牛至精油聚乙烯醇抗菌薄膜的制備及其抑菌活性研究

劉光發(fā)，劉志茹，張 拯，劉 娜，王 猛，王 楠

(天津科技大學(xué)包裝與印刷工程學(xué)院，天津 300222)

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牛至精油聚乙烯醇抗菌薄膜的制備及其抑菌活性研究

劉光發(fā)，劉志茹，張 拯，劉 娜，王 猛，王 楠

(天津科技大學(xué)包裝與印刷工程學(xué)院，天津 300222)

[目的] 制備一種以聚乙烯醇為基材，以牛至精油為抑菌劑的新型抗菌薄膜。[方法]采用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析鑒定了牛至精油的化學(xué)成分，將其與聚乙烯醇、玉米淀粉等制備抗菌薄膜，并且研究其力學(xué)性能、透光率、霧度及抗菌效果。[結(jié)果]牛至精油的主要化學(xué)成分是香芹酚，占84.40%；牛至精油可提升抗菌薄膜的斷裂拉伸應(yīng)變，但降低了抗菌薄膜的拉伸強(qiáng)度；隨著牛至精油的添加，抗菌薄膜的透光率降低，霧度升高；抗菌薄膜的抑菌活性隨著牛至精油添加量的增加而逐漸增強(qiáng)。 [結(jié)論] 當(dāng)牛至精油的添加量為2%時(shí)，可以制備出一種抑菌性能和力學(xué)強(qiáng)度都較好的抗菌薄膜。該抗菌薄膜對(duì)灰霉、青霉、根霉的抑菌圈直徑分別為60、45、90 mm。

牛至精油；GC-MS分析；聚乙烯醇；抗菌薄膜

牛至又名止痢草、土香薷、小葉薄荷，為唇形科牛至屬多年生草本植物[1]。國(guó)內(nèi)外一些研究表明，牛至精油具有高效廣譜的抑菌性能[2-4]。由于精油是一種混合物，從不同產(chǎn)地、不同品種的牛至提取的牛至精油的成分有區(qū)別，甚至同一產(chǎn)地不同季節(jié)采摘的牛至提取的精油成分都有差別。因此，筆者首先對(duì)牛至精油的化學(xué)成分進(jìn)行了GC-MS分析，確定其化學(xué)成分。聚乙烯醇具有良好的成膜性，又可生物降解，是一種綠色環(huán)保包裝材料，可應(yīng)用于食品包裝、農(nóng)藥包裝、醫(yī)用包裝等領(lǐng)域[5-6]。以牛至精油為抗菌劑，以水溶性聚乙烯醇、玉米淀粉等原材料為基材，筆者制備了抗菌薄膜，并且研究了牛至精油的添加量對(duì)抗菌薄膜的力學(xué)性能、透光性以及抗菌效果的影響，為新型抗菌包裝材料的開(kāi)發(fā)提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 牛至精油的GC-MS分析色譜條件為：柱子型號(hào)Rxi-5Sil MS，進(jìn)樣口溫度250 ℃，壓力100 kPa，分流比20∶1。程序升溫為：初始60 ℃，以10 ℃/min升至100 ℃，再以5 ℃/min升至160 ℃，最后以10 ℃/min升至250 ℃，保留5 min。質(zhì)譜條件為：離子源溫度220 ℃，接線口溫度250 ℃，溶劑切除時(shí)間4 min。質(zhì)譜庫(kù)為NIST05標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)。

首先用正己烷(色譜純)將牛至精油稀釋10 000倍，然后準(zhǔn)確吸1 μl，手動(dòng)進(jìn)樣。在計(jì)算機(jī)上檢索NIST05質(zhì)譜庫(kù)，與標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，并且參考有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行圖譜分析，進(jìn)而確定牛至精油的化學(xué)組成成分，并采用面積歸一化法計(jì)算牛至精油各化學(xué)成分的相對(duì)含量。

1.2 牛至精油聚乙烯醇抗菌薄膜的制備方法參考陳志周[7]的方法，根據(jù)試驗(yàn)的具體情況進(jìn)行修改。首先，稱(chēng)取120 g水溶性聚乙烯醇粉末、10 g玉米淀粉，倒入裝有約800 ml蒸餾水的1 000 ml燒杯中，用玻璃棒輕輕攪拌，然后將燒杯放入90 ℃電熱恒溫水浴鍋中，用電動(dòng)攪拌器攪拌至形成均質(zhì)溶液。向上述溶液中依次加入30 ml丙三醇、10 ml吐溫-80、8 ml二甲基硅油等溶液，定容至900 ml，并持續(xù)攪拌10 min，然后將其均分為五等份，并且依次倒入200 ml燒杯中備用，分別對(duì)燒杯編號(hào)01、02、03、04、05。按照表1中的配方，分別向5個(gè)燒杯中加入對(duì)應(yīng)體積的消泡劑和牛至精油，將每個(gè)燒杯中的混合液體定容至200 ml，在40 ℃水浴條件下分別用電動(dòng)攪拌器攪拌5 min至形成勻質(zhì)溶液。用PE薄膜封口，在100 Hz、40 ℃條件下超聲振蕩30 min，取出，在室溫下靜置約10 h至氣泡完全消除。將靜置消除完氣泡后的均勻混合液體在預(yù)先清洗干凈的玻璃板上刮膜，室溫放置10 h后揭膜。

表1 抗菌薄膜的組成成分

1.3 抗菌薄膜力學(xué)性能測(cè)試參考GB/T 1040.1-2006[8]和GBT 1040.3-2006[9]，將膜裁切成長(zhǎng)100 mm、寬10 mm 的矩形試樣，用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定拉伸強(qiáng)度和斷裂拉伸應(yīng)變，設(shè)定標(biāo)距為50 mm，拉伸速度為50 mm/s。試驗(yàn)中，把與刮膜方向一致的方向稱(chēng)為縱向，與刮膜方向垂直的方向稱(chēng)為橫向。每張薄膜沿著玻璃棒刮膜方向(縱向)和與刮膜方向垂直的方向(橫向)各取5個(gè)平行試樣進(jìn)行測(cè)試。

1.4 透明度、霧度測(cè)試參考GB/T 2410-2008[10]，將薄膜裁切成50 mm×50 mm樣品；用WGT-S透光率霧度測(cè)定儀，測(cè)定抗菌薄膜的透光率(P)和霧度(H)，測(cè)試3個(gè)平行試樣。

1.5 抑菌性能測(cè)試采用PDA 培養(yǎng)基[11]，具體配方為：馬鈴薯200 g，蔗糖20 g，瓊脂16 g，水1 L，pH自然。制好后，高壓濕熱滅菌(121 ℃，20 min)，備用。用滅菌接種針輕輕刮取斜面培養(yǎng)基表面的新鮮霉菌孢子，使用無(wú)菌蒸餾水稀釋?zhuān)醚蛴?jì)數(shù)板計(jì)數(shù)，制成濃度約106CFU/ml菌懸液，備用。

在超潔凈工作臺(tái)中將融化后的PDA培養(yǎng)基倒入適量到培養(yǎng)皿中，待PDA培養(yǎng)基在無(wú)菌環(huán)境中冷卻之后，將經(jīng)過(guò)滅菌的移液槍吸取預(yù)先調(diào)整好菌液濃度的菌懸液100 μl加入到培養(yǎng)皿中，然后用經(jīng)高壓濕熱滅菌處理過(guò)的三角玻璃棒涂布器將菌懸液涂布均勻。將抗菌薄膜裁切成尺寸為30 mm×30 mm的待測(cè)樣品，在紫外燈下滅菌2 h，然后用無(wú)菌鑷子將待測(cè)樣品放入培養(yǎng)皿中央，平行做3個(gè)皿。按照上述方法處理好的培養(yǎng)皿在28 ℃條件下恒溫培養(yǎng)，48 h后測(cè)量各培養(yǎng)皿的抑菌圈直徑[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛至精油的GC-MS分析將牛至精油按照“1.1”進(jìn)行GC-MS分析，其總離子流圖譜見(jiàn)圖1。通過(guò)在計(jì)算機(jī)檢索NIST05標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]，分析鑒定出10種化合物，經(jīng)儀器所配置的軟件系統(tǒng)按峰面積歸一化法計(jì)算可得出牛至精油各成分的相對(duì)含量，牛至精油的主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。牛至精油在9.618 min出現(xiàn)最大峰，其對(duì)應(yīng)的是香芹酚(CAS號(hào)：499-75-2)，在9.467 min峰對(duì)應(yīng)的化合物是百里香酚(CAS號(hào)：89-83-8)。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的研究和報(bào)道[15-16]，香芹酚和百里香酚對(duì)農(nóng)產(chǎn)品和食品致腐微生物具有廣譜抑菌效果，香芹酚和百里香酚在牛至精油中的相對(duì)含量分別為84.40%和1.17%。

2.2 牛至精油對(duì)抗菌薄膜力學(xué)性能的影響薄膜在拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線符合GBT 1040.1-2006中無(wú)屈服點(diǎn)的韌性材料對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征，隨著拉伸應(yīng)變的增加，拉伸應(yīng)力逐漸增大，整個(gè)拉伸過(guò)程未出現(xiàn)屈服點(diǎn)，在拉伸應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)薄膜試樣發(fā)生斷裂。經(jīng)綜合比較，同一張抗菌薄膜的縱向拉伸強(qiáng)度略高于其橫向拉伸強(qiáng)度。從圖2 可以看出，未添加牛至精油的聚乙烯醇薄膜的縱向拉伸強(qiáng)度為28.47 MPa，縱向斷裂拉伸應(yīng)變?yōu)?87.58%，隨著牛至精油含量的增加，抗菌薄膜的縱向拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與之對(duì)應(yīng)的斷裂拉伸應(yīng)變明顯增加，在牛至精油添加量為1.5%時(shí)縱向斷裂拉伸應(yīng)變達(dá)到最高值(348.92%)，但是當(dāng)牛至精油含量繼續(xù)升高到2%，縱向斷裂拉伸應(yīng)變降為309.15%。從圖3可以知道，未添加牛至精油的聚乙烯醇薄膜的橫向拉伸強(qiáng)度為28.46 MPa，橫向斷裂拉伸應(yīng)變?yōu)?91.98%，隨著牛至精油添加量的增加，抗菌薄膜的橫向拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與之對(duì)應(yīng)的斷裂拉伸應(yīng)變明顯增加，當(dāng)在牛至精油添加量為1.5%時(shí)達(dá)到最高值336.49%，但是牛至精油添加量繼續(xù)升高到2%，橫向斷裂拉伸應(yīng)變降為303.62%。

表2 牛至精油的主要化學(xué)成分

2.3 牛至精油對(duì)抗菌薄膜透光率、霧度的影響從表3可以看出，未加牛至精油的透光率為87.0%，霧度為91.69%。隨著牛至精油的添加，抗菌薄膜的透光率降低，霧度升高。當(dāng)牛至精油添加量為2%時(shí)，透光率達(dá)最低值(71.5%)，霧度達(dá)最高值(94.42%)。分析其原因，可能是牛至精油本身就存在一定的顏色(棕黃色)對(duì)薄膜的透明性有一定的影響。

表3 抗菌薄膜的霧度、透光率 %

2.4 抗菌薄膜對(duì)3種霉菌的抑菌效果從表4可以看出，未添加牛至精油的聚乙烯醇薄膜(01組)對(duì)3種霉菌無(wú)抑菌作用，經(jīng)過(guò)48 h的培養(yǎng)培養(yǎng)皿中長(zhǎng)滿霉菌；添加0.5%牛至精油的抗菌薄膜(02組)對(duì)灰霉和青霉抑菌效果不明顯，但是培養(yǎng)皿中央的霉菌略比對(duì)照組(01組)的霉菌稀薄一些，說(shuō)明添加0.5%牛至精油的聚乙烯醇薄膜對(duì)灰霉和青霉具有微弱的抑菌效果，但不明顯；0.5%牛至精油的聚乙烯醇薄膜對(duì)根霉具有明顯的抑菌效果，在培養(yǎng)皿的中央出現(xiàn)直徑為35 mm左右的區(qū)域無(wú)根霉生長(zhǎng)。隨著牛至精油含量的增加，抗菌薄膜對(duì)3種霉菌的抑制作用明顯加強(qiáng)。這可能是由于抗菌薄膜中的香芹酚等酚類(lèi)物質(zhì)對(duì)微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)造成損傷，導(dǎo)致微生物死亡，從而實(shí)現(xiàn)抑菌。當(dāng)牛至精油添加量為2%時(shí)，抗菌薄膜對(duì)灰霉、青霉、根霉的抑菌區(qū)域直徑分別達(dá)到60、45、90 mm。

表4 抗菌薄膜對(duì)3種霉菌的抑菌效果 mm

3 結(jié)論

牛至精油的主要化學(xué)成分是香芹酚，占84.40%。牛至精油可以提升抗菌薄膜的斷裂拉伸應(yīng)變，但降低薄膜的拉伸強(qiáng)度。隨著牛至精油的添加，抗菌薄膜的透明性變差，透光率降低，霧度升高。隨著牛至精油含量的增加，抗菌薄膜對(duì)3種霉菌的抑制作用明顯加強(qiáng)，當(dāng)牛至精油的添加量達(dá)到2%時(shí)抗菌薄膜對(duì)灰霉、青霉、根霉均具有顯著地抑菌效果，抑菌圈直徑分別達(dá)到60、45、90 mm。

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Preparation and Antimicrobial Activity Study of Antimicrobial Film of Oregano Essential Oil and Polyvinyl Alcohol

LIU Guang-fa, LIU Zhi-ru, ZHANG Zheng et al

(School of Packing and Printing Egineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300222)

[Objective] A new antimicrobial film was prepared of polyvinyl alcohol and antimicrobial agent oregano essential oil. [Method] The chemical composition of oregano essential oil was identified by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis. Antimicrobial film was prepared of oregano essential oil, polyvinyl alcohol, corn starch and so on, and mechanical properties, transmittance, haze and antimicrobial activity of antimicrobial film were studied. [Result] The carvacrol was the main chemical ingredient of oregano essential oil, accounting for 84.40%. Oregano essential oil could enhance the fracture strain of antimicrobial film, but reduce its tensile strength. With more oregano essential oil added, transmittance of antimicrobial films was reduced, while haze increased. Antimicrobial activity of antimicrobial films increased with more oregano essential oil added. [Conclusion] When the added oregano essential oil amount was 2%, an antimicrobial film with good antimicrobial properties and mechanical strength was prepared. Their inhibition zone diameters of gray mold, penicillium, and rhizopus were 60, 45 and 90 mm respectively.

Oregano essential oil; GC-MS analysis; Polyvinyl alcohol; Antimicrobial film

天津科技大學(xué)大學(xué)生實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新基金(1306A112)。

劉光發(fā)(1986- )，男，湖南常德人，實(shí)驗(yàn)師，從事包裝材料與包裝技術(shù)方面的研究。

2015-03-10

S 567.23+9

A

0517-6611(2015)11-011-03