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玉米淀粉基花椒精油复合膜的理化性质及抗菌活性研究

关键词：玉米淀粉基薄膜 花椒精油 机械性能 生物降解膜 抗菌活性

摘要：

采用流延法制备了玉米淀粉基薄膜，并加入不同浓度的花椒精油（ZYO）对薄膜的形态、光学、力学和阻隔性能进行了研究。此外，通过原子力显微镜进行结构分析，并评估其对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌的抗菌活性。结果表明，与无油薄膜相比，ZYO薄膜的断裂伸长率显著提高（Plt;0.05），而拉伸强度、水分含量、水溶性和水蒸气透过率显著降低（Plt;0.05）。此外，ZYO的加入增加了薄膜的不透明度，降低了光泽度。ZYO的加入增加了薄膜的表面粗糙度和抗菌活性。总之，ZYO可以潜在地用于食品包装，特别是用于防止光照和易被微生物破坏的食品。

1、介绍

随着环保意识的增强和近年来化学石油燃料的枯竭，消费者思想和行为的改变逐渐发展为对环保包装和产品需求的增长（Benhamou、Dufresne、Magnin、Mortha和Kaddami，2014；Dai、Qiu、Xiong和Sun，2015；Kakaei和Shahbazi，2016）。可食性和生物可降解淀粉膜已成为近年来研究的热点。它被认为是一种致力于保护或改善自然环境的替代产品，可以取代传统塑料。淀粉基生物降解材料具有可再生、可生物降解、可利用性强、价格低廉等优点。以玉米、马铃薯、小麦和大米等不同植物来源的淀粉为基础的可食用薄膜广泛应用于食品工业（Vieira、da Silva、dos Santos和Beppu，2011）。其中，玉米淀粉不仅占世界淀粉市场产量的80%，而且是食品制备中最重要的成分（Thakur et al.，2019）。生产玉米淀粉的方法包括将玉米浸泡在浓度为0.3%的硫酸水溶液中，然后粉碎、筛分、沉淀、干燥和细磨。而普通淀粉制品含有少量脂肪和蛋白质，吸湿性高达30%（姜、段、朱、刘和于，2020）。

淀粉作为可再生的原材料，在人们的日常生活中起着重要的作用。然而，与其他传统合成聚合物相比，天然淀粉具有一系列固有的缺点，包括高亲水性和弱机械性能，这不幸地限制了其在应用领域的性能（Averousamp;Boquillon，2004）。目前，淀粉可以通过各种物理或化学方法进行改性，以达到理想的特性。最常用的方法之一是使用外部塑化剂。增塑剂是低挥发性物质，除了分子量不同外，还具有高沸点。低分子量和少量极性基团的增塑剂通常被定义为石油基增塑剂，而高分子量的增塑剂则被分类为生物基增塑剂。低分子量增塑剂添加剂与高分子链的键合可以削弱分子间作用力，增加结晶聚合物的链间距，提高聚合物的塑性，降低聚合物的加工温度。使用最广泛的增塑剂，包括甘油、山梨醇、酯类等；其中甘油（GC）是常用的无毒增塑剂。甘油（GC）是一种无色、无味、有甜味的粘稠液体。

由于化学制剂对身体的潜在有害影响，客户倾向于使用天然产品（Aminzare、Hashemi、Hassanzadazar、Amiri和Abbasi，2017），例如花椒，它是芸香科的开花植物。全世界约有250种该属植物；中国约有45种，其中大部分生长在南部省份，尤其是四川西南部（Lu et al.，2020；Prakash，Singh，Mishra，amp;Dubey，2012）。成熟的果皮富含精油。精油是植物衍生的次级代谢产物，是通过水蒸气蒸馏提取的芳香低分子量挥发性液体（Asbahani et al.，2015）。每公斤花椒精油相当于60-100公斤花椒原料（Prakash et al.，2012）。它可以直接使用或稀释以产生草药的独特香气（Ji，Li，amp;Ho，2019）。花椒籽油具有温胃、散寒、除湿、止痛、解毒、止痒的作用（Ji等，2019）。ZYO作为一种潜在的抗菌添加剂引起了人们的极大兴趣，通常被认为是安全的（Amizare、Tajik、Aliakbarlu、Hashemi和Raeisi，2018）。因此，它们被广泛用作生物防腐剂和食用香料。ZYO的主要成分包括烯烃、醇类、酮类和酯类化合物（Ji等，2019年）。

精油，包括ZYO，因其具有抗菌活性而广为人知。在这种情况下，研究发现，玉米淀粉膜与Zataria multiflora和Bonium persicum精油混合后，可有效抑制香肠中微生物的生长（Amizare、Amiri、Abbasi、Hassanzadazar和Hashemi，2017）。由于一些精油价格昂贵，在玉米淀粉基薄膜中加入ZYO可以降低生产成本。香精油作为生物降解膜成分的抗菌活性已被广泛研究（de Souza，Dos Santos，da Silva Torin，amp;Dos Santos Rosa，2020；do Evangelho et al.，2019；Shojaee Aliabadi et al.，2013）；然而，文献中很少涉及其对合成膜性能的影响。因此，需要更多的研究来探索每种精油的潜在影响。迄今为止，ZYO在可食性薄膜中的抗菌活性尚不清楚。ZYO作为添加剂可以改善淀粉膜的力学性能和加工性能。因此，本研究旨在：（1）开发一种以玉米淀粉和ZYO为原料的抗菌膜。（2） 评价玉米淀粉膜的物理、力学、阻隔、光学和形态特性。（3） 考察了不同浓度ZYO的加入对薄膜抗菌活性的影响。

2、原料和方法

2.1原料

玉米淀粉由中粮公司（中国北京）提供。甘油和吐温80购自天津凯通试剂公司（中国天津）。ZYO、Mueller-Hinton琼脂（MHA）和Mueller-Hinton肉汤（MHB）从上海源业生物科技有限公司（中国上海）收购。冻干菌株金黄色葡萄球菌（ATCC 6538）、大肠杆菌（ATCC 25923）和单核细胞增生李斯特菌（ATCC 19115）由山东省科学院齐鲁工业大学食品科学与工程学院提供。细菌的原始培养物在30℃的MHB中培养24小时，等待使用。

2.2 薄膜的制备

在此，玉米淀粉基薄膜是根据其他人描述的方法制备的（Ghasemlou et al.，2013；Zhou，Ye，He，Wang，amp;Jin，2020）。首先将6g玉米淀粉溶解于100ml蒸馏水中，然后用磁力搅拌器（800rpm）将玉米淀粉在90℃完全糊化30min（中国郑州科泰公司B101S）。然后加入25%甘油（淀粉基）、0%、0.5%、1%和2%（v/v）ZYO和1%吐温80（v/v）与90℃糊化液混合（ZYO浓度超过2%时发生相分离）。用均化器以20000转/分的速度连续分散10分钟，然后将薄膜溶液倒在专用聚四氟乙烯（PTFF，天津凯通试剂公司，天津，中国）模具（15厘米times;25厘米）上，在30℃烘箱中干燥48小时，最终的薄膜很容易从聚四氟乙烯模塑中剥离出来，然后在25℃和60%相对湿度下储存48小时，等待进一步的研究。

2.3 厚度测量

用手持式数字千分尺（Mitutoyo No.293-240-30，日本东京）测量薄膜厚度，精度为0.0001 mm（Ghasemlou等人，2013）。平均厚度（取自每个样品上10个随机位置）用于测定可食用膜的渗透性和机械性能。

2.4 含水量（MC）

根据Morales、Candal、Fama、Goyanes和Rubiolo（2015）提出的重量法，测定了薄膜的水分含量（MC）。样品在60%RH下平衡48h后，首先称取0.5g淀粉膜（M1）并置于110℃烘箱中24h，然后再次称取（M2）。此后，可使用以下方程式计算含水量：

结果表示为从不同胶片上取3个采样单位的平均值。

2.5 水溶性

根据Shojaee-Aliabadi等人（2013）描述的方法测量薄膜在水中的溶解度，并进行了细微修改。使用分析天平（plusmn;0.0001g，赞威公司，中国上海）在烧杯中精确称量方形样品（4cm2），以确定其初始质量（M3）。随后，向样品中添加100 mL蒸馏水，然后在25℃下以180 rpm搅拌速度旋转6 h。接下来，过滤溶液并在110℃的干燥柜中干燥7 h（最终干燥质量=M4）。膜溶解度通过以下方程式确定：

结果表示为从不同胶片上采集的3个采样单元的平均值。

2.6 水蒸气渗透性（WVP）

PERMEtrade; 采用W3/030型水蒸气透过率测定仪（中国济南Lab-think仪器有限公司）测定了玉米淀粉基薄膜的水蒸气透过率。首先，将样品切割成一个面积为33 cm2的圆。接下来，在38℃和90%相对湿度的条件下保持12小时。然后，计算三个重复样品中玉米淀粉基薄膜的WVP平均值（Yan、Hou、Guo和Dong，2012）。

2.7 薄膜颜色测量

本文利用ADCI-60-C色度计对玉米淀粉基薄膜的颜色参数（L*、a*、b*、C和h）进行了测定。实验工作按照Ghasemlou等人（2013）的要求进行，使用开口为14 mm、标准观察角为10°的D65光源。使用标准白板（L0*=91.69，a0*=8.30，b0*=4.32）校准色度计。通过在色度计的观察孔上拉伸薄膜样品来进行颜色测量，每个样品至少随机选择三个点来估计平均值。以下公式用于计算玉米淀粉基薄膜的Delta;E，以估计样品之间的色差：

其中：L*、a*和b*是用作胶片背景的白色标准（L0*=91.69、a0*=8.30、b0*=4.32）的颜色参数。

2.8 机械性能

机械性能参考Sun、Liu、Ji、Hou和Dong（2017）进行测定，并进行了轻微修改。首先，将薄膜样品切割成100mmtimes;15mm，然后使用自动拉伸试验机（Param-Xlw，中国济南）测定拉伸强度。将十字头的速度设置为50 mm/min。每个受试胶片至少进行6次重复。在自动拉伸试验机上测得断裂伸长率（EAB，%）和拉伸强度（TS，MPa）。

2.9 薄膜的微生物活性

采用纸片扩散法验证了玉米淀粉基薄膜的抗菌活性。首先，在无菌条件下将玉米淀粉基薄膜切割成直径6mm的圆盘。接下来，将其放置在之前接种有100mu;L过夜肉汤培养物的培养皿上，其中含有约108 CFU/mL（0.5 McFarland）的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌。每个平板上有四个圆盘，其中一个用于对照ZOO游离膜（0%），而另外三个包含三个每个浓度的复制（0.5%、1%和2%）。氯霉素用作阳性对照（Aminzare，Hashemi等人，2017）。培养皿在37℃下培养24小时（do Evangelho等人，2019年）。孵育后，用数字卡尺（日本东京，Mitutoyo No.192-30）测量整个生长区面积，然后从膜盘面积中减去。测量面积差异并记录为抑制区直径（Seydim和Sarikus，2006）。

2.10 气相色谱-质谱条件

衍生条件：准确称取ZYO样品（0.05g）于25mL烧瓶中，加入8mL，0.1mol/L甲醇氢化钾溶液。搅拌溶液，75℃皂化20min，加入2ml正己烷，冷却10min，吸取上清液进行分析。气相色谱-质谱（GC/MS）（7890A）

表1

不同浓度花椒精油（ZYO）对玉米淀粉基薄膜物理性能的影响。

同一列中的不同上标字母表明显著差异（Plt;0.05）.a数据表示为平均值plusmn;标准差。

采用HP-5ms毛细管柱（30mtimes;0.25mmtimes;0.25mu;m）对ZYO衍生物中的多种生物活性化合物进行了鉴定。入口温度最初设定为50°C/min，以10°C/min的速度升至150°C，保持5 min，然后以10°C/min的速度升至280°C，并保持10 min。使用超纯氦作为载气，流速为1.0 mL/min。使用1mu;L的进样量。质谱检测采用电离能为70ev的电子电离模式，质量范围为m/z 30～400个单位。传输线、离子源和探测器温度分别保持在250、200和150℃。目标化合物通过参考文献库（美国马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所NIST图书馆）中的匹配光谱进行鉴定。

2.11 原子力显微镜

在测试之前，样品在50%RH和25℃下预处理48小时。AFM（多模式8）采用点击式扫描，扫描尺寸为5mu;mtimes;5mu;m和10mu;mtimes;10mu;m，垂直范围为6mu;m。测量了玉米淀粉基薄膜表面的几个区域（50mu;mtimes;50mu;m）（Atarrsquo;es、De Jesuacute;s、Talens、，amp;希拉特，2010年）。此外，还计算了以下两个与样品粗糙度相关的参数：平均粗糙度（Ra：平均表面高度偏差绝对值的平均值）和均方根粗糙度（Rq：从平均数据平面高度偏差均方根平均值获得）（Ghasemlou等人，2013）。

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