一种缓释型抑菌淀粉复合膜的制备方法和应用

技术领域

本发明属于食品包装材料技术领域，具体涉及一种缓释型抑菌淀粉复合膜的制备方法及其用途。

背景技术

传统的食品塑料包装材料，由于不可生物降解，造成严重的环境污染。因此，有必要寻找可生物降解的材料替代普通塑料用于食品包装。淀粉、分离蛋白和果胶等生物大分子已用于制备可食性薄膜。其中淀粉具有良好的可再生性，成本低廉，特别是马铃薯淀粉，具有优良的成膜性能，是活性复合膜的理想基材。由于淀粉是部分微生物的碳源，淀粉膜本身不具有抗氧化能力和抑菌性能。

香芹酚作为牛至精油中一种重要的酚类化合物，具有良好的抗氧化活性和抑菌性能，并且美国食品药品管理局已经批准其可以应用于食品中。将香芹酚应用于淀粉膜中可以改善复合膜的生物活性，赋予其抗氧化和抑菌能力。但是，由于香芹酚容易在加工过程中挥发，并且在水中溶解度很低。因此，香芹酚在食品保鲜领域的应用受到一定限制。

将油、表面活性剂、助表面活性剂和水混合后，通过乳化制备成粒径在50-200nm范围内的纳米乳液，有助于疏水成分分散到以水为主的体系中。香芹酚制成纳米乳液可以提高热稳定性、抗氧化和抑菌活性。同时，将香芹酚制备成纳米乳液还可以增加其亲水性，从而获得较高的运载浓度。本发明的复合膜以马铃薯淀粉作为基材，香芹酚纳米乳液的添加可以改变其原有的网络结构，并且纳米乳液的引入还能够克服淀粉膜缺少活性的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种缓释型淀粉复合膜的制备方法及其用途，所述复合膜有效阻隔紫外光和可见光的透过，还可以清除自由基，能够抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长。

本发明由马铃薯淀粉、甘油、香芹酚纳米乳液制成缓释型抑菌淀粉复合膜，包括如下步骤：

S1.将质量百分比为5-10％的香芹酚、5-10％吐温80、2.5-5％乙醇和余量为蒸馏水混匀后高速剪切处理，得到粗乳液；

S2.将粗乳液超声破碎处理后得到香芹酚纳米乳液；

S3.将马铃薯淀粉溶液和甘油混合后加热搅拌糊化，得到糊化淀粉溶液；

S4.将香芹酚纳米乳液加入到上述糊化淀粉溶液中并加热搅拌，得到成膜液；

S5.将成膜液倾倒在干净平板并干燥处理，得到香芹酚纳米乳液的淀粉复合膜。

进一步地，步骤S1所述的高速剪切处理的剪切转速为10000-12000rad/min，剪切时间为1.5-2min。

进一步地，步骤S2所述超声破碎处理的超声功率为600-800W，振幅为30-40％，超声时间为20-30min。

进一步地，步骤S1和S2均在冰浴条件下进行。

进一步地，步骤S3所述马铃薯淀粉溶液浓度为3-5％，甘油添加量为马铃薯淀粉添加量的质量百分比20-25％。

进一步地，步骤S4所述加入香芹酚纳米乳液的量为马铃薯淀粉质量百分比的100-300％。

进一步地，步骤S3所述加热温度为80-95℃，搅拌转速为100-120rad/min，加热搅拌时长为30-40min；步骤S4所述加热温度为70℃，搅拌转速为150-200rad/min，加热搅拌时长为30-40min。

进一步地，步骤S5所述干燥温度为40-50℃，干燥时间为6-8h。

一种采用上述制备方法制得的缓释型抑菌淀粉复合膜在食品包装方面的用途：所述复合膜应用于食品包装材料领域。

本发明取得了以下有益成果：

1.本发明加入的香芹酚纳米乳液与淀粉膜相互作用，并部分取代了原本淀粉间相互作用，改变了淀粉膜网络原本致密的结构，导致淀粉膜的表面由光滑变得粗糙，并且力学性能降低。

2.本发明的抑菌淀粉复合膜，由于香芹酚纳米乳液与淀粉膜通过氢键连接，增加了淀粉膜的结晶度。

3.本发明加入的香芹酚纳米乳液具有优异的比表面积和折射率，并且香芹酚对紫外光有很好的吸收作用。因此，复合膜可以较好地屏蔽紫外光和可见光，避免食品变质，延长食品保存期限。

4.本发明加入的香芹酚纳米乳液赋予淀粉复合膜抗氧化能力和抑菌能力。香芹酚的酚羟基结构可以释放质子，与自由基的单电子结合，从而将其还原；亦可释放质子进入细胞膜，或与酶位点结合，造成细胞膜完整性被破坏或细胞代谢活动被抑制，从而实现抑菌的效果。

附图说明

图1为各组淀粉基膜的扫描电子显微镜观察照片

图2为各组淀粉基膜的红外光谱图

图3为各组淀粉基膜的X射线衍射谱图

图4为各组淀粉基膜的透光率谱图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式进行详细的说明，下面的实施例仅作为示例说明，帮助本领域人员理解该发明，而非对本发明的限制。

实施例1

在该实施例中，按照下列方法制备缓释型抑菌淀粉复合膜：

S1.将5g香芹酚、5g吐温80、2.5g乙醇和37.5g蒸馏水混匀后12000rad/min高速剪切处理2min，得到粗乳液；

S2.将粗乳液超声破碎处理(800W，超声10s，停止10s，振幅40％)30min后得到香芹酚纳米乳液；

S3.将5g马铃薯淀粉和1g甘油加入到125mL蒸馏水内，在95℃，100rad/min条件下加热搅拌30min使糊化，得到糊化淀粉溶液；

S4.将5g香芹酚纳米乳液加入到上述糊化淀粉溶液中，并在70℃，150rad/min条件下加热搅拌30min，得到成膜液；

S5.将成膜液倾倒在干净平板并在40℃温度下干燥6h，得到缓释型抑菌淀粉复合膜。

实施例2

与实施例1的区别在于香芹酚纳米乳液的用量为10g，其余内容与实施例1一致。

实施例3

与实施例1的区别在于香芹酚纳米乳液的用量为15g，其余内容与实施例1一致。

空白组：不添加香芹酚纳米乳液，其余均与实施例1一致。

对实施例1-3和空白组进行如下检测：

1.扫描电子显微镜观察

将样品切片后粘在样品台上，并在表面均匀喷镀一层金粉，在3.0kV电压下分别放大500、1000、2000和5000倍观察，结果见图1。

图1为各组淀粉基膜的扫描电子显微镜观察结果。未添加香芹酚纳米乳液的空白组表面光滑均匀，说明马铃薯淀粉具有较好的成膜性能。而香芹酚纳米乳液的加入对淀粉膜的微观表面形态产生明显的影响，使得原本光滑的表面，出现许多孔洞，变得粗糙；并且随着香芹酚纳米乳液添加量的增加，复合膜表面的空洞数量也明显增加。这些情况主要由于香芹酚纳米乳液破坏了淀粉膜原本的致密结构，以及香芹酚和乙醇在薄膜干燥过程中挥发所致。

2.傅里叶变换红外光谱

将样品粉末与溴化钾混合进行红外光谱扫描，在400-4000cm

图2为各淀粉基膜的红外光谱图。其中在3306、2924、1414和1013cm

3.X射线衍射分析

在40kV和40mV的条件下，用Cu Kα辐射(波长为

图3为各薄膜的X射线衍射谱图。空白组在10-25°范围内只有一个宽峰，没有出现淀粉的特征峰，这表明凝胶化与高温破坏了淀粉颗粒的半晶状结构，使其处于无定型状态。而各实施例在12.9和19.8°附近出现两个衍射峰，且随着香芹酚纳米乳液添加量增多，峰的强度逐渐增加。主要原因是纳米乳液与淀粉之间通过氢键作用提升了复合膜的结晶度。

4.力学性能

将薄膜裁剪成10×40mm的矩形样品条，设置两架板间距为20mm，拉伸速度为20mm/min，测试结果见表1。

表1

注：同一列数据上标的不同小写字母表示样本存在显著性差异(p<0.05)。

各淀粉基薄膜的力学指标结果见表2。随着香芹酚纳米乳液的加入，淀粉基薄膜的拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量均明显降低(p<0.05)；当添加15g香芹酚纳米乳液时，淀粉膜的各力学性能分别从不添加时的29.5MPa，5.8％和1548MPa降低至6.3MPa，1.5％和461MPa，表明薄膜更柔软、更容易断裂。这些情况的出现与香芹酚纳米乳液与淀粉之间相互作用，取代了淀粉分子间更强的相互作用有关，与其表面微观形貌一致，淀粉膜的连续性被破坏，从而导致其机械性能降低。

5.透光率与不透明度

将薄膜样品裁剪成10×35mm矩形长条后固定在样品池内，以空气为空白参考，用紫外-可见光分光光度计在200-800nm范围内测量透光率以及不透明度，来评估薄膜对紫外光和可见光的屏蔽作用，结果见图4和表2。透光率和不透明度的计算公式为：

-lg透光率＝A

不透明度＝A

上式(1)中A

表2

注：同一列数据上标的不同小写字母表示样本存在显著性差异(p<0.05)。

由图4可知，各实施例在紫外区(200-380nm)的透光率显著低于空白组，尤其是在UV-C区，各实施例透光率几乎为0，说明香芹酚纳米乳液可以显著提高淀粉膜对紫外光的屏蔽效果，这主要是因为香芹酚可以很好地吸收紫外光。因此，该复合膜的应用有助于降低食品的氧化变质，延长食品的保存期限。

根据图4和表2的结果，在可见光范围内(380-800nm)，各实施例与空白组相比透光率显著降低，不透明度增加(p<0.05)，当加入15g香芹酚纳米乳液时，实施例3的不透明度相比空白组提高了72％。这些结果归因于香芹酚纳米乳液较好的比表面积和折射率，导致了光的折射和散射；此外，香芹酚纳米乳液的存在起到阻挡光路的作用，从而降低淀粉基薄膜的透光率。复合膜对可见光的屏蔽作用可以避免食品中微生物和色素的降解，从而延长食品存期限。

6.抗氧化活性测定

采用DPPH自由基清除法测定薄膜的抗氧化活性。称取50mg薄膜样品加入到5mL甲醇中，在25℃以100rpm转速摇晃3h。然后取1mL上清液加入到0.2mL浓度为1mM的DPPH甲醇溶液中并充分混匀，并反应30min，实验避光进行。用等量甲醇代替上清液进行相同操作后作为空白对照，用酶标仪测定反应后溶液在517nm处的吸光度，并计算出DPPH自由基清除率，结果见表3。DPPH自由基清除率计算公式为：

DPPH自由基清除率＝(A

上式(3)中A

表3

注：同一列数据上标的不同小写字母表示样本存在显著性差异(p<0.05)。

DPPH溶液浓度与其在517nm处吸光度成正比，而抗氧化剂的氢原子可以与DPPH的奇电子配对，从而导致其吸光度降低。各实施例和空白组对DPPH自由基清除作用的结果见表3。空白组的DPPH自由基清除率仅为4.19％，而加入5g香芹酚纳米乳液时，实施例1的DPPH自由基清除率提高到了63.67％；当乳液添加量达到15g时，复合膜的自由基清除率更是达到了81.33％，说明香芹酚纳米乳液的加入可以显著提高复合膜的抗氧化活性(p<0.05)。这主要是因为香芹酚含有酚羟基的结构导致的。

7.抑菌试验

将100μL的浓度为10

表4

注：同一列数据上标的不同小写字母表示样本存在显著性差异(p<0.05)。

各实施例和空白组的抑菌试验结果如表4所示。纯淀粉膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均无抑制作用；而加入纳米乳液的各实施例对两种细菌均有明显的抑制作用，且其对金黄色葡萄球菌的抑制效果要优于对大肠杆菌的效果。这主要与香芹酚的存在有关，具有一定疏水性的香芹酚可以在细菌的细胞膜表面累积，且其酚羟基可形成氢键并释放质子，破坏细胞膜的完整性，从而导致细胞死亡；香芹酚还可以进入细菌细胞内，与酶位点通过氢键结合，从而干扰细菌正常的代谢活动。乳液中吐温80烷基基团的存在也可以渗透进细胞膜中，并干扰其正常功能，从而提高复合膜的抑菌效果。但是以大肠杆菌为代表的革兰氏阴性菌的表面具有脂多糖外壳，可以限制疏水化合物的渗透，从而起到一定的抗性作用，而以金黄色葡萄球菌为代表的革兰氏阳性菌却没有该结构，所以复合淀粉膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用更强。

虽然上述实施例对本发明的几种实施方式已经进行了非常具体和详细的描述，但这并非对本发明专利范围的限制。因此，在本发明基础之上进行的一些修改或改进均属于本发明要求保护的范围。