細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜的特性及結(jié)構(gòu)

王 博，鞏 涵，暢 鵬，石 碩，夏秀芳,*，張東杰*

細(xì)菌纖維素是由英國科學(xué)家Brown于1886年首次發(fā)現(xiàn)的由細(xì)菌分泌產(chǎn)生的多孔性網(wǎng)狀納米級生物高分子聚合物，由于它的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)與纖維素相同，因此將其命名為細(xì)菌纖維素[1]。細(xì)菌纖維素具有良好的成膜性，并且本身無毒無害、具有可降解性，可以成為綠色、安全、可降解的食品包裝材料[2-3]。Nguyen等[4]利用靜態(tài)發(fā)酵制得細(xì)菌纖維素水凝膠，采用浸泡熱干法將其同Nisin復(fù)合成膜，發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜對單增李斯特菌以及需氧菌都有明顯抑制作用，同時用其覆蓋法蘭克福腸，可以有效延長產(chǎn)品的貨架期。Zhu Huixia等[5]將細(xì)菌纖維素同聚賴氨酸復(fù)合制膜，發(fā)現(xiàn)其具有作為色拉米香腸腸衣的潛質(zhì)，且復(fù)合膜結(jié)構(gòu)均勻。Jipa等[6]將細(xì)菌纖維素同山梨酸鉀和聚乙烯醇復(fù)合，制得一種具有抗菌性的活性食品包裝。同時細(xì)菌纖維素具有許多優(yōu)于植物纖維素的性能，使其有廣泛的商業(yè)用途[7]。

茶多酚的性質(zhì)主要包括抗氧化以及抗菌這兩種特性，目前在食品領(lǐng)域多作為天然保鮮劑和防腐劑[8]。研究表明，茶多酚對金黃色鏈球菌和傷寒桿菌等具有明顯的抑制作用，且其抗氧化性強于超氧化物歧化酶，是其他抗氧化劑的幾十倍[9-12]。于林等[13]發(fā)現(xiàn)經(jīng)茶多酚改性后的膠原蛋白-殼聚糖復(fù)合膜能夠有效抑制石斑魚魚肉中微生物的滋生和蛋白質(zhì)的變性，延長斜帶石斑魚的貨架期。郭叢珊等[14]將茶多酚加入大豆分離蛋白制成可食性抗菌膜，將涂抹含茶多酚-大豆分離蛋白膜組與未涂抹組比較，圣女果腐爛指數(shù)降低60%。吳艷等[15]探究聚乳酸-聚已內(nèi)酯/茶多酚活性包裝材料的理化性質(zhì)和抗氧化性能，結(jié)果表明茶多酚的添加能有效提高復(fù)合膜的柔韌性和抗氧化活性。

雖然茶多酚應(yīng)用于膜制備的研究常有報道，但鮮見其與細(xì)菌纖維素復(fù)合制備膜的研究。因此本實驗將細(xì)菌纖維素同具有抗菌性的天然抗菌劑茶多酚進(jìn)行復(fù)合，采用單因素試驗對復(fù)合膜的性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，探究茶多酚對復(fù)合膜的特性以及結(jié)構(gòu)的影響，為其在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木醋桿菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、假單胞菌東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院實驗室。

固體斜面培養(yǎng)基：葡萄糖40 g/L、酵母浸粉10 g/L、瓊脂15 g/L，pH 4.5；液體種子培養(yǎng)基：葡萄糖40 g/L、酵母浸粉10 g/L，pH 4.5；發(fā)酵種子培養(yǎng)基：葡萄糖40 g/L、酵母浸粉10 g/L，pH 4.5。

假單胞菌固體培養(yǎng)基：蛋白胨5 g/L、牛肉膏3 g/L、氯化鈉5 g/L、瓊脂15 g/L，pH 7；液體培養(yǎng)基：蛋白胨5 g/L、牛肉膏3 g/L、氯化鈉5 g/L，pH 7。

金黃色葡萄球菌固體培養(yǎng)基：胰蛋白胨15 g/L、大豆蛋白胨5 g/L、氯化鈉5 g/L、瓊脂15 g/L，pH 7.30；液體培養(yǎng)基：胰蛋白胨17 g/L、大豆蛋白胨3 g/L、葡萄糖2.5 g/L、氯化鈉5 g/L、磷酸氫二鉀2.5 g/L，pH 7.30。

大腸桿菌固體培養(yǎng)基利用營養(yǎng)瓊脂配制；液體培養(yǎng)基：胰蛋白胨10 g/L、酵母浸粉5 g/L、氯化鈉10 g/L，pH 7。

茶多酚（純度90%，含兒茶素70%） 上海金穗生物科技有限公司；葡萄糖、酵母浸粉、瓊脂 哈爾濱市萬太生物藥品公司；葡萄糖、氯化鈉、磷酸氫二鉀天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

AL-104型精密電子天平 常州萬泰天平儀器有限公司；SHENAN滅菌鍋 西化儀科技有限公司；DH3600電熱恒溫培養(yǎng)箱 成都啟運通儀器有限公司；TG16-WS型高速離心機 常州市萬合儀器制造有限公司；TU-1800紫外-可見光分光光度計 濟南博鑫生物技術(shù)有限公司；高速勻漿機 德國IKA公司；TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)分析儀英國Stable Micro Systems公司；傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR） 美國珀金埃爾默公司；S-3400N掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM） 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 細(xì)菌纖維素水凝膠的制備與純化

1.3.1.1 細(xì)菌纖維素水凝膠的制備

將冷凍保存的木醋桿菌接種到新的斜面固體培養(yǎng)基上，30 ℃恒溫培養(yǎng)24 h。挑取斜面上長出的新菌落接種到液體種子培養(yǎng)基中，恒溫靜置培養(yǎng)12 h，以體積分?jǐn)?shù)4%的接種量接入發(fā)酵培養(yǎng)基中，30 ℃恒溫靜置培養(yǎng)1 周。

1.3.1.2 細(xì)菌纖維素水凝膠的純化以及處理

將培養(yǎng)后得到的細(xì)菌纖維素水凝膠用去離子水反復(fù)沖洗，以去除其表面殘留的培養(yǎng)基與雜質(zhì)。后將其浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的NaOH溶液中，80 ℃恒溫水浴2 h，并持續(xù)浸泡使水凝膠呈無色透明狀，采用低濃度醋酸處理使其pH值至中性，得到實驗所需細(xì)菌纖維素水凝膠。

1.3.2 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜的制備

將細(xì)菌纖維素水凝膠裁剪成20 cm×20 cm的正方形，浸泡于一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的茶多酚溶液中，一定時間后取出，放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%增塑劑（甘油）中浸泡1～2 s，迅速取出后，瀝干表面多余液體，置于50 ℃恒溫烘箱干燥至質(zhì)量恒定。

1.3.2.1 不同茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜的制備

將細(xì)菌纖維素水凝膠在4 ℃下浸泡于100 mL一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）的茶多酚溶液中4 h，取出后瀝干表面多余液體，置于50 ℃恒溫烘箱干燥至質(zhì)量恒定。

1.3.2.2 不同茶多酚浸泡時間細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜的制備

將細(xì)菌纖維素水凝膠在4 ℃下浸泡于100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的茶多酚溶液中一段時間（0、2、4、6、8、10、12 h），取出后瀝干表面多余液體，置于50 ℃恒溫烘箱干燥至質(zhì)量恒定。

1.3.3 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜性能的測定

1.3.3.1 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜抗菌性能測定

采用抑菌圈法來表明復(fù)合膜抗菌性能的強弱。將大腸桿菌、假單胞菌和金黃色葡萄球菌從固體斜面培養(yǎng)基接種到液體種子培養(yǎng)基中，37 ℃恒溫培養(yǎng)一段時間制得種子液。吸取200 μL的種子液均勻涂布于固體平板培養(yǎng)基上。利用打孔器將實驗所需不同組別的細(xì)菌纖維素膜制成直徑為6 mm的小圓片，將其放置在平板中，每個平板放置3 個相同的細(xì)菌纖維素-茶多酚圓片，將其倒置在37 ℃下恒溫培養(yǎng)24 h后，觀察抑菌圈直徑的大小，利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量和記錄。

1.3.3.2 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜厚度的測定

將細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜裁成正方形（5 cm×5 cm）。任取5 張疊放在一起，取5 點用游標(biāo)卡尺測其厚度，計算平均值。

1.3.3.3 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜吸水率的測定

將（0.50±0.05）g的細(xì)菌纖維素膜在常溫條件下浸入蒸餾水中，每隔2 h稱其質(zhì)量，直至質(zhì)量恒定。將浸入水的樣品取出后離心，稱質(zhì)量，記錄吸水后樣品的質(zhì)量。干膜質(zhì)量記為m1，吸水后膜的質(zhì)量記為m2。吸水率根據(jù)式（1）計算。

1.3.3.4 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜水蒸氣透過率的測定

采用擬杯子法測定水蒸氣透過率。稱取3 g無水氯化鈣放入50 mL廣口三角瓶中，將樣品放在瓶口處，用石蠟將膜密封，通過杯質(zhì)量的變化量間接反映水蒸氣透過率，水蒸氣透過率根據(jù)式（2）計算。

式中：Δm為水蒸氣遷移量/g；S為膜的面積/m2；t為測定時間/h。

1.3.3.5 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜力學(xué)性能的測定

利用TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀對膜的拉伸強度和斷裂伸長率進(jìn)行測定。將膜裁成長10 cm、寬2 cm的長條，有效拉伸長度為50 mm，拉伸強度為5 mm/min。將膜系于拉伸探頭（A/SPR）上，啟動儀器，使探頭慢慢將膜向上拉，直至膜斷裂。

記錄測試樣品膜斷裂時的最大張力F、伸長的距離S，每個材料樣品做3 個平行實驗[16]，按式（3）計算拉伸強度。記錄測試樣品膜斷裂時的標(biāo)線之間的距離L和斷裂時膜被拉伸的長度ΔL，按式（4）計算斷裂伸長率。

1.3.3.6 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜透光率的測定

通過紫外-可見光分光光度計測定細(xì)菌纖維素膜的透光率，間接反映膜的透明度。將待測樣品裁切成50 mm×12 mm的矩形狀，貼于比色皿表面，在400～750 nm波長范圍內(nèi)測定其透光率，分辨率為50 nm。將樣品緊貼比色皿內(nèi)壁，以空氣作為對照組進(jìn)行測定。

1.3.4 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的測定

1.3.4.1 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)的觀察

使用S-3400N型SEM觀察細(xì)菌纖維素膜的微觀結(jié)構(gòu)，使用電壓為15 kV，觀察前，利用離子濺射儀在干燥的樣品表面噴10～15 nm的金層。在20 000 倍下觀察膜的結(jié)構(gòu)。

1.3.4.2 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜分子結(jié)構(gòu)的測定

利用FTIR對細(xì)菌纖維素膜的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定。將不同干燥方法制備的細(xì)菌纖維素膜裁剪成2 cm×2 cm的小方塊后，充分干燥，取一定的樣品研碎后與KBr混合壓片，然后進(jìn)行FTIR測定，波數(shù)范圍為400～4 000 cm－1，分辨率4 cm－1，波數(shù)精度0.01 cm－1，掃描次數(shù)64 次，環(huán)境溫度25 ℃，結(jié)合FTIR數(shù)據(jù)庫對所得FTIR進(jìn)行基團分析。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

每個實驗重復(fù)3 次，結(jié)果表示為 ±s；相關(guān)性分析具體選用Pearson相關(guān)分析中l(wèi)ine模式；數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Statistix 8.1軟件包中Linear Models程序進(jìn)行；差異顯著性分析使用Tukey HSD程序，以P＜0.05表示差異顯著；采用SigmaPlot 11.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜性能的影響

2.1.1 茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜抑菌性能的影響

肉制品在貯藏期間，腐敗菌和致病菌的生長繁殖使其品質(zhì)受到顯著的影響，這些細(xì)菌主要包括：芽孢桿菌、假單胞菌、腸桿菌、沙門氏菌、李斯特氏菌、金黃色葡萄球菌和乳酸菌等[17-19]。本實驗選擇3 種均為肉中腐敗菌和致病菌的指示菌：金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和假單胞菌，研究能抑制其生長的最低茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合膜。

圖1 茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜抑菌性能的影響Fig. 1 Effect of tea polyphenol concentration on antibacterial properties of bacterial cellulose-tea polyphenol composite film

從圖1可以看出，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時，茶多酚對這3 種菌的抑菌效果為假單胞菌＞大腸桿菌＞金黃色葡萄球菌，這表明不同菌種對茶多酚的受耐性不同。費燕娜等[20]在研究茶多酚對復(fù)合膜的抑菌性能中也驗證了此觀點。圖1中針對同一菌種，當(dāng)茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時，即純的細(xì)菌纖維素膜并不具備抑菌活性。抑菌圈的直徑隨著茶多酚的升高而增加，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)。當(dāng)茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時，抑菌圈直徑并未有明顯增加（P＞0.05），而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%時，抑菌圈直徑隨茶多酚的加入顯著增加（P＜0.05）。所以0.2%即為能有效抑制3 種肉源腐敗菌生長的最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在儀淑敏等[21]的實驗中發(fā)現(xiàn)，茶多酚的加入使復(fù)合膜中假單胞菌中的堿性磷酸（alkaline phosphatase，AKP）酶和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）酶均顯著下降的同時也破壞了菌種的膜蛋白，而ATP酶又是細(xì)胞膜上的一種運輸離子的蛋白酶，說明茶多酚的加入破壞了細(xì)菌細(xì)胞膜的同時打亂了細(xì)菌的生長代謝，從而使細(xì)菌生長得到抑制。

2.1.2 茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

圖2 茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜力學(xué)性能的影響Fig. 2 Effect of tea polyphenol concentration on mechanical properties of bacterial cellulose-tea polyphenol composite film

伸長強度和斷裂伸長率分別代表復(fù)合膜的脆性和韌性。從圖2中可以看出，細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜的拉伸強度隨著茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而不斷減小，斷裂伸長率則正好與拉伸強度相反。茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時，拉伸強度為45.3 MPa，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，拉伸強度降為30.7 MPa，兩者差異顯著（P＜0.05）。斷裂伸長率從初始的1.73%升至4.47%，雖呈上升趨勢，但仍保持在5%以下。說明復(fù)合膜從低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時的脆而弱變?yōu)楦哔|(zhì)量分?jǐn)?shù)時的硬而強。其主要原因在于隨著茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，茶多酚短鏈段占據(jù)了細(xì)菌纖維素膜內(nèi)部的空隙，增加了纖維分子間間距，使聚合物分子內(nèi)的氫鍵和化學(xué)鍵被破壞，分子間作用力的下降導(dǎo)致其拉伸性能減弱。隨著茶多酚的持續(xù)加入，茶多酚分子鏈鑲嵌在細(xì)菌纖維素結(jié)構(gòu)內(nèi)部使復(fù)合膜結(jié)構(gòu)變得更加完整而緊密，纖維素大分子主鏈由于茶多酚小分子鏈段間的旋轉(zhuǎn)而彎曲、蜷縮。當(dāng)復(fù)合膜遇到外力拉伸時，彎曲狀纖維素分子先伸直進(jìn)而被拉長，所以復(fù)合膜斷裂伸長率隨著茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。

2.1.3 茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜透光率的影響

圖3 茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜透光率的影響Fig. 3 Effect of tea polyphenol concentration on light transmittance of bacterial cellulose-tea polyphenol composite film

由圖3可知，茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、0.1%、0.2%時，復(fù)合膜在400 nm波長處的透光率分別為21.96%、21.13%、19.87%。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時，400、500 nm和600 nm波長處的透光率分別為19.32%、23.68%和32.51%。從圖3可以看出，不同茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合膜透光率隨著波長的增大而呈現(xiàn)上升的趨勢；在相同波長下，復(fù)合膜的透光率隨著茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而降低。這可能是由于隨著茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，本身呈棕褐色的茶多酚顏色加深，促使復(fù)合膜顏色變深，導(dǎo)致了透光率的下降；另一方面，由于部分茶多酚未被細(xì)菌纖維素完全吸收，使經(jīng)過干燥后的復(fù)合膜表面有顆粒狀凸起，從而影響了光透過的強度[22]。因此，透光率也能說明兩種混合分子結(jié)合效果的優(yōu)劣，若混合分子材料間的結(jié)合性較差，則降低了共混材料的均一性，光在材料表面被反射而減少了光的透過率[23]。通過圖3可以看出復(fù)合膜透光率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加下降并不明顯，所以茶多酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合膜透光率的影響并不大。

2.1.4 茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜厚度、吸水率和水蒸氣透過率的影響

表1 茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜厚度、吸水率和水蒸氣透過率的影響Table 1 Effect of tea polyphenol concentration on thickness, water absorption, and water vapor transmission rate of bacterial cellulose-tea polyphenol composite film

由表1可以看出，與對照組即未添加茶多酚組相比，隨著茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，吸水率和水蒸透過率顯著下降（P＜0.05）。一方面是因為復(fù)合膜中所含的茶多酚分子占據(jù)了原有細(xì)菌纖維素膜的孔洞，使能容納水分子和通過氣體的孔洞間距變小，從而降低了水蒸氣的透過率以及吸水性能；另一方面是因為復(fù)合膜網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)增強，限制了起主導(dǎo)作用的纖維素分子鏈的柔性，使得水分子的滲透通路受阻。而當(dāng)茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和0.2%時，復(fù)合膜的吸水率并沒有顯著性變化（P＞0.05），質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%和0.4%時，復(fù)合膜的水蒸氣透過率也沒有顯著性變化（P＞0.05）。說明在這兩種質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，茶多酚的添加并未明顯改變復(fù)合膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。謝健健[24]在利用浸泡熱干法制備細(xì)菌纖維素-納米銀復(fù)合膜的研究中發(fā)現(xiàn)，由于細(xì)菌纖維素膜原有結(jié)構(gòu)遭到破壞，復(fù)合膜的吸水率以及水蒸氣透過率顯著低于細(xì)菌纖維素原膜，這與本研究結(jié)果相似。從表1可以看出，復(fù)合膜的厚度隨著茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大顯著增加（P＜0.05）。這是由于茶多酚分子的引入增加了復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)交錯，同時隨著茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，也有未被纖維素吸收的茶多酚分子，經(jīng)干燥后在膜表面凸起，也能導(dǎo)致厚度的增加。

2.2 浸泡時間對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜性能的影響

2.2.1 浸泡時間對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜抑菌性能的影響

通過抑菌圈實驗確定細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜最佳的浸泡時間。從之前的實驗結(jié)果可知，茶多酚對3 種細(xì)菌的抑菌效果為假單胞菌＞大腸桿菌＞金黃色葡萄球菌，因此選取抑菌能力最弱的金黃色葡萄球菌作為受試菌株。

圖4 浸泡時間對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜抑菌性能的影響Fig. 4 Effect of soaking time on antibacterial properties of bacterial cellulose-tea polyphenol composite film

從圖4可以看出，隨著浸泡時間的延長，抑菌圈直徑逐漸增大，尤其在2～4 h內(nèi)，抑菌圈直徑增長幅度大于浸泡初始階段，4 h后變化不明顯。大多植物源化合物是通過破壞菌體的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性和酶系統(tǒng)進(jìn)行抑菌[25]。茶多酚的添加嚴(yán)重破壞了菌體細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，使得細(xì)胞內(nèi)容物呈絮狀外流，導(dǎo)致菌體死亡加速，從而達(dá)到抑菌的效果[26]。

2.2.2 浸泡時間對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

圖5 浸泡時間對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜力學(xué)性能的影響Fig. 5 Effect of soaking time on mechanical properties of bacterial cellulose-tea polyphenol composite film

從圖5可以看出，當(dāng)浸泡時間為0 h時，拉伸強度為46.73 MPa，斷裂伸長率為1.76%，4 h后分別變?yōu)?8.45 MPa和3.17%。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，隨著浸泡時間的延長，拉伸性能呈下降趨勢，一段時間后變化不明顯，斷裂伸長率的趨勢則正好相反；兩者均在4 h后呈穩(wěn)定狀態(tài)，變化不明顯（P＞0.05）。其原因在于，隨著茶多酚浸泡時間的延長，茶多酚短分子鏈段逐漸鑲嵌進(jìn)細(xì)菌纖維素長分子鏈段間，它的加入阻礙了細(xì)菌纖維素鏈段間的接近。由于細(xì)菌纖維素大分子在復(fù)合膜拉伸和斷裂中起主導(dǎo)作用，茶多酚的加入破壞了細(xì)菌纖維素原本的結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合膜脆性增強，難以拉伸。復(fù)合膜的斷裂伸長率隨著浸泡時間的延長而增大，其原理與茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)相似。當(dāng)浸泡4 h后，茶多酚短分子已經(jīng)完全鑲嵌進(jìn)細(xì)菌纖維素中，拉伸強度和斷裂伸長率不再受浸泡時間影響。

2.2.3 浸泡時間對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜透光率的影響

圖6 浸泡時間對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜透光率的影響Fig. 6 Effect of soaking time on light transmittance of bacterial cellulose-tea polyphenol composite film

從圖6中可以看出，復(fù)合膜的透光率隨著波長的增大而增大。在同一波長下，純細(xì)菌纖維素膜的透光率最好，浸泡時間為2 h的復(fù)合膜質(zhì)量分?jǐn)?shù)次之，浸泡時間6、8、10 h和浸泡時間為4 h后的細(xì)菌纖維素膜的透光率幾乎重疊，曲線難以分辨。這同吳艷等[15]的研究結(jié)果相似，其在探究茶多酚的添加量對聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物復(fù)合膜性能影響的實驗中發(fā)現(xiàn)，茶多酚與共聚物的相互作用使共聚物結(jié)構(gòu)分散均一，導(dǎo)致復(fù)合膜的透光率降低。而且浸泡時間對復(fù)合膜透光率的影響結(jié)果同茶多酚浸泡時間對復(fù)合膜力學(xué)、抑菌能力的實驗結(jié)果的趨勢相同。

2.2.4 浸泡時間對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜吸水率、水蒸氣透過率以及透光率的影響

從表2中可以看出，與純細(xì)菌纖維素相比，吸水率以及水蒸氣透過率隨浸泡時間延長都呈現(xiàn)先下降后趨于平穩(wěn)的趨勢，厚度則呈現(xiàn)先增加后平緩的趨勢。浸泡0、2、4 h后復(fù)合膜的吸水率、水蒸氣透過率和厚度都出現(xiàn)顯著變化（P＜0.05），而超過4 h后，復(fù)合膜的這幾項指標(biāo)并無明顯變化（P＞0.05）。盡管茶多酚分子中有許多酚羥基能夠吸收水分子促進(jìn)復(fù)合膜的吸水作用，但茶多酚小分子能進(jìn)入細(xì)菌纖維素大分子中使復(fù)合膜結(jié)構(gòu)更加緊密，降低了吸水率并使水蒸氣透過路徑受阻[27]。當(dāng)茶多酚浸泡時間一定后，嵌入纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的茶多酚短鏈已經(jīng)達(dá)到最大量，復(fù)合膜互相交錯的結(jié)構(gòu)已不再改變，其抑制水蒸氣透過的能力達(dá)到最大限度，雖然仍然能夠阻礙水蒸氣的透過但變化不顯著，厚度也不再增加。即在浸泡4 h后，茶多酚分子在復(fù)合膜中的數(shù)目恒定，對復(fù)合膜各個性能的影響不再變化，使得復(fù)合膜的性能趨于穩(wěn)定。

表2 浸泡時間對細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜厚度、吸水率和水蒸氣透過率的影響Table 2 Effect of soaking time on thickness, water absorption and water vapor transmission rate of bacterial cellulose-tea polyphenol composite film

2.3 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的分析

2.3.1 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果

圖7 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)的觀察Fig. 7 Microstructure of bacterial cellulose-tea polyphenol composite film

由圖7可知，茶多酚的添加引起了細(xì)菌纖維素微觀結(jié)構(gòu)的改變，單一細(xì)菌纖維素膜中的纖絲網(wǎng)絡(luò)稀松、孔洞較大，添加茶多酚后的復(fù)合膜比細(xì)菌纖維素膜纖絲排列更緊致、孔洞結(jié)構(gòu)小而少，而且相對纖維素膜粗糙的表面，復(fù)合膜變得更為光滑、平整，但是依舊可以清晰觀察到復(fù)合膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。纖維素分子連接了類似大分子的顆粒，同時復(fù)合膜纖維變粗，這更能證明茶多酚小分子鏈段連接到纖維素大分子鏈段上。同時在干燥的過程中，茶多酚分子填充在纖維素網(wǎng)絡(luò)間，導(dǎo)致復(fù)合膜結(jié)構(gòu)更為緊致。在劉忠明等[28]對納米纖維素/殼聚糖復(fù)合膜的研究中，通過對復(fù)合膜進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，單一的殼聚糖膜斷面光滑而清晰，隨著納米纖維素的添加，由于納米纖維素更易于通過氫鍵與殼聚糖團聚在一起，致使復(fù)合膜逐漸變得緊密而伴有顆粒和褶皺，最后變得更加粗糙。

2.3.2 細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜的分子結(jié)構(gòu)分析

圖8 細(xì)菌纖維素膜和細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜的FTIR圖Fig. 8 Fourier transform infrared spectrum of bacterial cellulose and film bacterial cellulose-tea polyphenol composite film

分子間的相互作用會引起周圍的電子密度及振動頻率的改變，而這些改變在FTIR圖中通過特征吸收峰的位置和強度等表現(xiàn)出來[26]。從圖8可以看出，細(xì)菌纖維素的吸收峰，在3 400～3 250 cm－1處為O—H特征吸收峰，2 960～2 870 cm－1處為細(xì)菌纖維素中C—H特征吸收峰，1 000 cm－1附近為纖維素糖環(huán)中C—O—C和C—O—H特征吸收峰。加入茶多酚后，3 400～3 250 cm－1處的吸收峰面積變大，同時在1 600～1 400 cm－1范圍內(nèi)苯環(huán)骨架特征吸收峰面積變大[27]，細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜依舊具有細(xì)菌纖維素的特征吸收峰，說明茶多酚的酚羥基進(jìn)入纖維素的糖環(huán)中，細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜中確實有茶多酚分子的存在。

3 結(jié) 論

茶多酚的添加對復(fù)合膜的特性和結(jié)構(gòu)的影響表明：隨著茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加及浸泡時間的延長，復(fù)合膜的抑菌圈直徑、斷裂伸長率和厚度增大，透光率、吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強度降低。當(dāng)茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時，此為復(fù)合膜有效抑制3 種肉源腐敗菌的最低添加量，同時兼具較好的復(fù)合膜其他性能；當(dāng)浸泡時間超過4 h后，各指標(biāo)均趨于穩(wěn)定。茶多酚的添加使復(fù)合膜具有更好的抑菌能力；結(jié)構(gòu)的測定證明茶多酚分子連接在細(xì)菌纖維素膜結(jié)構(gòu)中，使復(fù)合膜機械性能得到提高，并有效地阻隔了食品與外界水蒸氣的交換，避免食品受外界污染。本實驗制備的細(xì)菌纖維素-茶多酚復(fù)合膜無毒無害、可降解，為食品界可食用膜的開發(fā)利用提供理論參考，具有廣闊的市場前景。