一种具有抑菌性能生物胺PVA复合膜及其制备和应用

技术领域

本发明属于食品抑菌保鲜材料技术领域，具体涉及一种具有抑菌性能生物胺PVA复合膜及其制备和应用。

背景技术

生鲜食品在运输、加工和贮藏过程中，由于蛋白质降解、微生物增殖和质地变化，容易造成其物理化学性质和感官性状的不良变化，降低食品营养和商业的价值。因此，迫切需要开发有效的方法来监测和提高食品的质量、可持续性和安全性。食品包装是为了保护食品免受物理、化学和生物损害而设计的，在确保食品安全和保持质量方面起到至关重要的作用。传统包装材料的设计仅满足基本要求，包括强度、柔韧性、耐久性和气体/水分阻隔性能等。近年来，根据环境或食品条件的变化，如温度、湿度、光线、气体、pH、特定化学物质、酶活性等，对食品质量、新鲜度和安全性的要求也越来越高，因此，提供一种具有抑菌作用的包装材料是有较大需求的。

发明内容

[技术问题]

虽然已经存在一些关于CDs与PVA复合功能化薄膜的报道，但这些报道的重心主要集中在薄膜结构、光学和防水性能的增强上。而利用CDs的加入增强PVA薄膜抗菌活性的研究相较还是很稀缺，具有很大研究空间。

[技术方案]

为了解决上述问题，本发明将具有高抑菌活性的精胺碳点与PVA薄膜进行复合，制备出一种具有抑菌性能的活性包装薄膜。本发明在食品保鲜与质量安全保障方面具有重要意义和广阔的应用前景。

本发明的第一个目的是提供一种具有抑菌性能包装薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将葡萄糖、精胺和氯化钠溶解于去离子水，水热反应一段时间后，离心、透析、干燥，得到精胺碳点；加入去离子水配制成不同浓度的精胺碳点溶液；

(2)将上述所的精胺碳点、PVA分别溶解于去离子水中，相应得到精胺碳点溶液和PVA溶液；向PVA溶液中加入甘油，混匀后再加入精胺碳点溶液，得到复合膜液；取复合膜溶液均匀平铺，恒温干燥，得到具有抑菌性能包装薄膜，记作碳点/PVA复合膜。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述葡萄糖、精胺和氯化钠质量为1：0.7：0.5。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述葡萄糖相对去离子水的浓度为60-80mg/mL。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的水热反应是采用微波加热，微波场的辐射功率为500～1500W，加热时间为3～10min。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中水热反应结束后，将反应液冷却，之后加入水进行超声溶解，然后再进行离心透析；其中所述超声处理的功率为150～300W，处理时间为25～60min。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述离心的转速为8000～15000rpm/min，时间为10～45min。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述透析是将离心后收集的上清液进行透析，透析袋的截留分子量在500～3000Da，透析时间为5～10h。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述干燥是冷冻干燥，具体是在80～30℃下冷冻干燥2～5d。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述碳点溶液的浓度为0wt％～0.01wt％。优选0.0025wt％-0.01wt％；进一步优选0.005wt％-0.01wt％。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述PVA溶液的浓度为50-80mg/mL。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述PVA溶液与碳点溶液的体积比为(15-20)：1；进一步可选17.5：1。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述甘油相对PVA的质量分数为10％-30％，进一步可选20％。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述PVA溶液配制条件是在45～98℃下搅拌10～45min。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中，加入精胺碳点溶液后超声搅拌，得到复合膜液；所述超声搅拌的时间为5～30min。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中，取用4～10mL复合膜液均匀铺于培养皿中室温干燥12～72h。

本发明还基于上述方法制备提供一种具有抑菌性能包装薄膜。

在本发明的一种实施方式中，CDs能够增强PVA功能性能，例如，CDs的引入使PVA水凝胶具有一些特殊的特性，如荧光性能、抗氧化性能、和抗菌性能。复合薄膜是一种有潜力的活性智能食品包装材料，用于延长食品的货架期具有一定可观前景。

本发明还提供上述具有抑菌性能包装薄膜在食品包装领域中的应用。

[有益效果]

(1)本发明制备工艺简单方便，耗时短。

(2)本发明所制备的精胺碳点/PVA复合膜在紫外灯下发出蓝色荧光，在食品包装标签防伪应用上有积极作用。

(3)本发明的精胺碳点/PVA复合膜对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌表现出良好的抑菌效果，且随着碳点加入的浓度增益效果更见明显，对于作为食品安全包装进行开发研究具有很可观的前景。

附图说明

图1为精胺碳点/PVA复合薄膜拍摄图像。

图2为精胺碳点/PVA复合薄膜荧光图像。

图3为精胺碳点/PVA复合薄膜抑菌结果图像。

具体实施方式

以下通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

测试方法：

抑菌性能的测试：

(1)碳点抑菌性能测试：将所得碳点浓度梯度稀释，浓度设置为0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.8和1.2mg/mL，与革兰氏阳性菌S.aureus(金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性菌E.coli(大肠杆菌)分别培养24小时，每小时测OD600值，可得到最小抑菌浓度。

(2)复合膜抑菌性能测试：将所得碳点/PVA复合膜液浓度设置为0％～0.01％，与革兰氏阳性菌S.aureus(金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性菌E.coli(大肠杆菌)稀释悬浊液分别培养2～4小时，均匀涂布于营养琼脂平板，经35～37℃培育24～48h，即可得到直观抑菌结果图像及菌落计数；具体包括：

(a)以金黄色葡萄球菌和大肠杆菌为试验菌株。将20μL菌悬液加入配置好的150mL灭菌液体培养基，进行菌种复苏；

(b)待菌落生长至10

(c)将混合均匀的5种膜液与稀释过后的菌悬液进行1:1混合均匀；

(d)分别取100μL摇好的混合液均匀涂抹于营养液琼脂板表面，在37℃下孵育过夜，观察细菌生长情况；

其中，菌种复苏条件为37℃，150rpm；复苏时间为12～24h；膜液与菌液混合条件为35～37℃，150rpm，时间为2～4h。

荧光测试：关闭室内灯光，将所得复合薄膜平整放置到荧光倒置显微镜下，放下明场遮拦，拉开荧光遮拦棒，旋转滤色块转盘至紫色，用荧光光源视野调节旋钮和荧光光源光圈调节旋钮调节荧光的范围和强度。在根据所选的物镜倍数选择放大倍数。拉开摄像头操纵杆，单击鼠标左键选择一块白色区域，单击鼠标右键，进行白平衡。即可得出荧光图像。

实施例1精胺碳点PVA复合薄膜

一种具有抑菌性能碳点PVA复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将1g葡萄糖、0.7g精胺、0.5g氯化钠溶于15mL水中，150rpm搅拌10min，混合均匀，得到混合液；

(2)将混合液置于微波场(辐射功率为700W)中加热5min，进行水热反应；

(3)反应结束后，加入20mL水，在超声功率200W下搅拌30min，使得碳点溶解在水中；之后在9000rpm/min下离心30min，分离除去大分子物质以及不溶性沉淀，收集上清液(即初步碳点水溶液)；再将得到的初步碳点水溶液经过500Da透析袋透析，得到浅棕色澄清溶液；最后在50℃下冷冻干燥4天，收集所得碳点粉末，即所述的具有抑菌性能碳点(即精胺碳点)；置于-20℃保存备用；

(4)将2g PVA加入35mL去离子水中于95℃磁力搅拌25min，直至溶液澄清透明；待溶液冷却至室温；然后加入占PVA干重20％的甘油；磁力搅拌后再在溶液中加入2mL碳点溶液(质量浓度分别为0％、0.0025％、0.005％、0.0075％、0.01％)，在超声功率180W下搅拌15min，混匀得到复合膜液；取6mL CDs/PVA溶液均匀铺于培养皿中，室温干燥36h，得到所述的具有抑菌性能的碳点/PVA复合膜。

对得到的具有抑菌性能复合薄膜进行拍摄，结果如下：

图1为复合薄膜图片，从图1可以看出：薄膜均为透明式样，与前述PVA性质相符，且加入碳点后并没有改变其透明性质，仅是颜色出现微小变化，随碳点浓度增加复合薄膜逐渐呈现淡棕黄色。

图2为复合薄膜荧光图片，从图2可以看出：纯PVA薄膜并不发出荧光，无荧光特性，而加入精胺碳点后，碳点/PVA复合膜具有了荧光性能，且随碳点浓度增加而蓝色荧光加强。证明具有蓝色荧光的精胺碳点与PVA进行了良好的融合。

图3为复合薄膜抑菌结果图片，从图3平板图片以及记录菌落总数可以看出：PVA纯膜液与对照组均有大量细菌生长，而加入精胺碳点对PVA抑菌性能有非常显著的提升，且随碳点浓度增加而逐渐加强，说明精胺碳点的加入赋予了PVA极其优异的抑菌性能。

对比例1

参照实施例1，将调整步骤(1)葡萄糖、精胺、氯化钠的用量(如表1所述)，其他不变，制得相应精胺碳点。

测试抑菌性能，结果如表1所示。

表1

从表1可以看出：原料比例为1:0.5:0.5的精胺碳点其对S.aureus的MIC为0.8mg/mL，对E.coli的MIC为1.2mg/mL；原料比例为1:0.5:0.7的精胺碳点对S.aureus的MIC达到0.4mg/mL，对E.coli的MIC达到0.8mg/mL；而实原料比例为1:0.7:0.5的精胺碳点对S.aureus的MIC低至0.04mg/mL，对E.coli的MIC低至0.2mg/mL；可见，精胺用于制备碳点能够取得很优异的抑菌效果。

参照实施例1中步骤(4)制得相应的复合膜。测试其抑菌性能，结果如表2所示。

表2

从表2可以看出：以原料比例为1:0.7:0.5合成精胺碳点与PVA进行复合制备的复合膜，其对S.aureus和E.coli的抑菌效果随精胺碳点浓度的增加而增强，以两种革兰氏细菌作为对照组，经24h培养后细菌菌落总数分别达到1448CFU和1392CFU。由于PVA本身性质，在单独将PVA与菌液混合后，经培养发现其菌落总数均高于对照组，且没有抑菌性。在碳点浓度为0.0025％时，复合膜液与菌液混合后菌落总数分别为290CFU和5CFU，抑菌率分别为78％和99％，抑菌效果远高于PVA。而碳点浓度为0.005％时，即可完全抑制两种革兰氏细菌，抑菌率高达100％，直观抑菌效果见图3。

以上所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，所描述的步骤也不是用以限制其执行顺序。本领域技术人员结合现有公知常识对本发明做显而易见的改进，亦落入本发明权利要求书所界定的保护范围之内。