內嵌混合乳化劑微球的海藻酸鈉食品抗菌包裝膜的機械和釋放性能研究

陳 曦 盧立新，2* 丘曉琳，2 唐亞麗，2

（1 江南大學包裝工程系 江蘇無錫214122 2 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室 江蘇無錫214122）

近年來，為減少不可降解的塑料包裝帶來的環(huán)境污染問題，將天然聚合物研發(fā)成環(huán)境友好型的包裝材料正受到越來越多的關注[1-2]，尤其是在食品包裝領域，生物質包裝為達到更好的保護食品的效果，常被制備成包含各種功能性添加劑如抗氧化劑、抗菌劑的活性包裝形式[3]。其中，多糖、蛋白質類天然聚合物因具有較好的成膜性能，成為生物質食品包裝基材的研究熱點，而精油由于其較好的抗菌、抗氧化效果且自身的無毒、安全性，成為生物質食品活性包裝中合成功能性添加劑的絕佳替代品[4-5]。

海藻酸鈉是一種由聚β-（1→4）-甘露聚糖醛酸與聚α-（1→4）-L-古洛糖醛酸結合的親水多糖類線型高聚物，因其優(yōu)異的生物相容性、生物可降解以及無毒性而被廣泛地應用于可食性食品表面涂膜包裝、藥品緩釋基質的研究[6-7]。有研究表明海藻酸鈉極具潛力成為優(yōu)秀的承載抗菌劑的膜基材并實現(xiàn)控釋性能[8-9]。肉桂作為一種常見的調味香料，從其中提取出的肉桂精油（主要成分為肉桂醛）因出色的抗菌性能[10-11]及易揮發(fā)的特性，故常包埋于微膠囊中用于食品的保鮮。由于海藻酸鈉親水，將肉桂精油直接加入海藻酸鈉膜中時存在不相容的問題，因此需加入乳化劑改善其相容性。吐溫80 是一種常用的非離子型乳化劑，其化學名稱為聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯，因其出色的乳化性能而被廣泛用于生物質膜的乳化劑[12-13]。事實上，除了吐溫80，還有一類乳化劑非常適用于生物質膜，然而鮮有人研究，此類乳化劑為天然高分子乳化劑，主要由蛋白質和多糖類物質組成，基于蛋白結構中的兩親特性，已廣泛被應用于食品工業(yè)中，并表現(xiàn)出較好的表面活性性能[14]。有研究表明，將某些天然高分子乳化劑相混合，如明膠和阿拉伯膠，可通過復凝聚的方法形成微膠囊，所形成的微膠囊的包裹層對其中的精油有較好的保護作用[15-16]。另外，Borodina 等[17]研究表明將阿拉伯膠包裹的維他命E 微球嵌入生物相容性膜中，可以減緩維他命E 的體內釋放速率。將天然高分子乳化劑和吐溫80 共混作為混合乳化劑包裹肉桂精油后，加入海藻酸鈉基膜中，可能具有更優(yōu)的保護和緩釋性能，而對此尚未有人研究。

鑒于本團隊前期研究了天然高分子復合乳化劑組合對包裹其中的肉桂精油的控釋機理[18]，本研究著重考察吐溫80 與天然高分子乳化劑 （明膠、阿拉伯膠）的共混組合，簡稱混合乳化劑（ME）對海藻酸鈉膜中肉桂精油釋放的影響。通過明膠/吐溫80（GT）、明膠/阿拉伯膠（GA）和明膠/阿拉伯膠/吐溫80（GAT）的混合乳化劑組合，將肉桂精油包裹成微球并嵌入海藻酸鈉膜中，表征膜的機械性能和釋放性能。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

海藻酸鈉（SA）、明膠（G0）、阿拉伯樹膠（A0）、吐溫80（T）、肉桂精油（CEO）、甘油（Gly）、無水乙醇均為化學純試劑，國藥集團化學試劑有限公司；超純水由優(yōu)柯浦超純水機制備，上海純浦實業(yè)有限公司。

實驗室高剪切分散乳化機（FA25），F(xiàn)LUKO；材料試驗機（LRX-PLUS），英國LLOYD 公司；恒溫恒濕試驗機（THS-AOC-100AS），慶聲電子科技有限公司；微型漩渦混合儀（WH-3），上海滬西分析儀器廠有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9240A），上海精宏實驗設備有限公司；金相顯微鏡（BMM-55E），上海比目儀器有限公司；激光衍射粒度儀（Mastersizer 2000），馬爾文儀器有限公司；紫外分光光度計（UV-1800），日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 膜的制備 分別配制2.5%的海藻酸鈉水溶液、5%的明膠、阿拉伯膠水溶液，于50 ℃恒溫水浴鍋中用攪拌機以400 r/min 攪速攪拌0.5 h 至均勻，靜置于50 ℃水浴中2 h，去氣泡。分別將明膠、阿拉伯膠和吐溫80 按表1的配比共混為混合乳化劑組合，向混合天然乳化劑水溶液中添加表1所示含量的肉桂精油，用高剪切分散乳化機以25 000 r/min 高轉速剪切2 min 獲得混合均勻的乳狀液，45 ℃水浴靜置10 min，去氣泡。將制備好的海藻酸鈉水溶液液與不同乳化劑組合O/W 乳狀液共混，按配方加入甘油增塑海藻酸鈉基材，45 ℃水浴300 r/min 攪速攪拌10 min 獲得混合均勻的制膜液，45 ℃水浴靜置10 min，去氣泡。

按表1配方分別準確稱取所制得的膜液，倒于210 cm2的帶邊框玻璃板上，流延均勻，放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，溫度設定為70 ℃，烘約40～60 min 至干燥。取出，于室溫下冷卻后揭膜。稱薄膜與玻璃板接觸的一面為下表面，與空氣接觸的一面為上表面，將膜置于干燥器中保存。

表1 膜配方Table 1 Formulation of the films

1.2.2 乳液中微球形貌及粒徑分布 用金相顯微鏡觀察各配方乳狀液的透射成像圖。用激光粒度儀測試各樣品的粒徑分布。參數(shù)設定如下：分散劑：水，折射率1.33；物質：乳液，吸收率0，折射率1.61（肉桂精油）；攪拌速度：2 000 r/min。數(shù)據(jù)皆為3 次試驗的平均值。

1.2.3 膜的機械性能 應用材料試驗機測定膜的抗張強度及斷裂伸長率，具體參照GB1040-79《塑料拉伸試驗方法》，設置測試速度為50 mm/s。

1.2.4 膜的單側釋放測試 利用自制單側釋放裝置[18]進行膜的單側釋放試驗，選取膜的上表面與模擬液無水乙醇接觸。模擬液容量為50 mL。單側釋放試驗在4 ℃冷藏環(huán)境中進行，在選定的各個時間點取樣，放在微型漩渦混合儀上振蕩5 s，使釋放出的肉桂精油在溶液中分布更加均勻后取樣。以移液槍，按紫外測量所需的量取樣，并以無水乙醇稀釋一定倍數(shù)，用微型混合儀混合幾秒至均勻，注入石英比色皿中，等待儀器測量。取樣完畢的釋放裝置補足模擬液至取樣前，密封后放回釋放環(huán)境中繼續(xù)進行釋放試驗。每個試樣做3 次平行。其中，模擬液選用無水乙醇，是為了避免水對親水基材的溶脹及溶解效果影響釋放分析。

1.2.5 膜內精油的釋放量測定 用紫外分光光度計進行膜內精油的釋放量測定。紫外檢測波長經(jīng)掃描定為286 nm。線型回歸分析表明紫外吸光度值與肉桂精油的濃度高度相關，相關系數(shù)為0.9994。通過紫外-可見光分光光度計測得吸光度以及標準曲線，計算肉桂精油濃度。

1.2.6 膜內精油擴散系數(shù)（D）的估算 應用菲克第二定律，結合試驗條件，肉桂精油的釋放量可表征為[18]。

式中，MF，t——擴散質在時間t 擴散出的量（μg）；MF，∞——擴散質在擴散平衡時擴散出的量（μg）；Lp——膜的厚度（cm）；D——擴散系數(shù)（cm2·s-1）。

1.2.7 統(tǒng)計分析 通過SPSS 軟件 （SPSS Inc.，version 22）進行統(tǒng)計分析，顯著性檢驗采用ANOVA 中的Tukey 法，P＜0.05 即差異顯著。

2 結果與討論

2.1 乳液中微球形貌及粒徑分布

4 種水包油乳液的顯微鏡透射圖像如圖1所示?？梢钥闯?，每種乳液中都形成大量的微球。其中，G 和GA 組合乳液中微球分布均勻且不聚集，GT 和GAT 組合乳液中微球發(fā)生大量聚集。G 和GA 乳液中微球的形成可能是明膠和阿拉伯膠作為天然高分子乳化劑，基于乳化機理將肉桂精油包裹而成。當肉桂精油和明膠或明膠、阿拉伯膠乳化劑溶液混合時，明膠或阿拉伯膠的親油基（碳鏈，聚合物鏈上的烷基）通過靜電相互作用吸附肉桂精油，而外部的親水基 （聚合物鏈上的羥基-OH、羧基-COOH、氨基-NH2）通過溶脹或電離與水發(fā)生相互作用，從而形成了由乳化劑包裹肉桂精油的包裹層，將肉桂精油和水隔離開來。明膠溶于水時，作為一種兩性電解質，其羧基會電離成羧酸根離子-COO-，氨基會電離成-NH3+，由于具有更高電離度的羧基電離優(yōu)先于氨基的電離，因此明膠水溶液呈弱酸性，明膠分子在水溶液中總體帶負電荷，且其周圍分布著穩(wěn)定的雙電層。與明膠類似，阿拉伯膠由于同樣含有蛋白質基團，具有羧基和氨基，所以也是一種兩性電解質，且其呈弱酸性的原因與明膠相同。在乳液G 和GA 中，微球由于外層帶有相同的負電荷，所以受靜電排斥作用的影響，彼此間保有穩(wěn)定的距離且趨于單獨存在于乳液中，不發(fā)生聚集。GT 和GAT 乳液中，微球的形成是天然高分子乳化劑明膠、阿拉伯膠和非離子型乳化劑吐溫80 共同作用的結果。T 是聚氧乙烯型乳化劑，在失水狀態(tài)下呈鋸齒狀，而在水溶液中則呈柱面曲折狀[19]。在水溶液中時，曲折的聚氧乙烯鏈上的醚鍵的氧原子位于分子鏈的外側，可與水分子形成氫鍵，圍繞分子鏈形成厚的水化層，因而可以很好地溶于水中；而疏水部位-CH2-CH2-則被包藏在圓柱的內部，吸附肉桂精油，將精油包裹在圓柱內部，形成穩(wěn)定的乳液。T的加入使微球發(fā)生大量聚集，可能是由于小分子質量的T 在與高分子質量的明膠、阿拉伯膠共同吸附精油時，優(yōu)先將精油包裹至自身結構中形成微球，使明膠與阿拉伯膠無法完全與精油接觸，破壞了明膠和阿拉伯膠包裹精油至微球時外層形成的穩(wěn)定的雙電層結構，因而微球發(fā)生大量聚集。

圖1 不同乳液的顯微鏡透射圖Fig.1 Optical transmission images of different o/w emulsions

圖2 不同乳液的粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of different o/w emulsions

表2 不同乳液的粒徑分布數(shù)據(jù)Table 2 Particle size distribution data of different o/w emulsions

4 種乳液的粒徑分布圖如圖2所示，相應的分布數(shù)據(jù)（表2）表明，3 種混合乳化劑形成的乳液（GA，GT，GAT）的表面積平均粒徑D[3，2]顯著小于對照的單一乳化劑形成的乳液（G），GT 和GAT的中值粒徑d（0.5）顯著小于G（P＜0.05），這表明乳液GT 和GAT 中微球的聚集為可逆的，且與之前的推論相吻合——精油優(yōu)先被分子質量更小的T 分子包裹，因而呈現(xiàn)更小的中值粒徑。

2.2 膜的機械性能

由配方制得的膜均為黃色，具有較好的均一性，且較易剝膜。膜厚具有較好的一致性（表3）。這與膜組分總含量，尤其是基膜海藻酸鈉含量相同相一致，這是由于膜的厚度主要是由制膜液中的固體含量決定[20]。

表3 膜厚及膜的機械性能Table 3 Thickness and mechanical properties of films

聚合物鏈間的相互作用力是影響膜機械性能的主要因素[21]。膜G，GT，GA，GAT 的機械性能（表3）由抗張強度TS 和斷裂伸長率E 表示。試驗結果表明，混合乳化劑組合GAT 膜的機械性能（TS 和E） 顯著優(yōu)于單一乳化劑的對照膜G，T 的加入對膜的機械性能（TS 和E）有提升的趨勢。同時，A0的加入提高了膜的斷裂伸長率，T 的加入提高了膜的機械性能（TS 和E），這可能是由于A0的加入降低了海藻酸鈉基膜的聚合物鏈間相互作用力或分子鏈的纏繞作用[22]，而T 的加入增強了膜中分子間的作用力。

2.3 肉桂精油的釋放

各膜中肉桂精油釋放比例的試驗值和理論值如圖3所示。理論值和試驗值間的擬合優(yōu)度由均方根誤差（RMSE）來評價，RMSE 值如表4所示。從圖3和表4的數(shù)據(jù)可以看出，根據(jù)模型擬合的理論值與試驗值間具有較好的一致性，表明該模型適用于本研究。

圖3 膜中肉桂精油單側釋放的試驗值和理論值Fig.3 Experimental and theoretical values of one-way release tests of CEO migrating respectively from different films

計算獲得的肉桂精油從膜向模擬液中釋放的擴散系數(shù)見表4。從擴散系數(shù)可以看出，肉桂精油的釋放速率受到乳化劑組合的顯著影響?；旌先榛瘎┠ぶ腥夤鹁偷尼尫潘俾曙@著小于單一乳化劑的對照膜G。膜GA 中肉桂精油的釋放速率顯著小于膜G 中肉桂精油的釋放速率，這可能是由于明膠和阿拉伯膠間的靜電作用形成了比單一明膠更致密的包裹層，分子間的作用力得到加強，因此降低了其中肉桂精油的釋放速率；T 的加入顯著降低了膜中肉桂精油的釋放速率，這可能是由于T 的加入優(yōu)先在精油表面形成一層包裹層，與明膠、阿拉伯膠共同包裹精油使膜分子間的相互作用力增強（與2.1 節(jié)和2.2 節(jié)中的結果討論相一致），減緩了肉桂精油的釋放速率。

表4 肉桂精油單側釋放的擴散系數(shù)Table 4 Diffusion coefficients of one-way release of CEO

3 結論

研究制備了內嵌混合乳化劑包裹肉桂精油微球的海藻酸鈉食品包裝膜，并表征了其乳液的形貌與粒徑分布，膜的機械性能和膜中肉桂精油的單側釋放性能。乳液形貌與粒徑分布結果表明，乳液中形成了大量微球，吐溫80 的加入使微球大量聚集，并顯著降低了乳液的中值粒徑。膜的機械性能表明，混合乳化劑膜GAT 的機械性能顯著優(yōu)于對照膜G，吐溫80 的加入對膜的機械性能有提升的趨勢。膜中肉桂精油的釋放性能表明，混合乳化劑顯著降低了肉桂精油的釋放速率，吐溫80 的加入顯著降低了肉桂精油的釋放速率。本研究制備的抗菌膜在保護食品品質的控釋活性包裝應用中具有較好的前景。