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

摘要 [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。該抗菌薄膜對灰霉、青霉、根霉的抑菌圈直徑分別為60、45、90 mm。

關(guān)鍵詞 牛至精油；GC-MS分析；聚乙烯醇；抗菌薄膜

中圖分類號 S567.23+9文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2015）11-011-03

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)譜庫為NIST05標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫。

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，手動進(jìn)樣。在計(jì)算機(jī)上檢索NIST05質(zhì)譜庫，與標(biāo)準(zhǔn)譜庫進(jìn)行對比，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，分別對燒杯編號01、02、03、04、05。按照表1中的配方，分別向5個燒杯中加入對應(yīng)體積的消泡劑和牛至精油，將每個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。

1.3 抗菌薄膜力學(xué)性能測試 參考GB/T 1040.1-2006[8]和GBT 1040.3-2006[9]，將膜裁切成長100 mm、寬10 mm 的矩形試樣，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測定拉伸強(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為縱向，與刮膜方向垂直的方向稱為橫向。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個平行試樣進(jìn)行測試。

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

1.5 抑菌性能測試采用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，使用無菌蒸餾水稀釋，用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)，制成濃度約106 CFU/ml菌懸液，備用。

在超潔凈工作臺中將融化后的PDA培養(yǎng)基倒入適量到培養(yǎng)皿中，待PDA培養(yǎng)基在無菌環(huán)境中冷卻之后，將經(jīng)過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的待測樣品，在紫外燈下滅菌2 h，然后用無菌鑷子將待測樣品放入培養(yǎng)皿中央，平行做3個皿。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，其總離子流圖譜見圖1。通過在計(jì)算機(jī)檢索NIST05標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫，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含量，牛至精油的主要化學(xué)成分見表2。牛至精油在9.618 min出現(xiàn)最大峰，其對應(yīng)的是香芹酚（CAS號：499-75-2），在9.467 min峰對應(yīng)的化合物是百里香酚（CAS號：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含量分別為84.40%和1.17%。

2.2 牛至精油對抗菌薄膜力學(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中無屈服點(diǎn)的韌性

材料對應(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，整個拉伸過程未出現(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，與之對應(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28.46MPa，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，與之對應(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%。

2.3 牛至精油對抗菌薄膜透光率、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）對薄膜的透明性有一定的影響。

2.4 抗菌薄膜對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3種霉菌無抑菌作用，經(jīng)過48 h的培養(yǎng)培養(yǎng)皿中長滿霉菌；添加0.5%牛至精油的抗菌薄膜（02組）對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照組（01組）的霉菌稀薄一些，說明添加0.5%牛至精油的聚乙烯醇薄膜對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)域無根霉生長。隨著牛至精油含量的增加，抗菌薄膜對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物質(zhì)對微生物的細(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)，抗菌薄膜對灰霉、青霉、根霉的抑菌區(qū)域直徑分別達(dá)到60、45、90 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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