CN113621242B - 一种苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜 - Google Patents

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Abstract

一种苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，成膜物质为水、甘油、明胶、苯丙氨酸和DMSO；本发明的具备pH响应性，控释性能优良，可根据实际需要调节缓释释放速率；绿色天然安全无毒，生物相容性好，可用于食品或药物等领域，对生物活性材料（染料、精油、药物等）进行包埋；制备方法简单，成本低廉。

Description

一种苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜
技术领域
本发明涉及一种缓释膜，具体涉及一种苯丙氨酸/明胶基缓释膜。
背景技术
目前，国民的食品安全和生态环保意识正随着中国经济社会实力的增强而逐步提升。因微生物等致病菌引发食品腐烂变质进而导致食品安全的事件也频繁发生。食品包装作为食品流通环节中重要的一环，除了满足美观、方便等基本需求外，还必须具备抑菌保鲜、有效延长食品货架期的功效。
明胶主要通过高等动物的皮、骨等结缔组织中的胶原蛋白水解得到，它作为蛋白质类包装膜在近些年逐渐受到了更多的关注与认可。同时来源广、成本低的特性也为其广泛应用提供了条件。并且它具备优良的生物相容和生物降解性，能广泛地作为食品功能物质和营养成分使用。但其成膜后机械性能和热稳定性较差，没有pH响应性，因此单纯明胶膜的应用范围也受到了一定限制。
传统食品塑料包装膜材料往往是由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PPVC）等高分子聚合物有机合成的，这类食品包装膜为人类生活提供了诸多便利，但同时也存在着一些致命的缺点，比如：塑料是由石油炼制的产品制成的，而石油属于不可再生资源，持续的塑料产品生产会造成极大的资源浪费；塑料包装膜在自然界降解困难，会造成环境污染，最终给人类生产生活带来不可避免的影响。因此，开发具备生物可降解且具备抑菌功效的抑菌膜逐渐成为食品包装行业的发展方向。
近年来天然抑菌剂因其绿色、天然、安全、广谱抑菌等特性在抑菌膜制备工艺中得到了较为广泛的应用。普遍被接受的植物精油抑菌机理大多是：精油中的疏水性组分直接作用于细胞膜，细胞膜磷脂双分子层的渗透性因为抑制酶与蛋白质二者的结合而大大增加，导致细胞膜最终被破坏。百里香精油是常见的植物天然抑菌剂之一，提取于百里香中，抑菌范围广泛，抑菌谱宽，对细菌等致病菌抑菌效果显著，但它本身挥发性较强，直接添加有效时间太短，会造成一定浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种具备pH响应性，控释性能优良，安全无毒，成本低廉的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，成膜物质为水、甘油、明胶、苯丙氨酸和DMSO。
优选地，明胶与甘油的质量比为1∶20%~250%。此范围所得复合膜弹性、拉伸效果较好。甘油添加量若低于明胶的20%，复合膜延展性能则较差且易断裂；甘油添加量高于明胶的250%，对增加复合膜延展性效果并不显著，容易造成资源浪费。
优选地，明胶和水的质量比为1∶5~15（更优选1∶8~12）。
优选地，苯丙氨酸和明胶的质量比为1∶10~50（更优选1∶15~40）。
优选地，DMSO（二甲基亚砜）的添加量小于成膜物质总体积的8%。随着DMSO含量的增加，复合膜透光率不断增大，明胶和苯丙氨酸两种成膜基底之间的相容性也不断增强；但从节约成本和安全角度考虑， DMSO添加量控制在3~5 %更优。
优选地，所述苯丙氨酸为N-芴甲氧羰基-L-苯丙氨酸（即fmoc-苯丙氨酸，简写为Fmoc-LPhe，是由 Fmoc 氨基保护基连接的苯丙氨酸），所述明胶、二甲基亚砜（DMSO）可通过市售途径取得。
优选地，复合膜中包埋了功能成分，所述功能成分占复合膜总质量的0.1%~12%。
优选地，所述功能成分为精油、染料或药物中的一种或两种以上。
更优选地，所述功能成分为百里香精油。
优选地，制备方法包括以下步骤：
（1）将甘油、明胶加入水中，搅拌使三者充分混合；
（2）加入苯丙氨酸，搅拌；
（3）加入DMSO，搅拌，加入功能成分，搅拌，超声处理；
（4）倒入模具中，摇匀，干燥，即成。
更优选地，步骤（1）中，所述搅拌的温度为35~40℃，搅拌时的转速为300~350rpm，所述搅拌的时间为5~8min。
更优选地，步骤（2）中，所述搅拌的温度为35~40℃，搅拌时的转速为300~350rpm，所述搅拌的时间为8~10min。
更优选地，步骤（3）中，所述搅拌的温度为35~40℃，搅拌时的转速为300~350rpm；加入DMSO后搅拌1~3min；加入功能成分后搅拌1~2min。
更优选地，步骤（3）中，所述超声处理的功率为100~200W，超声处理的时间为20~30min。
更优选地，步骤（4）中，所述干燥的温度为40~45℃，干燥的时间为24~48h。
进一步优选地，步骤（4）中，在40~45℃干燥24~48h后在室温下继续干燥24~48h。
发明人发现苯丙氨酸与明胶经杂化后的自组装形成的复合膜表现为：酸性条件下状态稳定，碱性条件下快速溶解；制备得到的杂化膜有着良好的控制释放效果，并且可以通过调节pH值得到不同的释放速率以适应实际需求；包埋精油、染料以及药物时，均具有优良的控释性能。
本发明有益效果：本发明的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜具备pH响应性，控释性能优良，可根据实际需要调节缓释释放速率；绿色天然安全无毒，生物相容性好，可用于食品或药物等领域，对生物活性材料（染料、精油、药物等）进行包埋；制备方法简单，成本低廉。
附图说明
图1是实施例1~4和对比例1在透明模具中在成膜后的光学照片，从左到右依次为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、对比例1；
图2是实施例1~4和对比例1的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的透光率图；
图3是实施例5的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜在不同pH值磷酸缓冲液（PBS溶液）条件下的释放率变化图；
图4是实施例6的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜在不同pH值磷酸缓冲液（PBS溶液）条件下的释放率变化图；
图5是实施例7的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜在不同pH值磷酸缓冲液（PBS溶液）条件下的释放率变化图；
图6是实施例8的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜在不同pH值磷酸缓冲液（PBS溶液）条件下的释放率变化图；
图7是实施例5~8的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜在相同pH值为4.5的条件下的释放率变化图；
图8是实施例5~8的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜在相同pH值为5的条件下的释放率变化图；
图9是实施例5~8的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜在相同pH值为5.5的条件下的释放率变化图；
图10是实施例5~8的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜在相同pH值为6的条件下的释放率变化图；
图11是实施例5~8的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜在相同pH值为7的条件下的释放率变化图；
图12是实施例5~8的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜在相同pH值为8的条件下的释放率变化图；
图13是实施例9~10的复合膜以及百里香精油的大肠杆菌抑菌圈光学照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
本发明实施例所使用的苯丙氨酸为N-芴甲氧羰基-L-苯丙氨酸（即fmoc-苯丙氨酸，简写为苯丙氨酸），购于吉尔生化（上海）有限公司；其它所使用的化学试剂，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。
实施例1
本实施例苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.6667g明胶加入含有1.05mL甘油的4.47mL的蒸馏水中，在磁力搅拌器下（35℃，300rpm）搅拌5min，明胶溶解；
（2）再加入苯丙氨酸0.0333g搅拌8min（35℃，300rpm）；
（3）再加入溶液总体积8%的DMSO，搅拌2min（35℃，300rpm），在超声波清洗器中超声20min（功率为100W）；
（4）倒入60 mm的平皿中，摇匀后置于40℃烘箱中干燥24h，即成膜。
实施例2
本实施例苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，与实施例1基本相同，区别在于：DMSO的用量为溶液总体积的6%。
实施例3
本实施例苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，与实施例1基本相同，区别在于：DMSO的用量为溶液总体积的4%。
实施例4
本实施例苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，与实施例1基本相同，区别在于：DMSO的用量为溶液总体积的2%。
对比例1
本实施例苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，与实施例1基本相同，区别在于：不添加DMSO。
测定实施例1~4和对比例1所得苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的透光率，比较不同DMSO添加量对苯丙氨酸/明胶基复合膜透光率的作用效果。膜透光率测定的步骤如下：将制备好的膜裁剪成比色皿大小的长方形，将其置于紫外分光光度计小槽的一侧，测定其在600nm处的透光值，以空气作为对照，测两个平行样。测试结果见图2。由图2可以看出，随着DMSO含量的增加，复合膜透光率不断增大，但添加量为6%以上时，透光率进一步提升量很小。由图1可以看到复合膜外观形态随DMSO含量的变化（从左到右依次为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、对比例1）。
实施例5
本实施例以直接红染料为功能成分的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.6667g明胶溶于含有1.05ml甘油的3.51mL的蒸馏水中，在磁力搅拌器下（35℃，300rpm）搅拌5min，明胶溶解；
（2）加入苯丙氨酸0.0444g搅拌8min（35℃，300rpm；苯丙氨酸与明胶的质量比为1∶15）；
（3）加入240μL的DMSO，搅拌2 min（35℃，300rpm），再加入1200μL的直接红染料，搅拌2 min（35℃，300rpm），超声20min（功率为100W）；
（4）以平皿为模具，每个平皿中放入1mL，摇匀，置于40℃烘箱中干燥24h，即成膜。
本实施例按照苯丙氨酸与明胶的质量比记为“1/15Fmoc-F”组。
实施例6
本实施例以直接红染料为功能成分的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，与实施例5基本相同，区别在于：苯丙氨酸的用量为0.0333g（苯丙氨酸与明胶的质量比为1∶20）。
本实施例按照苯丙氨酸与明胶的质量比记为“1/20Fmoc-F”组。
实施例7
本实施例以直接红染料为功能成分的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，与实施例5基本相同，区别在于：苯丙氨酸的用量为0.0222g（苯丙氨酸与明胶的质量比为1∶30）。
本实施例按照苯丙氨酸与明胶的质量比记为“1/30Fmoc-F”组。
实施例8
本实施例以直接红染料为功能成分的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，与实施例5基本相同，区别在于：苯丙氨酸的用量为0.0167g（苯丙氨酸与明胶的质量比为1∶40）。
本实施例按照苯丙氨酸与明胶的质量比记为“1/40Fmoc-F”组。
将实施例5~8的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜从平皿中撕下来，测试复合膜在多种pH值（4.5、5、5.5、6、7、8）的磷酸缓冲液（PBS溶液）条件下的释放率变化情况：将复合膜置于10mL离心管中加入PBS缓冲液，稀释后测定540nm处的吸光度值，每组实验重复测定两次取其平均值。测试结果如图3~12所示。
直接红释放率计算公式：
释放率=A1/A0×100%
式中：A1表示样品在540nm处的吸光度值；A0表示直接红完全溶解的吸光度值。
经过测定发现：不同苯丙氨酸的添加量会影响直接红染料控制释放的速度，当苯丙氨酸添加量为明胶质量的2.5%~6.7%时，随着苯丙氨酸添加量的增加，抑菌膜中包埋物的释放速度会逐渐减慢，且在pH4.5-pH8范围内，抑菌膜的控制释放速度呈现出随着pH的增大而加快的趋势，说明了苯丙氨酸有着良好的pH响应性，能对染料、精油等生物活性材料实现控制释放。
实施例9
本实施例以百里香精油为功能成分的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.0111 g明胶加入到含有0.018mL甘油的68μL的蒸馏水中，在35℃ 300rpm的磁力搅拌器上充分搅拌5 min，使明胶溶解；
（2）加入0.0005g苯丙氨酸继续搅拌8min（35℃，300rpm）；
（3）再加入溶液总体积4%的DMSO，搅拌1min（35℃，300rpm），加入10μL百里香精油，继续搅拌1min（35℃，300rpm），然后放在超声波清洗机中超声20min（功率为100W）；
（4）然后倒入60mm的平皿中，摇匀，置于40℃烘箱中干燥24h，即成膜。
实施例10
本实施例苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的制备方法，与实施例9基本相同，区别在于：苯丙氨酸的用量为不使用百里香精油（使用蒸馏水补充百里香精油占据的体积）。具体包括以下步骤：
（1）将0.0111g明胶加入含有0.018mL甘油的78μL的蒸馏水中，在磁力搅拌器下（35℃，300rpm）搅拌5min，明胶溶解；
（2）加入0.0005g苯丙氨酸搅拌8min（35℃，300rpm）；
（3）再加入溶液总体积4%的DMSO，搅拌2min（35℃，300rpm），在超声波清洗器中超声20min（功率为100W）；
（4）倒入60 mm的平皿中，摇匀，置于40℃烘箱中干燥24h，即成膜。
测试实施例9和实施例10所得复合膜对LB固体培养基上大肠杆菌的生长抑制作用：复合膜制成后，以及制成后在室温放置24h后分别进行测试（序号7~10）；作为对照，将不同稀释倍数（不稀释、2倍、4倍、6倍），以及室温下放置24h后的百里香精油对LB固体培养基上大肠杆菌的生长抑制作用情况进行测试（序号1~6），并设置空白对照组（序号1）；测试结果见表1和图13。
抑菌性能的测定方法步骤如下：吸取100 μL的大肠杆菌菌悬液（约1×106 CFU/mL）于LB固体培养基上，用涂布器涂布均匀之后静置5min；然后将直径6mm的无菌圆形滤纸片放入培养基中间，再将不同稀释倍数（不稀释、2、4、6倍）的百里香精油滴加在滤纸片上，或者将复合膜放入在培养基中间，在37℃的培养箱中倒置培养24h后测量抑菌圈的大小。
表1 不同抑菌物质的抑菌圈直径
Figure DEST_PATH_IMAGE002
经过抑菌实验发现：百里香精油本身就有着良好的抑菌效果，10μL百里香精油抑菌效果最显著，抑菌圈直径最大，但其容易挥发，不能长效抑菌，在室温下放置24h抑菌圈直径相对缩小1/2。随着百里香精油稀释倍数（2倍、4倍、6倍）的增加，抑菌圈直径不断减小。
包埋百里香精油的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜（序号7）放置于LB固体培养基中心恒温培养24h后，膜周围出现明显抑菌圈，大肠杆菌无法在圈内区域生长；且包埋百里香精油的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜抑菌圈直径明显大于精油室温静置24h后（序号3）的抑菌圈直径，说明苯丙氨酸/明胶基抑菌膜可以有效防止百里香精油挥发，延长其抑菌效果。
而相较于直接放进LB固体培养基中心的复合膜，在室温环境下静置24h后的抑菌圈儿直径反而略大于前者，分析其原因，可能是没有经过静置的膜所形成的结构不够紧密，孔隙比较大，在大肠杆菌培养的温度下(37℃）百里香精油从空隙中快速挥发，而放置24h的抑菌膜由于在室温下缓慢挥发空隙中的水分，导致膜结构紧致，可以有效抑制精油的挥发，并使其在抑菌实验中发挥更好的效果。
此外，苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜自身也有一定的抑菌效果。根据已有研究分析，明胶/甘油无抑菌效果，因此苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜的抑菌效果可能来自苯丙氨酸。

Claims (10)

1.一种苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，成膜物质为水、甘油、明胶、苯丙氨酸和DMSO；明胶与甘油的质量比为1∶0.2~2.5；明胶和水的质量比为1∶5~15；苯丙氨酸和明胶的质量比为1∶10~50；DMSO的添加量小于成膜物质总体积的8%；所述苯丙氨酸为N-芴甲氧羰基-L-苯丙氨酸。
2.根据权利要求1所述的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，包埋了功能成分，所述功能成分占复合膜总质量的0.1%~12%。
3.根据权利要求2所述的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，所述功能成分为精油、染料或药物中的一种或两种以上。
4.根据权利要求3所述的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，所述功能成分为百里香精油。
5.根据权利要求2~4中任一项所述的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
（1）将甘油、明胶加入水中，搅拌使三者充分混合；
（2）加入苯丙氨酸，搅拌；
（3）加入DMSO，搅拌，加入功能成分，搅拌，超声处理；
（4）倒入模具中，摇匀，干燥，即成。
6.根据权利要求5所述的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，步骤（1）中，所述搅拌的温度为35~40℃，搅拌时的转速为300~350rpm，所述搅拌的时间为5~8min。
7.根据权利要求5所述的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，步骤（2）中，所述搅拌的温度为35~40℃，搅拌时的转速为300~350rpm，所述搅拌的时间为8~10min。
8.根据权利要求5所述的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，步骤（3）中，所述搅拌的温度为35~40℃，搅拌时的转速为300~350rpm；加入DMSO后搅拌1~3min；加入功能成分后搅拌1~2min；所述超声处理的功率为100~200W，超声处理的时间为20~30min。
9.根据权利要求5所述的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，步骤（4）中，所述干燥的温度为40~45℃，干燥的时间为24~48h。
10.根据权利要求5所述的苯丙氨酸/明胶基缓释复合膜，其特征在于，步骤（4）中，所述干燥为在40~45℃干燥24~48h后在室温下继续干燥24~48h。
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