山蒼子油基聚乙烯膜的抑菌活性及其對大米的保鮮作用

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(1.中南林業(yè)科技大學材料科學與工程學院,湖南長沙 410004;2.中南林業(yè)科技大學天然產(chǎn)物加工利用研究所,湖南長沙 410004)

隨著人民生活水平的快速提高,人們對綠色、營養(yǎng)和健康食物的追求愈加強烈。大米作為我國的主食,其安全問題是關(guān)系國計民生的戰(zhàn)略問題[1]。長期以來,大米儲藏過程中由于蟲害、霉變等原因造成的損失巨大,尤其在我國南方地區(qū),夏季高溫高濕的環(huán)境適宜于大米中微生物的快速生長繁殖,微生物分解大米脂肪,產(chǎn)生游離酸類化合物,使大米的食品品質(zhì)降低。據(jù)統(tǒng)計,我國南方水稻產(chǎn)區(qū)產(chǎn)后損失平均達到15%左右[2-3]。

目前,我國大米儲藏方式主要低溫儲藏、氣調(diào)儲藏以及化學儲藏等方法[4-6],雖然取得了較好的儲藏效果,但也存在成本高、化學試劑污染大等問題。近年來,納米保鮮膜技術(shù)成為國內(nèi)外研究的熱點,將納米化的抑菌劑如銀等加入到聚乙烯、聚氯乙烯等基材中制成的納米保鮮膜,不僅獲得良好的抑菌效果[7-8],還能一定程度上提高膜的力學性能[9],但仍存在成本高等問題。因此,尋找廉價易得并具有廣譜抑菌效果的抑菌劑成為研究的重點。

山蒼子油是從木本油料作物山蒼子的果實中提取的精油,其主要作為合成紫羅蘭酮、鳶尾酮的原料[10-11]。山蒼子油具有廣譜抑菌效果,對大腸桿菌、黃曲霉、青霉等均具有較好的抑制作用[12-13]。利用綠色天然的山蒼子油開發(fā)抑菌功能材料符合人們的追求。然而,山蒼子油易揮發(fā)、不穩(wěn)定的特點限制了其的廣泛應(yīng)用。前期研究表明,通過環(huán)糊精等材料對山蒼子油進行包埋,能有效提高山蒼子油的穩(wěn)定性,并能實現(xiàn)山蒼子油的緩慢釋放[14-15]。本文在前期研究的基礎(chǔ)上,利用擠出成型-吹塑成膜工藝制備了不同山蒼子油基聚乙烯膜,研究不同膜的抑菌活性及其對大米的保鮮作用,為山蒼子油功能產(chǎn)品的開發(fā)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山蒼子油 產(chǎn)于湖南永順縣,水蒸氣蒸餾法提取;羥丙基-β-環(huán)糊精(食品級) 智源生物科技有限公司;低密度聚乙烯(LDPE) 蘇州精湛塑化有限公司;市售黃花粘大米 產(chǎn)于湖南常德,屬湖南典型種植品種;大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、灰霉菌、黃曲霉菌等菌種 均為中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院實驗室提供;馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)培養(yǎng)基 北京陸橋技術(shù)有限公司;牛肉膏、蛋白胨 北京奧博星生物技術(shù)有限公司;瓊脂 賽國生物科技有限公司;正己烷、酚酞、氫氧化鈉、無水乙醇等試劑 均為分析純。

FA-25實驗室用高速剪切乳化機 上海弗魯克科技發(fā)展有限公司;AE100電子分析天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 河南予華儀器有限公司;DHP-9082恒溫恒濕培養(yǎng)箱 恒都電子科技有限公司;XLW(PC)智能電子拉力試驗機 濟南永科試驗儀器有限公司;B-290小型噴霧干燥儀 步琦儀器設(shè)備有限公司;雙螺旋擠出機 南京聚力化工機械有限公司;吹膜機 瑞安市天晟包裝機械公司;S3400N掃描電鏡儀 日本日立公司;RXZ-160B人工氣候箱 寧波江南儀器廠;P-290食品小型壓縮封口機等。

1.2 實驗方法

1.2.1 山蒼子油微膠囊的制備 準確稱取12.0 g羥丙基-β-環(huán)糊精充分溶于88.0 mL蒸餾水中,攪拌下緩慢滴加3.0 g山蒼子油至均勻,轉(zhuǎn)移至高速剪切乳化機中,在轉(zhuǎn)速為10000 r/min下均質(zhì)乳化1.0 h,得到穩(wěn)定的乳液。將乳液在進風溫度160 ℃、出風溫度80～82 ℃和進料流量4 mL/min條件下進行噴霧干燥,收集分離器里中的山蒼子油微膠囊,測得微膠囊中山蒼子油的負載率為146.0 mg/g[15]。

1.2.2 山蒼子油基聚乙烯膜的制備 將質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2%和3%的山蒼子油以及1%、2%和3%的山蒼子油微膠囊分別加入低密度聚乙烯(LDPE)中,攪拌使其混合均勻,通過雙螺桿擠出機進行共混,再利用造粒機制備山蒼子油基-LDPE顆粒,其中雙螺桿擠出機7個加熱區(qū)的溫度依次為140、170、170、170、170、170和160 ℃,轉(zhuǎn)速為60 r/min。山蒼子油基-LDPE顆粒經(jīng)吹膜機制備得到山蒼子油基聚乙烯膜,吹膜機一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)的溫度分別為165、185和185 ℃,擠出模頭溫度為165 ℃,轉(zhuǎn)速為35 r/min[16];制備得到的膜分別1%的山蒼子油聚乙烯膜(1% LCEO-M)、2%的山蒼子油聚乙烯膜(2% LCEO-M)和3%的山蒼子油聚乙烯膜(3% LCEO-M)以及1%的山蒼子油微膠囊聚乙烯膜(1% LCEO-CM)、2%的山蒼子油微膠囊聚乙烯膜(2% LCEO-CM)、3%的山蒼子油微膠囊聚乙烯膜(3% LCEO-CM),同時按上述方法制備空白聚乙烯膜(Blank-M)及空白微膠囊聚乙烯膜(Blank-CM)。

1.2.3 山蒼子油基聚乙烯膜的力學性能測試 按照《GB/T 1040.3-2006》中的方法準備待測試樣。根據(jù) ASTM D882-09中的測試要求,設(shè)定夾距為50 mm,拉伸速率為50 mm/min,對樣品進行測試,每組樣品測定10次,讀取、記錄膜厚度數(shù)據(jù),并分別按式1～式3計算樣品的抗拉強度、斷裂伸長率和拉伸彈性模量:

Ts=F/s

式(1)

ΔL(%)=(L-L0)/L0×100

式(2)

Et=δ/ε

式(3)

式中:Ts為抗拉強度(MPa);ΔL為斷裂伸長率(%);Et為拉伸彈性模量(MPa);F為樣品斷裂時所承受的最大張力(N);S為試樣橫截面積(m2);L0為試樣原始標線距離(mm);L為試樣斷裂時標線間距離(mm);δ為應(yīng)力(MPa);ε為應(yīng)變。

1.2.4 山蒼子油基聚乙烯膜的掃描電鏡分析 薄膜樣品經(jīng)過噴金處理,采用 S3400N掃描電鏡觀察膜橫截面的微觀結(jié)構(gòu),并得到薄膜樣品截面的形貌圖,儀器的加速電壓為5.0 kV。

1.2.5 山蒼子油基聚乙烯膜的抑菌活性測試 按照《GB/T 21510-2008納米無機材料抗菌性能檢測方法》中貼膜法對山蒼子油基聚乙烯膜抑制大腸桿菌、金色葡萄球菌、青霉菌、灰霉菌和黃曲霉菌的活性進行測試,具體方法如下。

表1 不同山蒼子油基聚乙烯膜的力學性能Table 1 Mechanical properties of different Litsea cubeba essential oil-based polyethylene film

1.2.5.1 培養(yǎng)基的制備 牛肉膏瓊脂培養(yǎng)基:稱取牛肉膏5 g,蛋白胨10 g,氯化鈉5 g依次加入燒杯中,加熱攪拌至溶解,再加入瓊脂粉15 g,加熱攪拌均勻,冷卻后定容至1000 mL,用氫氧化鈉調(diào)pH至7.2±0.2,所得即為固體營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基,分裝于培養(yǎng)皿中,121 ℃高壓滅菌20 min,備用。

PDA培養(yǎng)基:稱取馬鈴薯葡萄糖瓊脂40.1 g于燒杯中,加入1 L蒸餾水中,攪拌加熱至完全溶解,分裝于培養(yǎng)皿中,121 ℃高壓滅菌20 min,備用。

1.2.5.2 菌種活化與菌懸液的制備 取凍干菌種管,在無菌條件下用毛細吸管分別加入適量的營養(yǎng)液,輕柔的吸數(shù)次,待菌種融化分散后,將其接種于液體培養(yǎng)基內(nèi),置于37 ℃、轉(zhuǎn)速180 r/min的搖床內(nèi)振蕩培養(yǎng)18～24 h,得到第一代菌懸液,依據(jù)上述方法重復(fù)操作制備成第三代培養(yǎng)的菌懸液。取上述第三代培養(yǎng)物,用吸管吸取無菌水反復(fù)吹洗,洗下菌落,然后用吸管將洗液移至另一無菌試管中,振敲數(shù)次后得到懸浮均勻的菌懸液,分別將其稀釋至菌落數(shù)為106～107CFU/mL的均勻菌懸液,0～5 ℃下冷藏備用。

1.2.5.3 抑菌活性測試 取上述制備的菌懸液于培養(yǎng)基中,將山蒼子油基聚乙烯膜剪成與培養(yǎng)皿底部大小一致的圓形膜試樣,并平鋪緊貼于培養(yǎng)皿中,置于無菌條件下備用,設(shè)置空白對照組,置于37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng);分別對空白對照組和實驗組的活菌數(shù)進行計數(shù),每組3個平行樣,按式4計算抑菌率。

(式4)

式中:N0為空白組的菌落數(shù);N1為試驗組的菌落數(shù)。

1.2.6 山蒼子油基聚乙烯膜對大米的保鮮實驗 分別稱取50 g大米置于同等大小的Blank-M、Blank-CM、2% LCEO-M和2% LCEO-CM的膜材料中,用壓縮封口機密封得到多組包裝大米試樣,將試樣置于恒溫恒濕氣候箱中,在溫度37 ℃,濕度90%下進行高溫高濕加速陳化實驗,每隔7 d取樣,按《GB/T 5510-2011糧油檢驗 糧食油料脂肪酸值測定》和《GB/T 5571-2010糧油檢驗 糧食及制品酸度測定》分別測定脂肪酸值和總酸值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 不同山蒼子油基聚乙烯膜的力學性能分析

力學性能是聚乙烯等包裝膜的重要性能指標之一,直接關(guān)系到包裝膜的用途。利用1.2.2中所述方法制備了不同山蒼子油基聚乙烯膜,并按1.2.3中所述方法對其力學性能進行測試,結(jié)果見表1。

由表1可知,利用擠出成形-吹膜工藝制備的聚乙烯膜厚度均為0.02 mm,表明制備工藝穩(wěn)定;隨著山蒼子油摻入量的增大,膜的抗拉強度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,而拉伸彈性模量呈現(xiàn)降低的趨勢,這可能是由于山蒼子油是脂溶性精油,具有一定的潤滑作用,當山蒼子油加入較少時,可以提高膜的韌性,增強膜的強度,而當精油過量時,聚乙烯與精油相容性差,過量的精油從膜中逸出,導(dǎo)致抗拉強度和斷裂伸長率等指標降低[17];隨著山蒼子油微膠囊摻入量的增大,膜的抗拉強度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,而拉伸彈性模量則一直呈現(xiàn)出下降的趨勢,當微膠囊用量為3%時,膜的各項力學性能均較差,這可能是由于微膠囊顆粒數(shù)量的增多導(dǎo)致其與聚乙烯的相容性差,大量的微膠囊與聚乙烯間的應(yīng)力明顯增強[18],因此,高微膠囊含量時,膜的強度和韌性均隨微膠囊含量的增加而下降。

2.2 不同山蒼子油基聚乙烯膜的SEM分析

為了研究山蒼子油基聚乙烯膜的微觀結(jié)構(gòu),利用掃描電鏡技術(shù)按1.2.4中所述方法對不同山蒼子油基聚乙烯膜的截面形態(tài)進行分析,結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 加入不同量山蒼子油的聚乙烯膜的掃描電鏡分析Fig.1 SEM analysis of different content Litseacubeba essential oil polyethylene film

圖2 加入不同量山蒼子微膠囊的聚乙烯膜的掃描電鏡分析Fig.2 SEM analysis of different contentLitsea cubeba essential oil microcapsule polyethylene film

圖1為未加入精油的空白膜(Blank-M)以及三種不同濃度山蒼子油聚乙烯膜的截面掃描電鏡圖。其中,Blank-M具有2層結(jié)構(gòu),表層較疏松,內(nèi)層致密,均勻,光滑無裂紋;而加入山蒼子油的聚乙烯膜的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,膜的2層結(jié)構(gòu)消失,顏色加深,形態(tài)不規(guī)則,且隨著山蒼子油摻入量的增加,不均勻性增加,表明山蒼子油量過大,導(dǎo)致油滴外逸,使聚乙烯膜的結(jié)構(gòu)變得不規(guī)則[19]。

由圖2可知,當向聚乙烯基材中摻入空白微膠囊后,制備的聚乙烯膜(Blank-CM)中聚乙烯與微膠囊的相容性較差,而當加入1%的微膠囊化山蒼子油顆粒后,制備的膜山蒼子油微膠囊聚乙烯膜(1% LCEO-CM)截面形態(tài)較規(guī)整,這可能由于山蒼子油的存在改善了微膠囊與聚乙烯之間的相容性所致。當山蒼子油微膠囊的量繼續(xù)增大,制成的聚乙烯膜越不均勻,表現(xiàn)為微膠囊與聚乙烯相容性差,孔隙率增大,尤其當山蒼子油微膠囊的摻入量增加至3%時,3% LCEO-CM膜截面微觀形態(tài)中可以明顯看到大顆粒的微膠囊。

表2 不同山蒼子油基聚乙烯膜的抑菌活性Table 2 Antibacterial activity of Litsea cubeba essential oil-based polyethylene film

2.3 不同山蒼子油基聚乙烯膜的抑菌活性

由于摻入聚乙烯膜中的山蒼子油含量較低,通過抑菌圈法無法準確測定膜的抑菌活性,因此,本文利用GB/T 21510-2008中貼膜法按1.2.5中所述方法研究不同山蒼子油基聚乙烯膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、青霉菌、灰霉菌和黃曲霉菌的抑制活性,結(jié)果見表2。

由表2可知,加入山蒼子油和山蒼子油微膠囊的聚乙烯膜對供試菌種大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、青霉菌、灰霉菌和黃曲霉菌均表現(xiàn)出不同程度的抑菌效果,且隨山蒼子油和山蒼子油微膠囊加入量的增大,其抑菌率均呈上升趨勢。加入2%的山蒼子油和山蒼子油微膠囊制成的膜對5種供試菌種的抑制率均大于50%,而繼續(xù)增大山蒼子油和山蒼子油微膠囊的用量至3%,制成的LCEO-M膜對大腸桿菌的抑制率最高達92.5%±3.1%,其次為青霉菌86.0%±2.7%,對灰霉菌的抑制率最低,僅為61.0%±3.0%?？傮w而言,山蒼子油對大腸桿菌和青霉菌較敏感,黃曲霉菌和金黃色葡萄球菌次之,對灰霉菌的敏感性最低。山蒼子油中主要成分檸檬醛以及一些醇類物質(zhì)具有破壞菌體細胞壁和孢子質(zhì)膜的分子結(jié)構(gòu),改變細胞通透性并影響菌體對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、轉(zhuǎn)運,從而達到抑菌的目的[20]。

綜合各種不同山蒼子油基聚乙烯膜的力學性能、微觀形態(tài)和抑菌性能,宜選擇山蒼子油和山蒼子油微膠囊加入量為2%的聚乙烯膜(2% LCEO-M和2% LCEO-CM),并研究其對大米儲藏過程中主要指標的影響。

2.4 模擬高溫高濕條件下不同膜包裝對大米脂肪酸值的影響

脂肪酸值是反映大米陳化的重要指標,一般來說,脂肪酸值越高,大米的劣變程度就越高[21-22]。按1.2.6中所述方法研究了模擬高溫高濕的儲藏條件下,山蒼子油基聚乙烯膜包裝大米后脂肪酸值隨儲藏時間的變化,結(jié)果見圖3。

圖3 模擬高溫高濕條件下不同包裝膜對大米脂肪酸值的影響Fig.3 Effects of rice fatty acid value on different packagingfilm under high temperature and humidity condition

由圖3可知,在大米儲藏前期(0～14 d),四種包裝膜處理的大米脂肪酸值均有儲藏時間的延長而呈現(xiàn)出快速增大的趨勢,當儲藏時間為14 d時,各處理組的大米脂肪酸值均達到最大值,其中空白組Blank-M和Blank-CM處理的大米脂肪酸值為25.96和22.61 mg KOH/kg,而實驗組2% LCEO-M和2% LECO-CM處理的大米脂肪酸值為19.40和18.37 mg KOH/kg,空白組處理的大米脂肪酸值明顯高于實驗組(P<0.05),在大米儲藏前期,高溫高濕條件有利于黃曲霉、青霉等微生物的生長[23],這些微生物分泌的脂肪酶會加速大米脂肪的水解,使大米脂肪酸值的快速上升,而在膜中加入山蒼子油及其微膠囊后,可以有效抑制黃曲霉等微生物的生長,延緩了大米的脂肪酸值的上升;而在儲藏中期(14～28 d),四種包裝膜處理的大米脂肪酸值隨著儲藏時間的延長,脂肪酸值呈現(xiàn)出快速降低的趨勢,其中空白組Blank-M和Blank-CM處理的大米脂肪酸值下降較快,明顯快于實驗組2% LCEO-M和2% LECO-CM處理的大米脂肪酸值的變化(P<0.05),這可能是由于游離脂肪酸通過進一步氧化分解成醛、酮等揮發(fā)性羰基化合物,或被微生物利用,致使游離脂肪酸總量下降[24];在儲藏后期(28～35 d),各處理組的大米脂肪酸值仍呈繼續(xù)降低的趨勢,當儲藏到35 d時可觀察到Blank-M和Blank-CM膜處理的大米內(nèi)部局部變黑,大米的品質(zhì)已劣變,而山蒼子油基微膠囊聚乙烯膜包裝的大米顏色變化不大。

2.5 模擬高溫高濕條件下不同膜包裝對大米總酸含量的影響

總酸是糧食中酸性物質(zhì)的總量,在儲糧過程中,總酸值急劇增加的趨勢一般是大米品質(zhì)劣變的征兆,因此,常用總酸值作為判定大米新鮮度的指標[25]。按1.2.6中所述方法對儲藏過程中不同山蒼子油基聚乙烯膜包裝的大米總酸值含量進行分析,結(jié)果見圖4。

圖4 模擬高溫高濕條件下不同包裝膜對大米總酸值的變化Fig.4 Effects of rice total acid value on differentpackaging film under high temperature and humidity condition

由圖4可知,空白膜(Blank-M)和空白微膠囊膜(Blank-CM)包裝的大米總酸值在儲糧前期即呈快速上升趨勢,隨時間的延長其總酸值仍快速增大。而2% LCEO-M和2% LECO-CM膜包裝的大米總酸值在儲糧前期(0～14 d)小幅上升,在儲糧第14 d后總酸值也呈快速上升趨勢,但與Blank-M和Blank-CM相比,總酸值明顯較小(P<0.05)。因此,山蒼子油基聚乙烯膜包裝材料在儲糧前期(0～14 d)對微生物具有一定的抑制作用,能避免大米總酸值的快速增大。

3 結(jié)論

利用擠出成型-吹塑成膜技術(shù)制備了不同含量的山蒼子油和山蒼子油微膠囊基聚乙烯膜,通過力學性能、掃描電鏡分析和抑菌實驗等研究表明,加入2%的山蒼子油和山蒼子油微膠囊制備的聚乙烯膜具有較好的力學性能和抑菌活性,其中2%山蒼子油聚乙烯膜的抗拉強度為(23.72±1.94) MPa,斷裂伸長率為136.04%±2.59%,拉伸彈性模量為107.99±2.77 MPa,而2%山蒼子油微膠囊聚乙烯膜的抗拉強度為(20.27±1.78) MPa,斷裂伸長率為136.59%±3.26%,拉伸彈性模量為(120.42±2.89) MPa,加入2%的山蒼子油或山蒼子油微膠囊制備的聚乙烯膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、青霉菌、灰霉菌和黃曲霉菌的抑制菌均大于50%,其中對青霉菌的抑制效果最佳。

高溫高濕條件下,利用2%的山蒼子油和山蒼子油微膠囊聚乙烯膜對大米儲藏過程中脂肪酸值和總酸值的影響研究表明,在大米儲藏前期(0～14 d),山蒼子油和山蒼子油微膠囊抑菌成分的加入,能有效抑制大米脂肪酸值和總酸值的快速上升(P<0.05),從而起到延緩大米陳化的目的。