壳聚糖/柠檬草精油复合膜的制备及性能研究

张智宏，程春生 ，覃宇悦，吴 艳，杨继怡，赵天瑞，樊 建

(昆明理工大学化学工程学院，云南昆明650500)

壳聚糖是甲壳素脱乙酰的产物，是一种可生物降解材料。其分子结构是由随机分布的D-氨基葡萄糖和N-乙酰-D-氨基葡萄糖通过β-(1，4)糖苷键连接成的线性多糖［1］。壳聚糖不溶于水，能溶于多数有机酸形成粘稠液体，具有良好的成膜性［2-4］。为了延长食品的保质期，研究者们正致力于将植物精油、植物提取物等天然抗菌剂添加到壳聚糖中制成复合膜［5-6］。柠檬草(Cymbopogon citrates)为禾本科香茅属，多年生草本植物。柠檬草在云南省德宏州地区有大面积种植，其具有浓郁的柠檬香味，茎叶可直接作为调味香料使用，也可以提取植物精油［7］。柠檬草精油富含柠檬醛、柠檬烯等多种特殊成分，对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌等具有良好的抑菌活性［8］。本文将不同比例的柠檬草精油加入壳聚糖溶液，制备壳聚糖/柠檬草精油复合膜，研究不同柠檬草精油添加量对壳聚糖的机械性能、透明度、水蒸气透过率和抗菌性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

柠檬草 产地云南省德宏州，自制精油;壳聚糖 脱乙酰度为95%，购自青岛奥福隆生物科技有限公司;大肠杆菌(Escherichia coli)、金色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和巨大芽孢杆菌(Bacillus megatherium) 昆明理工大学生命科学与技术学院提供;其他试剂 均为分析纯。

DHG-9070A 型电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;RW20 digital 型数显机械搅拌器 德国IKA 公司;DRK101 电子拉力实验机 济南德瑞克仪器有限公司;J0006 螺旋测微器 温州市华中仪器有限公司;TU-1901 紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;iS10 型傅里叶红外光谱仪 美国Nicolet 仪器有限公司;Inspect F50 型电子扫描显微镜 美国FEI 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 复合膜的制备 称取一定量的壳聚糖，加入2%(v/v)乙酸溶液，室温下搅拌溶解，得到1.5%(w/v)的壳聚糖溶液。将不同比例(0%、0.5%、1.0%和1.5%(v/v))柠檬草精油与壳聚糖溶液混合，为了增加精油在壳聚糖溶液中的分散性，添加0.5%(w/v精油)吐温-80。将混合均匀的壳聚糖溶液真空脱气，在聚四氟乙烯板上流延成膜，25℃干燥，揭膜，置于干燥器中保存。

1.2.2 显微结构的测定 取壳聚糖/柠檬草精油复合膜样品，采用扫描电子显微镜，对复合膜的表面显微结构进行分析检测。

1.2.3 红外光谱分析 采用Nicolet iS10 型傅立叶红外光谱仪测定。测试光谱范围为400～4000cm-1，分辨率为4cm-1。

1.2.4 机械性能的测定 机械性能包括抗拉强度(σt)和断裂伸长率(εt)。根据GB13022-91 塑料薄膜拉伸性能的实验方法测定。

1.2.5 透明度的测定［9］用紫外可见分光光度计在波长600nm 下测定透过率来测定复合膜的透明度，每个样品重复测定3 次，取平均值。膜的透明度按以下公式计算:

式中，T 为透明度;Abs600为600nm 下的吸光值;d 为膜的平均厚度(mm)。通过公式计算，T 值越高说明膜的透明度越低，不透明度越高。

1.2.6 水蒸气透过率的测定［9］称取硅胶置于称量瓶(40 ×25mm)中，将直径为50mm 的复合膜紧密覆盖在瓶口，将其放入底部盛有饱和NaCl 的干燥器中。将干燥器置于25℃相对湿度为65%的环境中。每隔1h 测定一次总共间隔12h。水蒸气透过率按以下公式计算:

式中，WVP 为水蒸气透过率(g/m·s·Pa);WVTR 为水蒸气传输率(g·m-2·s-1);X 为膜的平均厚度(m);ΔP 为膜内外压差(Pa)。

1.2.7 抗菌性能的测定 4 种菌种于37℃活化18～24h 待用。将0.1mL 106～107CFU/mL 的菌悬液涂抹于牛肉膏蛋白胨培养基上，用5mm 的打孔器打孔，将30μL 精油和壳聚糖溶液分别倒入含有菌悬液的培养皿，于37℃条件下培养24h。壳聚糖膜、壳聚糖/柠檬草精油复合膜，分别用5mm 的打孔器打孔，粘附于含有菌悬液的培养皿表面，于37℃条件下培养24h，测定抑菌圈的大小。抗菌效果按照以下方式表示:+++ 强抑制作用(＞10mm);++ 较强抑作用(7～10mm);+弱抑制作用(5～7mm);— 无抑制作用(＜5mm)［10］。

2 结果与讨论

2.1 结构分析

从红外光谱谱图分析可以观察到柠檬草精油与壳聚糖官能团之间的相互作用。图1 所示为添加0%、0.5%、1%、1.5%柠檬草精油的壳聚糖复合膜红外光谱图。对于纯壳聚糖来说，3400cm-1左右有吸收峰，这是分子间和分子内氢键缔合作用的O-H 伸缩振动吸收峰和N-H 伸缩振动吸收峰重叠而成的多重峰。2922 和2867cm-1处为C-H 的伸缩振动峰。1561cm-1处为氨基变形振动吸收峰。1655 和1080cm-1处分别对应于羰氨基中C = O 的伸缩振动峰和糖苷键的C-O-C 的伸缩振动峰。

图1 壳聚糖/柠檬草精油复合膜的红外光谱图Fig.1 FTIR spectra of the chitosan/lemongrass essential oils composite film

由图1 可以看出，与纯壳聚糖膜相比较，复合膜保留了纯壳聚糖膜的所有特征峰。3400cm-1附近的吸收峰，壳聚糖/柠檬草精油复合膜由于添加了柠檬草精油，其峰值明显弱于纯壳聚糖膜，壳聚糖氨基被宽大的-OH 吸收峰所掩盖。这可能是因为复合膜中壳聚糖与柠檬草精油之间的基团发生相互作用。此外，复合膜中较强氢键的存在，使其在2922 和2867cm-1的伸缩振动峰更加明显。在1743cm-1产生了一个比较尖锐的新吸收峰，而且，随着柠檬草精油的添加量增加，其峰值也越大。这可能是壳聚糖分子中的-NH2与柠檬草精油发生交联作用，使C =O 键产生的强烈吸收峰。由上可知，复合膜红外光谱谱图的上述变化，是柠檬草精油的功能基团与壳聚糖基质的羟基和氨基发生相互作用的结果［11］。

图2 所示为壳聚糖/柠檬草精油复合膜的扫描电镜照片。从图2 可以看出，纯壳聚糖膜的表面光滑、紧致。添加0.5%柠檬草精油时，壳聚糖/柠檬草精油复合膜的表面出现少许不光滑。添加1.0%柠檬草精油时，复合膜表面出现少量微孔，当添加量增加至1.5%时，复合膜表面形成一些分散均匀的微孔。这可能是因为壳聚糖复合膜在成膜液干燥过程中，柠檬草精油产生蒸汽，穿透膜时形成孔径仅为纳米级的微孔结构［12］。

2.2 机械性能

对于食品保鲜膜来说，机械性能是一个重要的指标。柠檬草精油添加量对壳聚糖复合膜机械性能的影响见表1。由表1 可知，随着柠檬草精油添加量的增加，复合膜的抗拉强度相比于纯壳聚糖膜大大增加，其中添加1.5%柠檬草精油复合膜抗拉强度提高了46.8%。但是，随着柠檬草精油添加量的增加，断裂伸长率略有降低。其中，添加0.5%柠檬草酸的复合膜相对于纯壳聚糖膜降低了7.4%，添加1.5%柠檬草酸复合膜则降低18.5%。这一结果与Ojagh等［13］报道的向壳聚糖膜中添加肉桂精油会使复合膜的抗拉强度升高，而使得断裂伸长率降低的结果相同。将柠檬草精油添加到壳聚糖膜中，FTIR 红外光谱谱图表明精油与壳聚糖基质间的基团发生相互作用，使得壳聚糖分子的自由空间以及分子流动性降低，从而增加了复合膜的抗拉强度［14］。

图2 壳聚糖/柠檬草精油复合膜的扫描电镜照片Fig.2 SEM image of the Chitosan/lemongrass essential oil composite film

表1 柠檬草精油添加量对壳聚糖复合膜机械性能的影响Table 1 Effect of lemongrass essential oil content on the mechanical properties of chitosan composite film

2.3 水蒸气透过率及透明度

柠檬草精油添加量对壳聚糖复合膜水蒸气透过率及透明度的影响见表2。由表2 可知，随着柠檬草精油添加量的增加，水蒸气透过率略有降低。其中，当柠檬草精油添加量为1.5% 时，水蒸气透过率最低，比纯壳聚糖膜的水蒸气透过率降低13.3%。柠檬草精油属于高度憎水性的复杂混合物，壳聚糖属于亲水性较好的聚合物，柠檬草精油的加入增加了壳聚糖复合膜的憎水片段，而水蒸气主要从薄膜的亲水部分穿透，复合膜亲水性的降低使得水蒸气透过率下降［15］。扫描电镜结果表明，柠檬草精油的添加会使薄膜表面形成少量微孔，在一定程度上增加水蒸气透过率。但是，柠檬草精油形成的微孔数量较少，且孔径仅为纳米级，柠檬草精油增加水蒸气透过率的效果已大大被其憎水性质抵消。所以，柠檬草精油的添加会降低复合膜水蒸气透过率，提高薄膜的阻隔性能。从表2 可以看出，添加柠檬草精油会使复合膜透明度有所下降。这是因为柠檬草精油与壳聚糖混合过程使精油分散在体系当中，精油的分散程度以及液滴大小都会对透射光的强度产生影响，从而影响复合膜的透明度［16］。

表2 柠檬草精油添加量对壳聚糖复合膜水蒸气透过率及透明度的影响Table 2 Effect of lemongrass essential oil content on water vapor permeability and transparency of chitosan composite film

2.4 抗菌性能

精油一般是从植物的花蕾、种子、果实或根茎等获取的芳香性油状物质。近期研究表明，大多数的植物精油都具有一定的抗菌活性。表3 所示为柠檬草精油、壳聚糖和壳聚糖/柠檬草精油复合膜的抗菌活性结果。由表3 可知，柠檬草精油、壳聚糖和壳聚糖/柠檬草精油复合膜对4 种受试菌都具有一定的抗菌活性。壳聚糖成膜溶液对于大肠杆菌、巨大芽孢杆菌的抗菌效果优于金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌。纯壳聚糖膜与成膜溶液相比，其抗菌作用有所下降。这是因为壳聚糖溶液干燥成膜后，如果水分含量较低，壳聚糖分子被固定在膜基质中，不容易发挥抗菌作用。但是，当壳聚糖膜粘附于水分较多、比较湿润的培养基表面，仍然能够发挥局部抗菌作用。柠檬草精油对4 种受试菌均表现出较强的抗菌活性。随着柠檬草精油添加量的增加，复合膜抗菌活性不断增强，1.5% 柠檬草精油复合膜的抗菌活性明显优于其他薄膜。这是因为柠檬草精油和壳聚糖本身都具有较强的抗菌活性，混合成膜后，表现出协同作用，从而增强壳聚糖/柠檬草精油复合膜的抗菌活性［17］。

表3 柠檬草精油、壳聚糖和壳聚糖/柠檬草精油复合膜的抗菌活性Table 3 Antibacterial activity of the lemongrass essential oil，chitosan and chitosan/lemongrass essential oil composite film

3 结论

本研究利用壳聚糖作为主要原料，添加柠檬草精油抗菌剂制备可食性复合膜。实验结果表明，柠檬草精油与壳聚糖之间发生了交联作用，且两者共混成膜时柠檬草精油均匀分散。添加柠檬草精油，虽然在一定程度上降低了壳聚糖/柠檬草精油复合膜的透明度，但是，提高了复合膜的抗拉强度和水蒸气阻隔性能，尤其是作为抗菌可食膜的抗菌活性得到有效改善。因此，添加天然抗菌剂柠檬草精油的壳聚糖复合膜将为食品行业提供一种新型的包装材料。

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