜，40℃干燥20小时，揭起，于55％相对湿度条件下平衡保存。
对比例1
(1)制备黄原胶溶液：
称取适量黄原胶，加入40℃水中在150rpm的速度下搅拌至溶解，制成质量浓度为4％的黄原胶溶液。
(2)制备壳聚糖成膜液：
称取适量壳聚糖，加入体积含量为2％的乙酸溶液，搅拌溶解5～10小时，制成质量浓度为2％的壳聚糖乙酸溶液；
向所得壳聚糖乙酸溶液中加入甘油作为塑化剂，其中甘油的加入量为壳聚糖乙酸溶液体积的0.5％，制成成膜液，备用。
(3)制备抗菌膜：
取适量黄原胶溶液加入到(2)所得壳聚糖成膜液中，使得黄原胶添加量为壳聚糖成膜液体积的0.2％，机械慢速搅拌(50rpm)3小时，经流延法制膜，40℃干燥20小时，揭起，于55％相对湿度条件下平衡保存。
对比例2
一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备纳米尺度柠檬醛乳液：
将β-环糊精加入水中，50℃加热溶解得到体积含量为3％的β-环糊精溶液，向β-环糊精溶液中加入1.8倍体积的柠檬醛，以12000rpm的速度高速搅打3min，形成纳米尺度半流态柠檬醛乳液，备用。
(2)制备壳聚糖成膜液：
称取适量壳聚糖，加入体积含量为2％的乙酸溶液，搅拌溶解4～10小时，制成质量浓度为1.5％的壳聚糖乙酸溶液；
向所得壳聚糖乙酸溶液中加入甘油作为塑化剂，其中甘油的加入量为壳聚糖乙酸溶液体积的0.5％，制成成膜液，备用。
(3)制备抗菌膜：
取适量(1)所得纳米尺度半流体柠檬醛乳液加入到(2)所得壳聚糖成膜液中，使壳聚糖成膜液中柠檬醛的体积含量为3％，机械慢速搅拌(50rpm)6小时至乳液分布均匀，经流延法制膜，40℃干燥20小时，取出，于55％相对湿度条件下平衡保存。
应用例性能测定
1、对实施例1～3、对比例1、对比例2所得抗菌膜进行相应的性能测定，膜厚度为0.2～0.35mm，为质地均一、具有一定机械性能的半透明膜，根据荷载精油量由少到多，抗菌膜颜色由无色变至浅黄色，透光率也逐渐下降；依据加入的黄原胶及乳液多少，膜的吸湿性和水蒸气透过率有不同程度的降低，结果如下表1所示。其中实施例2(b)、对比例1(a)所得抗菌膜的图片如图1所示，(c)为实施例2添加有经尼罗红染色乳液的抗菌膜光学显微镜照片(放大100倍)。由图1可知，通过将抗菌精油制成环糊精稳定的Pickering乳液，再加入壳聚糖膜液中制膜，膜中抗菌精油以纳米油滴的形式均匀分散，得以制备出均一的半透明膜，膜的理化性能也较为理想。
表1抗菌膜的相应性能测定
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
荷载精油量(体积含量) 3％ 5％ 1％ 0 3％
黄原胶添加量/％ 0.2 0.4 0.2 0.2 0
膜厚度/mm 0.304 0.317 0.292 0.269 0.265
透光率/％ 42.6 22.5 60.3 74.2 40.8
水蒸气透过率/[g/dm<sup>2</sup>] 2.76 2.26 2.98 3.37 2.49
吸湿性/％ 1.90 1.82 2.32 2.67 1.79
2、以金黄色葡萄球菌为对象菌，采用膜片法和浸没法对实施例1-3及对比例1所得抗菌膜的抗菌性能进行测试，结果如图2所示。
膜片法：将制备好的抗菌膜用打孔器裁成直径为2cm的圆形，紫外灭菌30min，将膜贴在涂布有菌液的LB培养基表面，37℃培养24小时后，观察膜片周围的透明抑菌圈。
浸没法：将抗菌膜裁成3cm×4cm的长方形膜片，紫外杀菌30min，将抗菌膜放入100mL灭菌三角瓶中，然后加入20mL的LB液体培养基及1mL金黄色葡萄球菌菌液，于37℃摇床(转速180r/min)培养24h后，取0.5mL培养液进行109倍稀释，涂布LB平板，24h后进行菌落计数。
由图2可知，添加有精油乳液的壳聚糖抗菌膜(实施例1-3)显示显著的抗菌性能，且随精油含量的增加其抗菌性能也显著提高。

Claims (7)

1.一种荷载纳米尺度精油的抗菌保鲜膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备纳米尺度精油乳液：
将β-环糊精加入水中，50-100℃下加热溶解得到体积含量为2％～5％的β-环糊精溶液，向β-环糊精溶液中加入精油，以高于10000rpm的速度高速搅打1～5min，形成半流态乳液，备用；
(2)制备壳聚糖成膜液：
称取适量壳聚糖，加入体积含量为2％的乙酸溶液，搅拌溶解4～10h，制成质量浓度为1％～2％的壳聚糖乙酸溶液；向所得壳聚糖乙酸溶液中加入甘油作为塑化剂，制成成膜液，备用；
(3)制备抗菌膜：
将(1)所得含精油的乳液加入到(2)所得壳聚糖成膜液中，使壳聚糖成膜液中精油的体积含量为1％～8％，50～200rpm下机械搅拌3～6h，至乳液分布均匀，经流延法制膜，40℃干燥5～24h，将膜揭起，于50～60％相对湿度条件下平衡保存。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)还包括向所得半流态乳液中加入质量分数为2～4％的黄原胶溶液，其中黄原胶添加量为半流态乳液体积的0.2％～0.6％，以200～12000rpm的速度下搅打1-10min后，再用于步骤(3)抗菌膜的制备。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，黄原胶溶液的制备方法为：将黄原胶加入40-80℃水中在150rpm的速度下搅拌至溶解，制成质量浓度为2～4％的黄原胶溶液。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述精油为具有抑菌活性的植物精油或化学合成精油。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述植物精油为牛至精油、柠檬醛精油、肉桂醛精油或芥末精油。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述精油的加入量为β-环糊精溶液体积的1.5～1.8倍。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述甘油的加入量为壳聚糖乙酸溶液体积的0.4～0.6％。
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