肉桂精油抗菌膜的制备及应用

成淑君，李秋铮，曾瑶英，刘悦，余倩*

仲恺农业工程学院（广州 510000）

红提含丰富的营养物质。随着人们对红提需求的增加，红提的品质问题越发突出，出现易失水皱缩、易腐败变质、不耐储藏等问题。目前常用的保鲜措施包括SO2熏蒸处理、气调储藏、喷雾保鲜剂处理[1]。

可食性膜是以脂类、蛋白质、多糖为主要成膜物质，通过添加可食性的增塑剂等物质制备而成的[2]。近些年，可食性膜由于具有低碳、绿色的优点而走进人们的生活，被应用于果蔬保鲜中，成为研发热点[3]。可食性膜通过降低果蔬的新陈代谢，抑制呼吸作用和蒸腾作用，减少果蔬水分散失达到保鲜效果。较多食品包装工业将此类薄膜运用于果蔬的保鲜[4]。王晓玲等[5]、周秋娟等[6]、罗宁宁等[7]均是为了提高膜的综合性能制备了复合膜。孙莎等[8]通过以薄荷提取液、壳聚糖、胶原蛋白为原料，制备具有抗菌性强的复合膜；Sánchez-González等[9]制备了佛手柑精油、壳聚糖、羧丙基甲基纤维素复合膜；Wu等[10]研究了银鲤皮明胶-牛至精油复合膜。

试验以木薯淀粉和壳聚糖为主要的成膜物质，进行木薯淀粉和壳聚糖复合膜工艺的优化，并研究肉桂精油的最低抑菌浓度确定肉桂精油的添加量，探讨薄膜的抗菌性，最后将制成的可食性抗菌膜运用于红提的保鲜中，评定制成的膜的保鲜效果，为此膜应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器与设备

金黄色葡萄球菌（菌种来源ATCC6538，上海鲁微科技有限公司）；大肠杆菌（菌种来源CMCC（B）44102，上海鲁微科技有限公司）；红提（市售）；乙酸、丙三醇、酚酞、无水氯化钙、3, 5-二硝基水杨酸、葡萄糖（市售，分析纯）；吐温-80（市售，化学纯）；木薯淀粉、肉桂精油、苹果酸、壳聚糖、营养琼脂（市售，食品级材料）。

电子万能材料试验机（广州标际包装有限公司）；双光束紫外可见分光光计（北京普析通用仪器有限公司）；低速离心机（广州飞迪生物科技有限公司）；智能烘干箱（郑州生元仪器有限公司）；立式压力蒸汽灭菌器（上海申安医疗器械厂）。

1.2 试验方法

1.2.1 木薯淀粉-壳聚糖复合膜的制备流程

称取一定量的木薯淀粉并加热溶解→加入一定量壳聚糖→加入0.5 mL乙酸→加入甘油→加入苹果酸→在一定温度下加热搅拌30 min→离心10 min（3 000 r/min）→流延于亚克力板→50 ℃烘箱中干燥24 h→揭膜待用

1.2.2 单因素试验

1.2.2.1 木薯淀粉与壳聚糖质量比对膜性能的影响

试验设计木薯淀粉与壳聚糖的总质量为2.4 g，木薯淀粉与壳聚糖按质量比0∶12，3∶9，5∶7，6∶6，7∶5，9∶3和12∶0混合。参考1.2.1的方法制备木薯淀粉膜，研究木薯淀粉与壳聚糖质量比对膜性能的影响。

1.2.2.2 甘油的添加量对复合膜性能的影响

改变甘油的添加量（0，10%，20%，30%和40%），参考1.2.1的方法制备木薯淀粉膜，研究甘油添加量对木薯淀粉膜性质的影响。

1.2.2.3 苹果酸的添加量对复合膜性能的影响

改变苹果酸的添加量（0.5%，0.75%，1.25%，1.5%和1.75%），参考1.2.1的方法制备木薯淀粉膜，研究苹果酸添加量对木薯淀粉膜性质的影响。

1.2.2.4 加热温度对复合膜性能的影响

改变制膜的加热温度（40，50，60，70和80℃），参考1.2.1的方法制备木薯淀粉膜，研究加热温度对木薯淀粉膜性质的影响。

1.2.3 正交试验优化可食用膜的最佳工艺

通过单因素试验，以壳聚糖与木薯淀粉的质量比、热处理的温度、甘油的添加量、苹果酸的添加量为因素，采用四因素三水平进行正交试验设计，以抗拉强度和断裂伸长率为测定指标，得出此膜的最佳工艺。

1.2.4 木薯淀粉-壳聚糖-肉桂精油复合膜的制备及性能测定

1.2.4.1 肉桂精油的最低抑菌浓度的测定

选用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为指示菌，以0.05%吐温-80作为助溶剂，配制0，0.38，0.44，0.50，0.56，0.62，0.68和0.74 mL/100 mL的一系列浓度梯度的肉桂精油溶液。接种200 μL 浓度在106～108CFU/L金黄色葡萄球菌（或大肠杆菌）菌悬液，置于37 ℃的真空培养箱中倒置培养24 h，观察试验结果。

1.2.4.2 木薯淀粉-壳聚糖-肉桂精油复合膜抗菌性测定

接种200 μL浓度在106～108CFU/L金黄色葡萄球菌菌悬液，涂布均匀放入牛津杯。用移液枪吸取200 μL蒸馏水于牛津杯中，作为空白组；吸取200 μL木薯淀粉-壳聚糖膜液于牛津杯中，作为试验组1；吸取200 μL添加木薯淀粉-壳聚糖-肉桂精油膜液于牛津杯中，作为试验组2。每个样品做3个平行。置于37 ℃真空培养箱中培养24 h后观察试验结果。

1.2.4.3 抗菌膜的表征测定

1.2.4.3.1 膜透光率的测定

在25 ℃和65% RH条件下，将膜进行裁剪，贴于比色皿上，用分光光度计在660 nm下测定其吸光度，再将吸光度换算成透光率，以空的比色皿作参照，平行测定3次，求平均值。

1.2.4.3.2 膜的力学性能的测定

a) 厚度测定：随机选取膜上6个点，用千分尺测其厚度，平行测定3次，求平均值。

b) 机械性能测定：将膜进行裁剪，得到长10 cm、宽1 cm的试样条，用GBH-1型的电子万能材料试验机作拉伸测定，将试验机的拉伸速度设为15 mm/min，在25 ℃和65% RH的条件下，测定膜的抗拉强度和断裂伸长率，平行测定3次，求平均值。

c) 水蒸气透过性测定：参考GB 1037—1988薄膜的水蒸气透过率的测定。

d) 扫描电镜：采用液氮冷却方法使薄膜断裂，并对薄膜进行真空喷金处理，最后使用扫描电子显微镜对膜的表面形态进行观察并拍摄图片。

1.2.5 可食性抗菌膜对提子保鲜效果的研究

1.2.5.1 涂膜工艺

选择成熟度、大小均匀、色泽一致的红提，取1/2红提浸入膜液中进行涂膜1 min，作为涂膜组。将剩下的1/2红提浸入清水中1 min，作为空白组。

1.2.5.2 感官评价

将涂膜组和空白组放于室温中，每隔1 d在相同时间点对其进行观察，按照表1对红提的硬度、外观、气味进行评分，评分结果为三者综合，总分为10分。

表1 红提感官评分标准

2 结果和分析

2.1 木薯淀粉与壳聚糖质量比对膜的性能影响分析

由表2可知，随着壳聚糖的增加，复合膜的抗拉强度呈现先增大后减少再增加的趋势，存在显著差异（p＜0.05）。在木薯淀粉与壳聚糖的质量配比7∶5条件下，薄膜抗拉强度最大，在此质量配比下，两者之间作用力最强，有较多共价键及氢键，膜内分子排列规则有序，使膜的致密性增大，提高膜的抗拉强度；而其他配比打破了膜中分子排列的有序性，分子之间作用力减弱，减小了膜的致密性，降低了膜的抗拉强度[11]。

复合膜的断裂伸长率随壳聚糖量的增加而总体呈现下降的趋势，存在显著差异（p＜0.05）。木薯淀粉与壳聚糖之间交联，形成网状结构，导致形成的分子链流动性减弱，使膜的柔韧性降低，膜的断裂伸长率减小。

随壳聚糖量的增加，复合膜的水蒸气透过率先减小后增大，变化存在显著差异（p＜0.05），当木薯淀粉与壳聚糖淀粉膜的质量比为7∶5时，水蒸气透过率最低。壳聚糖与木薯淀粉分子中含有大量的亲水基团，易吸收环境中的水分，当质量比为7∶5混合时，分子间作用力加强，壳聚糖分子中的NH3+与木薯淀粉中的OH-相互作用形成氢键[13]，薄膜更加致密，阻湿性能较优。通过对复合膜的三项性能进行综合性分析，选用木薯淀粉与壳聚糖的质量比为7∶5。

表2 木薯淀粉与壳聚糖质量比对膜性能的影响

2.2 甘油的添加量对复合膜的性能影响分析

由表3可知，甘油添加量增加，薄膜抗拉强度下降，断裂伸长率和水蒸气透过系数上升。当甘油添加量为10%和20%时，薄膜较为致密且不易脆、阻湿性能好，但膜的柔韧性一般；当甘油量达到30%时，膜致密性高、阻湿性能优且柔韧性能好。但当添加至40%时，膜的抗拉性能和阻湿性能极差。原因是甘油是作为一种增塑剂，使膜中分子相互作用力减弱，降低膜的刚性结构，使膜的抗拉性能下降；甘油也是一种润滑剂，能提高分子链的移动性，使膜具有良好的延展性；甘油本身就是多元醇，含有三个亲水基团，加入甘油使膜易于吸收环境中的水分，透湿量增大，阻湿性能下降。因此，综合考虑，选用添加的甘油量为30%。

2.3 苹果酸的添加量对复合膜的性能影响分析

由表4可知，当苹果酸的添加量在0～1.25%时，其抗拉强度和阻湿性能均增强，柔韧性和弹性均下降，壳聚糖分子中含有氨基，随着苹果酸添加量的增多，使得壳聚糖中较多的氨基被质子化为NH3+，使其与木薯淀粉暴露出的OH-相互作用形成氢键[12]，增强了膜的刚性结构、抗拉强度、阻湿性能，由于膜变紧密，使得分子链的流动性下降，导致薄膜弹性下降；当苹果酸的添加量在1.25%～1.75%时，抗拉强度、弹性以及阻湿性能均下降，在酸性环境下会破坏薄膜结构，从而使膜的性能下降[13]。因此，综合考虑，选用苹果酸的添加量为1.25%。

表3 甘油的添加量对膜性能的影响

表4 表苹果酸的添加量对复合膜的影响

2.4 加热温度对复合膜的性能影响分析

由表5可得，当加热温度从40 ℃上升至60 ℃时，膜的抗拉强度增大，断裂伸长率和水蒸气透过系数均减少。随着加热温度升高，壳聚糖与木薯淀粉分子之间运动更为激烈，分子间的氢键形成的机率增加，使得膜的抗拉强度和阻湿性能均增强；当加热温度从60℃上升至80 ℃时，膜的抗拉强度和断裂伸长率均减少、水蒸气透过系数增大。温度过高时，膜发生热变性，使膜结构遭到破坏，分子间交联作用减弱，从而使得膜抗拉强度、柔韧性以及阻湿性能均下降。综合以上分析，选用50 ℃为加热温度。

表5 加热温度对复合膜性能的影响

2.5 正交试验结果分析

由表7可得，最佳工艺条件是A2B2C2D2，即木薯淀粉与壳聚糖的质量比为7∶5，甘油添加量为30%，热处理温度为50 ℃，苹果酸添加量为1.25%。对薄膜的机械性能影响是最大的木薯淀粉与壳聚糖的质量比，其次是甘油添加量、热处理温度、苹果酸添加量。

表6 因素水平表

表7 正交试验表

2.6 木薯淀粉-壳聚糖-肉桂精油复合膜的抗菌性能分析

2.6.1 肉桂精油的最低抑菌浓度分析

由表8可知，随着肉桂精油浓度的增加，抑菌效果增强。肉桂精油对大肠杆菌的最低抑菌浓度为0.68 mL/100 mL，对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度为0.62 mL/100 mL。可得肉桂精油对金黄色葡萄球菌的抑菌作用比大肠杆菌强。综合分析考虑，选用肉桂精油的浓度为0.68 mL/100 mL添加入膜。

表8 不同浓度肉桂精油的抑菌活性

2.6.2 木薯淀粉-壳聚糖-肉桂精油膜抗细菌的验证试验

从图1可知，空白组无抑菌圈，木薯淀粉-壳聚糖膜液的平皿上抑菌圈直径为1.84 cm，而木薯淀粉-壳聚糖-肉桂精油膜液的平皿上抑菌圈直径为3.57 cm。表明肉桂精油的添加可显著提薄膜抗菌性能。

图1 牛津杯试验验证膜的抗菌性

2.7 抗菌膜的表征测定结果分析

2.7.1 膜透光率的分析

从表9可知，肉桂精油的添加使膜的透光性增大，主要是由于肉桂精油中含有醛基、羟基等基团，可与壳聚糖或木薯淀粉分子中的基团发生化学反应，使薄膜的分子均一化，提高薄膜透明度。

表9 膜的透光率

2.7.2 膜的力学表征分析

从表10可知，肉桂精油的添加，断裂伸长率上升、抗拉性强度均下降。可能是肉桂精油中的羟基，可减弱分子之间的作用力，提高分子链的流动性。

表10 膜的力学表征

2.7.3 膜的水蒸气透过系数分析

从表11可知，肉桂精油的添加，膜的水蒸气透过系数上升，肉桂精油分子中的羟基是亲水基，容易与环境中的水分相互作用，使膜分子之间的内聚力下降，水分子容易透过，阻湿性能下降。

表11 膜的水蒸气透过系数

2.7.4 膜的电子扫描电镜分析

通过电镜扫描结果可知，膜的表面结构存在显著差异，纯壳聚糖膜的表面分布着较多小颗粒，表面粗糙；木薯淀粉-壳聚糖复合膜的表面局部虽有少数细颗粒，表面相对均匀；而木薯淀粉-壳聚糖-肉桂精油膜的表面较为光滑，呈现出均匀、连续的表面状态。由此说明木薯淀粉和肉桂精油的添加，提高了分子间的相容性。从截面观察，纯壳聚糖膜凹凸不平、粗糙，木薯淀粉-壳聚糖膜较为平整，木薯淀粉-壳聚糖-肉桂精油膜截面平整、光滑，与薄膜表面结果一致。

2.8 可食性抗菌膜对红提的保鲜应用分析

由表12可知，随时间增加，涂膜组与空白组的红提评分均下降，且涂膜组红提较空白组变化较为缓慢。第5天时，空白组红提出现果色偏沉、霉点较多、皱缩干纹、果实硬度减小等变化，失去食用价值；而涂膜组到第5天时，变化较小，果皮有光泽且鲜红，果实呈现饱满的状态，硬度较大，气味较好；直到第9天，果色偏暗、有较多霉点、皱缩干纹等现象。薄膜能降低红提的呼吸作用和蒸腾作用，减少水分的散失，降低营养物质的消耗速率，使红提仍保持果色较艳丽、果实较饱满的状态，延长红提的储存时间。

图2 电镜图（×1 000）

表12 红提的感官评价

3 结论

试验制备的木薯淀粉-壳聚糖-肉桂精油的抗菌膜的方案为：木薯淀粉和壳聚糖质量比7∶5，甘油的添加量30%，热处理的温度50 ℃，苹果酸的添加量1.25%，肉桂精油的浓度0.68 mL/100 mL。木薯淀粉-壳聚糖-肉桂精油抗菌膜在红提保鲜中具有明显的效果，可延长红提的贮藏期。