包装材料是保护产品免受物理损伤、环境污染和其他外部因素影响的有效屏障,在保质期内保持产品的质量和安全性。传统的石油基塑料包装材料不可降解,对环境威胁巨大。近年来,基于生物聚合物和天然活性物质的可降解食品包装薄膜,越来越受到关注[1]。
细菌纤维素(bacterial cellulose,BC)是一种由好氧细菌产生的胞外多糖,发酵菌种包括醋酸菌属(Acetobacter)、根瘤菌属(Rhizobium)、土壤杆菌属(Agrobacterium)和八叠球菌属(Sarcina)等。其中,木醋杆菌因具有较高的BC产量和纯度,对其研究应用最为广泛。BC是由大量的D-葡萄糖单体经β-1,4糖苷键连接成相互平行的直链多糖,再经过自组装形成的具有高聚合度和显著拉伸性能的三维网状结构。因其具有高安全性、低成本、高柔韧性、适应性、亲水性、透明性、生物相容性和生物可降解性等优异的物理化学性质,在食品包装材料的研究中获得了广泛关注。同时,由于BC的高孔隙率和高比表面积,使得BC成为与抗菌剂等其他活性化合物进行物理相互作用的合适材料[2]。例如,ZAHAN等[3]开发出一种新型可降解抗菌包装材料,将月桂酸加入到BC中,可使BC对枯草芽孢杆菌的生长产生抑制作用,且被掩埋在土壤中的第7天即可完全降解。
柠檬(Citrus limon)的果皮是柠檬在食用或被加工利用后的副产物,约占鲜果质量的50%,通常作为动物饲料出售,或被当做废弃物处理,造成了严重的环境污染和经济损失。研究表明,柠檬皮富含多酚类、黄酮类、类胡萝卜素、抗坏血酸和膳食纤维等物质,具有抗氧化、抑菌、降血糖和降血脂等功效[4]。近年来,部分研究者将柠檬皮及其活性成分引入薄膜制备中,以改变薄膜的物化特性,从而增加其抗氧化性和抗菌活性,以应用于食品保鲜领域。YUN等[5]研究发现,通过直接添加粉末形式的柠檬皮来开发包装膜材料,被认为是更安全方便和经济的做法[5]。例如,TERZIOLU等[6]利用8%聚乙烯醇、2%玉米淀粉、1%柠檬酸、2%甘油、0.05%吐温-80、0.1%～0.8%柠檬皮粉末制备得到的生物复合膜,具有较好的抗拉强度、断裂伸长率及抗氧化活性[7]。
聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)是食品包装行业中使用最多的可生物降解的高分子材料之一,具有优异的成膜性能、耐油、耐有机溶剂性能、生物相容性以及O2阻透性[8]。同时,由于PVA具有高度的极性和可水溶性,使其便于与天然聚合物共混,以改善其较弱的机械性能和水敏性。例如,利用PVA与淀粉、柠檬皮共混后,显示出优异的相容性和生物降解性[6]。纤维素材料大麦壳可改善PVA/淀粉基质的机械性能,提高其生物降解率[9]。
因此本研究首先利用木糖驹形氏杆菌(Taonella mepensis)发酵制备BC,然后将其与柠檬皮(lemon peel, LP)、PVA以不同比例混合后制备成为LP/PVA/BC生物复合膜。采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和傅立叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectrum,FTIR)分析该复合膜的结构特点,然后进一步分析该复合膜的物化特性(热稳定性、厚度、密度、溶胀性、溶解度和孔隙率)、机械性能(抗拉强度和断裂伸长率)以及对沙门氏菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌及金黄葡萄球菌的抑菌活性,以评估其作为食品包装材料的潜在适用性,为其在食品包装领域的应用提供理论依据。
1 材料与制备
1.1 材料与试剂
木糖驹形氏杆菌,由浙江省农产品化学与生物加工技术重点实验室于红茶菌中筛选所得[10]。琼脂、葡萄糖、NaOH、MgSO4、K2HPO4,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;无水乙醇、聚乙烯醇(分子质量1 750±50),上海凌峰化学试剂有限公司;酵母浸粉,北京奥博星生物技术有限责任公司;甘油(99%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;过硫酸铵(98.5%),上海麦克林生化科技股份有限公式;柠檬,海南省三亚市香果园基地;大肠杆菌(Escherichia coli)CMCC 44102、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)CMCC 63501、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)CMCC 26001,北京百欧博伟生物技术有限公司;沙门氏菌(Salmonella)ATCC 13311,上海宝藏生物技术中心。
1.2 仪器与设备
GZX-9140MBE电热鼓风干燥箱、YXQ-LS-75SII立式压力蒸汽灭菌器,上海博讯实业有限公司;Allegra X-12R冷冻离心机,美国贝克曼库尔特有限公司;WH-5000型电子拉力试验机,宁波伟恒检测仪器有限公司;EM-1011型SEM,日本电子公司;D8 Advance XRD,日本Shimadzu公司;Vertex70 FTIR,德国BRUKER公司;STA 449 F3热重分析仪,德国NETZSCH公司;SW-CJ超净工作台,无锡易纯净化设备有限公司;TS600DC立式双层摇床,上海天呈实验仪器制造有限公司;LRH-150恒温恒湿培养箱,上海一恒科学仪器有限公司。
1.3 实验制备
1.3.1 培养基的配制
发酵液体培养基:葡萄糖2 g,酵母浸粉1 g,MgSO4 1 g,K2HPO4 0.1 g,无水乙醇3 mL,去离子水100 mL。
种子培养基:葡萄糖1 g,酵母浸粉1 g,无水乙醇3 mL,去离子水100 mL,pH 6.0。
以上培养基均121 ℃灭菌15 min;无水乙醇均在各培养基灭菌后,无菌条件下添加。
1.3.2 BC的制备
将体积分数为6%的接种量接入发酵培养基中,充分混匀。随后,将接种后的培养基均匀倒入大培养皿中,30 ℃恒温静置培养10 d得到膜状的BC。将BC膜从培养皿中取出,用大量去离子水反复清洗,以去除表面残留的培养基。然后将BC膜置于0.1 mol/L NaOH溶液中,100 ℃水浴1 h,以进一步除去残余的培养基和残留菌体。接着,用去离子水反复洗涤或浸泡BC膜至pH值为中性,得到白色透明状BC膜。最后,将BC膜置于去离子水中4 ℃保存,备后续实验使用。
1.3.3 BC粉末的制备
将BC膜置于105 ℃烘箱中烘干至恒重,过粉碎机粉碎,再将BC干燥粉末以料液比1∶150(g∶mL)与1 mol/L过硫酸铵溶液放入锥形瓶中混合均匀,在70 ℃水浴中搅拌反应8 h。随后冷却溶液并加入适量的蒸馏水终止反应,获得白色悬浮液。将悬浮液在8 000 r/min下离心15 min后去除上清液,用蒸馏水重复冲洗该沉淀3次后,将所得BC于4 ℃保存备用。
1.3.4 柠檬皮粉末的制备
用清水洗净柠檬表面后,剥取柠檬皮置于60 ℃电热鼓风干燥箱中干燥72 h。用研磨机将干燥好的柠檬皮研磨粉碎,300目筛网过筛,得到柠檬皮粉末。
1.3.5 柠檬皮/聚乙烯醇/细菌纤维素复合膜的制备
将4 g PVA和50 mL蒸馏水加入锥形瓶中,95 ℃条件下搅拌2 h后,边搅拌边逐渐加入0.5 g柠檬皮粉末,继续搅拌30 min,得到含1%(质量分数)柠檬皮的PVA悬浮液。在该悬液中加入0.15%(体积分数)的甘油作为增塑剂,以提高复合膜的柔韧性。随后,分别添加终浓度为2.4%、4.8%、7.2%(质量分数)的BC至悬浮液中,在90 ℃条件下搅拌1 h。用高速分散器在30 000 r/min转速下分散2 min,以确保得到稳定的混合液。将该混合液超声波2 h除去气泡后倒入直径为90 mm的培养皿中,放置于60 ℃烘箱内干燥1 h,得到LP/PVA/BC复合膜。根据BC添加量的不同,将复合膜分别记为A-0% BC复合膜、B-2.4% BC复合膜、C-4.8% BC复合膜、D-7.2% BC复合膜。
1.4 LP/PVA/BC复合膜的结构特性表征
1.4.1 SEM
通过SEM测定表面形态。取适量干燥的LP/PVA/BC复合膜样品放置于导电胶上,利用真空镀膜机在样品表面喷金,在5 kV电压下观察其表面形态特征并拍照。
1.4.2 XRD
通过XRD测定样品的衍射图谱。取适量干燥的LP/PVA/BC复合膜样品将其研磨后于样品板上按压均匀制片,扫描范围2θ为0°～50°,Cu靶,40 kV高压,管流为40 mA,得到X-射线衍射光谱图。
1.4.3 FTIR
采用FTIR对LP/PVA/BC复合膜的化学结构进行表征。将干燥的复合膜粉末与KBr粉末混合后一起研磨,压片。扫描范围为4 000～500 cm-1波长,扫描次数为16,分辨率为4 cm-1。
1.4.4 热重分析
采用同步热分析仪对LP/PVA/BC复合膜的热稳定性与热失重率进行测试。在流速为30 mL/min的N2气氛保护下,升温速率为10 ℃/min,测试温度为60～700 ℃,称取10 mg左右的复合膜试样置于坩埚内进行热重测试。
1.5 LP/PVA/BC复合膜的物理性能测定
1.5.1 厚度与密度
利用数显测厚仪测量LP/PVA/BC复合膜样品的厚度。首先将复合膜样品裁剪成2 cm×2 cm的大小,取任意5个点进行测量,取平均值。然后通过称取样品膜的重量,计算出复合膜的密度。复合膜密度的计算如公式(1)所示:
(1)
式中:ρ,复合膜密度,g/cm3;m,复合膜样品的质量,g;d,样品膜的厚度,cm。
1.5.2 溶胀度
溶胀度是衡量溶胀时体积变化的量度,可用溶胀度表示复合膜的溶胀性。首先将LP/PVA/BC复合膜样品裁剪成2 cm×2 cm的大小,将完全干燥的复合膜浸泡在蒸馏水中12 h至饱和。然后将其取出并用滤纸擦拭表面多余的水分后称重。每种复合膜做3个平行样,结果取平均值。复合膜溶胀度的计算如公式(2)所示:
溶胀度
(2)
式中:W1,复合膜完全干燥的质量,g;W2,复合膜在蒸馏水中溶胀后的质量,g。
1.5.3 溶解性
溶解性指材料中可溶物质的质量与材料总质量之比,可利用溶解度表示LP/PVA/BC复合膜的溶解性。首先将复合膜样品裁剪成2 cm×2 cm的大小,将完全干燥的复合膜样品浸泡在蒸馏水中12 h,将饱和的样品取出并再次放置烘箱内完全干燥,取出称重。每种复合膜做3个平行样,结果取平均值。复合膜溶解度的计算如公式(3)所示:
溶解度
(3)
式中:W1,复合膜完全干燥的质量,g;W3,复合膜溶解后再次干燥的质量,g。
1.5.4 孔隙率
采用介质饱和的方法测复合膜的孔隙率。首先将LP/PVA/BC复合膜样品裁剪成2×2 cm的大小,将其浸泡在无水乙醇中过夜,至复合膜吸附饱和。然后用滤纸擦拭复合膜表面的无水乙醇后称重。再将复合膜放置烘箱内完全烘干,取出称重。每种复合膜做3个平行样,结果取平均值。复合膜孔隙率的计算如公式(4)所示:
(4)
式中:ε,复合膜孔隙率,%;W4,复合膜在无水乙醇中浸泡后的质量,g;W5,复合膜再次烘干的质量,g;d,复合膜的厚度,cm;ρ,无水乙醇的密度,g/cm3。
1.6 LP/PVA/BC复合膜的机械性能测定
利用电子拉力试验机测量LP/PVA/BC复合膜的机械性能,其中包括拉伸强度和断裂伸长率。将复合膜样品裁剪为2×7 cm的长方形,竖直固定在上下两个夹子中间。根据GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的测定》规定,设定上下夹距为50 mm,拉伸速率为50 mm/min。每种浓度的样品膜重复测量5次,结果取平均值。
1.7 LP/PVA/BC复合膜的抗菌活性测定
分别取106 CFU/mL的大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌菌悬液200 μL加至3 mL培养基中,裁剪称取4.8% BC复合膜50 mg并经紫外灭菌2 h后置于菌悬液中,添加同样菌量但无复合膜的培养基作为对照组,同时为去除复合膜浸出颜色的干扰,将复合膜添加在培养基中并在实验结束时检测其OD值。将所有试管于150 r/min、37 ℃摇床培养,在24 h后取100 μL各样品组液体在波长为600 nm处测定OD值以得到菌液浓度并计算抑菌率。抑菌率的计算如公式(5)所示:
抑菌率
(5)
式中:A,对照组;B,仅添加复合膜的实验组;C,添加复合膜和菌液的实验组。
1.8 数据分析
试验数据均以平均值±标准差表示,试验结果采用SPSS 26.0软件对实验数据进行分析处理,显著性水平设为0.05,运用Origin 2022软件作图。
2 结果与分析
2.1 LP/PVA/BC复合膜的结构特性
2.1.1 SEM分析
由图1-a、图1-e可知,未添加BC的复合膜表面及内部均较致密且光滑平整。而随着BC的添加,复合膜的表面变得粗糙,覆盖在膜表面的物质增多,颗粒感愈加明显。4.8% BC复合膜表面(图1-c)相对2.4% BC复合膜(图1-b)和7.2% BC复合膜(图1-d)更加致密且无裂痕。4.8% BC复合膜(图1-g)附着在膜表面的颗粒物质比2.4% BC复合膜(图1-f)明显增多,且内部结构更加紧密、均匀,说明LP、PVA都渗透到BC基质中,没有发现不规则结构(如泡、孔或缝隙),表明PVA与BC之间存在相互作用和相容性[11]。图1-d中的7.2% BC复合膜表面可见大量约5 μm的微孔,可能是孔隙率增大的原因之一。
a-0% BC复合膜(500×);b-2.4% BC复合膜(500×);c-4.8% BC复合膜(500×);d-7.2% BC复合膜(500×)e-0% BC复合膜(2 500×);f-2.4% BC复合膜(2 500×);g-4.8% BC复合膜(2 500×);h-7.2% BC复合膜(2 500×)
图1 不同BC含量的LP/PVA/BC复合膜SEM图
Fig.1 SEM images of LP/PVA/BC composite membrane with different BC contents
2.1.2 XRD分析
如图2所示,所有复合膜在2θ=19.6°时均出现了较强的衍射峰,这主要归因于PVA这种半结晶聚合物的(101)晶面。与MATHEW等[8]研究的结果一致,2θ=19.6°处看到的衍射峰归因于聚乙烯醇的(101)晶面。LI等[12]研究发现,纯BC在2θ=14.54°、16.92°、22.72°处会呈现出特征峰,分别与101、111和200平面的衍射相关。通过对比发现复合膜添加BC后,其XRD图上均出现来自BC的特征衍射峰(2θ值为22.72°),对应(200)晶面[13]。而BC添加后并没有出现所有特征峰,可能是因复合膜中基质的成分较复杂,杂峰较多,不容易凸显[14]。且BC的特征衍射峰的位置几乎没有发生偏移,与200平面的衍射有关[12]。这表明柠檬皮和PVA的加入,没有影响BC的晶型。
图2 不同BC含量的LP/PVA/BC复合膜XRD图谱
Fig.2 XRD patterns of LP/PVA/BC composite membrane with different BC contents
2.1.3 FTIR分析
如图3所示,在3 423 cm-1处观察到峰型较宽的吸收峰,归属于O—H基团的伸缩振动吸收峰,在2 923 cm-1处的峰是由—CH2—和—CH3的不对称和对称伸缩振动引起的[15]。1 631 cm-1范围的吸收峰是C
O基团的吸收峰,与对照组(0% BC)相比,随着BC浓度的增加,薄膜在该范围内的峰值移动到较低的波数,可能是因为BC与柠檬皮基质的聚合物之间形成了氢键,分子中含有的大量—OH高度缔合,且氢键较强,从而造成了峰值向较低波数移动。1 043 cm-1处的吸收峰为BC的特征吸收峰,是由C—O键伸缩振动而引起的[16]。样品中显著的化学官能团有—OH、—CH2—、—CH3、CO、C—O等。添加不同浓度BC的复合膜均呈现相似的特征吸收峰,没有其他新的吸收峰出现,这表明BC、PVA与柠檬皮基质中的聚合物之间没有形成新的化学键。
图3 不同BC含量的LP/PVA/BC复合膜FTIR分析
Fig.3 FTIR analysis of LP/PVA/BC composite membrane with different BC contents
2.1.4 热重分析
如图4所示,在60 ℃至200 ℃的温度范围内,各样品的质量损失基本无差别,复合膜的重量损失主要是由于水分的损失。在200 ℃至450 ℃的温度范围内,4个复合膜的质量有明显的下降,发生了约50%的质量损失,并在300～600 ℃时,未添加BC的复合膜的质量一直低于添加BC的复合膜质量,稳定性较差,可见,BC的加入可提高复合膜的热稳定性,以上可看出添加不同浓度的BC都显示出更低的质量损失率,表明热稳定性增强。这与付靖超[17]的研究结果相似,BC的添加可提高可得然多糖/细菌纤维素/肉桂精油复合膜的热稳定性。GEORGE等[18]和AMBROSIO-MART
N等[19]的研究表明,将BC作为热塑性玉米淀粉膜和PVA膜等的增强材料,与纯PVA的对照膜相比,BC可提高PVA膜的热稳定性、拉伸强度和弹性模量。
图4 不同BC含量的LP/PVA/BC复合膜的热重分析曲线
Fig.4 Thermogravimetric analysis curves of LP/PVA/BC composite membrane with different BC contents
2.2 LP/PVA/BC复合膜的物理性质分析
2.2.1 厚度与密度
由表1可知,添加BC后复合膜平均厚度在0.212～0.272 mm之间,密度为2.234～2.880 g/cm3。随着BC含量的增加,复合膜的厚度逐渐增加,同时,复合膜的密度也比未添加BC时有显著的提高,可能是由于BC与PVA使复合膜结构紧密,导致复合膜的水分含量减小、密度变大。
表1 不同BC含量的LP/PVA/BC复合膜的厚度和密度
Table 1 Thickness and density of LP/PVA/BC composite membrane with different BC contents
复合膜厚度/mm密度/(g/cm3)A0.075±0.004 61.702±0.101 6B0.212±0.020 42.880±0.264 9C0.232±0.028 22.722±0.354 0D0.272±0.024 22.234±0.191 2
2.2.2 溶胀性
溶胀度是指材料在水分充分饱和时的持水能力。如图5所示,添加BC的复合膜比未加BC的复合膜的溶胀性要低。添加BC的复合膜溶胀率均降至50%左右,可能是由于添加BC后使复合膜的内部致密性增强,更加紧密,从而导致复合膜的厚度和密度增加,因此添加BC在一定程度上降低了膜的溶胀性。这种弱膨胀能力对于食品包装材料来说是有利的,对于微生物在其表面的生长情况也有一定的削弱作用[14]。其中,4.8% BC复合膜显示出了最低的溶胀率为47.91%。
图5 不同BC含量的LP/PVA/BC复合膜溶胀度
Fig.5 Swelling degree of LP/PVA/BC composite membrane with different BC contents
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2.3 溶解度
溶解度是指在一定温度下,材料在水里达到饱和状态时所溶解的质量。保鲜材料需要具有较好的耐水性和较低的溶解性。如图6所示,随着BC含量的增加,复合膜的溶解性逐渐降低,其中4.8% BC复合膜的溶解性降低至26.98%,这可能与其具有致密的表面结构从而阻碍了大部分水分子的攻击有关。但当BC添加量为7.2%时,复合膜的溶解性又再度增加。结合SEM结果可知,7.2% BC复合膜的溶解性增加可能与其表面具有大量微孔,增加了复合膜与水的接触面,进而导致更多物质溶解到水中有关。
图6 不同BC含量的LP/PVA/BC复合膜溶解度
Fig.6 Solubility of LP/PVA/BC composite membrane with different BC contents
2.2.4 孔隙率
孔隙率是指材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比。孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度,孔隙率高的材料,表示密实程度小,利于气体的通过和物质的传输。如图7所示,随着BC的添加,孔隙率呈上升趋势,2.4% BC复合膜孔隙率为0.75%,4.8% BC复合膜升至0.93%,而7.2% BC复合膜升高至3.17%,该趋势与复合膜的密度测定结果具有一致性,即密度越小,孔隙率越大。另一方面,SEM观察得到的7.2% BC复合膜表面的微孔结构也进一步支持了孔隙率的测定结果。由此说明,BC含量过高可能导致复合膜的密实程度降低,使水分子更易进入孔隙中,造成膜稳定性降低。
图7 不同BC含量的LP/PVA/BC复合膜孔隙率
Fig.7 The porosity of LP/PVA/BC composite membrane with different BC contents
2.3 机械性能
2.3.1 抗拉强度
保鲜材料需要较好的拉伸强度,才能拥有更好的物理保护功能。通过拉力试验机对复合膜抗拉强度进行分析,结果如图8所示。
图8 不同BC含量的LP/PVA/BC复合膜抗拉强度
Fig.8 Tensile strength of LP/PVA/BC composite membrane with different BC contents
BC的添加提高了复合膜的抗拉强度,复合膜变得更加耐用和抗拉伸。拉伸强度的提高有可能是因为BC与柠檬皮基质中的成分之间发生氢键的相互作用,同时也有可能是因为PVA分子链上—OH可以和BC上的—OH形成大量的氢键,从而使BC与BC分子间的作用力增强,提高了复合膜的力学强度。ZAHAN等[20]也证实用BC替代纳米纤维素,将其添加到纯蛋白质涂膜中,使得涂层材料不仅增强了机械性能还降低了透水透氧性,拥有了良好的柔韧性而不易折断,同时还能保持水果的新鲜度水平。此外,如图可知2.4% BC复合膜的抗拉强度最高达到111.03 MPa,但随着添加的BC增多,7.2% BC复合膜降至50.77 MPa。推测这是由于柠檬皮基质与BC之间的化学基团相互作用,导致复合膜内部结构遭到破坏,从而使其抗拉强度有所降低。
2.3.2 断裂伸长率
断裂伸长率可以判断材料是脆性还是韧性。材料断裂伸长率越大说明其柔韧性越好,反之说明其刚性越高。如图9所示。2.4% BC复合膜和4.8% BC复合膜断裂伸长率在74.89%左右,差距不大,随着BC增加,7.2% BC复合膜的断裂伸长率增加到86.35%。这说明BC的添加,增强了复合膜的断裂伸长率,柔韧性也更好。
图9 不同BC含量的LP/PVA/BC复合膜的断裂伸长率
Fig.9 Elongation at break of LP/PVA/BC composite membrane with different BC contents
2.4 抑菌活性分析
选择物化性能和机械性能较优的4.8% BC复合膜进行抗菌活性检测。如图10所示,该复合膜对沙门氏菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的活性均有抑制作用,抑制率分别为35.93%、48.98%、62.12%和94.93%。其中,复合膜对金黄葡萄球菌具有较优的抑菌效果,这与MEYDANJU等[21]制备的柠檬皮/黄原胶/TiO2-Ag纳米颗粒/甘油复合膜的结果类似,复合膜具有了抗氧化及抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的功效。由于PVA与BC本身不具备抗菌性[22-23],这表明4.8% BC复合膜中的柠檬皮赋予了复合膜较强的抑菌性能。据报道,柠檬皮中的柠檬苦素对常见的真菌、霉菌、酵母菌都有一定抑制效果[24],因此推测复合膜主要通过柠檬皮中的柠檬苦素起到的抑菌作用。
图10 4.8%BC复合膜对不同菌种的抑菌率
Fig.10 Antibacterial rate of 4.8%BC composite membrane to different strains
3 结论
本实验以LP、BC、PVA为原料,制备了一种新型的纯天然功能性复合膜。重点探究了BC添加量的变化对复合膜的微观结构、物化性能、机械性能和抑菌活性的影响。研究结果表明,复合膜密度因BC的添加而增大,内部结构更加致密。其中4.8% BC复合膜的机械性能有显著的提高,同时也提升了膜的热稳定性,使复合膜的性能更加稳定。抑菌实验表明,添加的柠檬皮赋予了复合膜抑菌的功效,其中对金黄色葡萄球菌表现出较强的抑制效果,抑菌率达到94.93%。本试验制备的LP/PVA/BC复合材料具有较好的物化特性、机械性能、可降解性和抑菌效果,可尝试采用该复合材料对不同类型食品进行包装,评价其保鲜效果,为该复合材料在食品包装领域的应用提供参考价值。
[1] 杨佳宇. 蛋壳粉基生物降解食品包装膜研究[D].武汉:华中农业大学, 2022.YANG J Y.Study on biodegradable food packaging film based on eggshell powder[D].Wuhan:Huazhong Agricultural University, 2022.
[2] SHAH N, UL-ISLAM M, KHATTAK W A, et al.Overview of bacterial cellulose composites:A multipurpose advanced material[J].Carbohydrate Polymers, 2013, 98(2):1585-1598.
[3] ZAHAN K A, AZIZUL N M, MUSTAPHA M, et al.Application of bacterial cellulose film as a biodegradable and antimicrobial packaging material[J].Materials Today:Proceedings, 2020, 31:83-88.
[4] SHARMA K, MAHATO N, CHO M H, et al.Converting citrus wastes into value-added products:Economic and environmently friendly approaches[J].Nutrition, 2017, 34:29-46.
[5] YUN D W, LIU J.Recent advances on the development of food packaging films based on citrus processing wastes:A review[J].Journal of Agriculture and Food Research, 2022, 9:100316.
[6] TERZIOLU P, PARIN F N.Polyvinyl alcohol-corn starch-lemon peel biocomposite films as potential food packaging[J].Celal Bayar Niversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 2020, 16(4):373-378.
[7] KUMAR P, TANWAR R, GUPTA V, et al.Pineapple peel extract incorporated poly(vinyl alcohol)-corn starch film for active food packaging:Preparation, characterization and antioxidant activity[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 187:223-231.
[8] MATHEW S, JAYAKUMAR A, KUMAR V P, et al.One-step synthesis of eco-friendly boiled rice starch blended polyvinyl alcohol bionanocomposite films decorated with in situ generated silver nanoparticles for food packaging purpose[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2019, 139:475-485.
[9] MITTAL A, GARG S, BAJPAI S.Fabrication and characteristics of poly (vinyl alcohol)-starch-cellulosic material based biodegradable composite film for packaging application[J].Materials Today:Proceedings, 2020, 21:1577-1582.[10] 余瞻, 赵福权, 徐成龙, 等.红茶菌中细菌纤维素产生菌的筛选、鉴定及其发酵动力学模型构建[J].食品与发酵工业, 2021, 47(6):92-98.YU Z, ZHAO F Q, XU C L, et al.Screening, identification of bacterial cellulose producing bacteria and establishment of fermentation kinetics[J].Food and Fermentation Industries, 2021, 47(6):92-98.
[11] JU S Y, ZHANG F L, DUAN J F, et al.Characterization of bacterial cellulose composite films incorporated with bulk chitosan and chitosan nanoparticles:A comparative study[J].Carbohydrate Polymers, 2020, 237:116167.
[12] LI Q, ZHOU J P, ZHANG L N.Structure and properties of the nanocomposite films of chitosan reinforced with cellulose whiskers[J].Journal of Polymer Science Part B:Polymer Physics, 2009, 47(11):1069-1077.
[13] 许艺馨. 壳聚糖接枝细菌纤维素活性复合膜的制备及应用[D].无锡:江南大学, 2022.XU Y X.Preparation and application of chitosan grafted bacterial cellulose active composite film[D].Wuxi:Jiangnan University, 2022.
[14] 张晋婷. 柑橘皮/细菌纤维素复合膜的制备及其抗氧化抗菌活性的研究[D].郑州:河南大学, 2022.ZHANG J T.Preparation and antioxidant, antibacterial activity of the citrus peel/bacterial cellulose composite films[D].Zhengzhou:Henan University, 2022.
[15] ULLAH I, YIN T, XIONG S B, et al.Effects of thermal pre-treatment on physicochemical properties of nano-sized okara (soybean residue) insoluble dietary fiber prepared by wet media milling[J].Journal of Food Engineering, 2018, 237:18-26.
[16] 龙丽娟. 细菌纤维素复合材料的制备与性能研究[D].天津:天津科技大学, 2011.LONG L J.Study on the preparation and properties of bacterial cellulose composites[D].Tianjin:Tianjin University of Science &Technology, 2011.
[17] 付靖超. 可得然多糖/细菌纤维素/肉桂精油复合膜的制备及其在鸡肉保鲜中的应用[D].南京:南京农业大学, 2020.FU J C.Preparation of curdlan/bacterial cellulose/cinnamon essential oil composite film and its application in chicken preservation[D].Nanjing:Nanjing Agricultural University, 2020.
[18] GEORGE J, RAMANA K V, BAWA A S, et al.Bacterial cellulose nanocrystals exhibiting high thermal stability and their polymer nanocomposites[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2011, 48(1):50-57.
[19] AMBROSIO-MART
N J, FABRA M J, LOPEZ-RUBIO A, et al.Melt polycondensation to improve the dispersion of bacterial cellulose into polylactide via melt compounding:Enhanced barrier and mechanical properties[J].Cellulose, 2015, 22(2):1201-1226.
[20] ZAHAN K A, AZIZUL N M, MUSTAPHA M, et al.Application of bacterial cellulose film as a biodegradable and antimicrobial packaging material[J].Materials Today:Proceedings, 2020, 31:83-88.
[21] MEYDANJU N, PIRSA S, FARZI J.Biodegradable film based on lemon peel powder containing xanthan gum and TiO2-Ag nanoparticles:Investigation of physicochemical and antibacterial properties[J].Polymer Testing, 2022, 106:107445.
[22] 谢斌. 基于聚乙烯醇/壳聚糖活性包装薄膜的制备与性能研究[D].株洲:湖南工业大学, 2022.XIE B.Preparation and properties of active packaging films based on PVA/chitosan[D].Zhuzhou:Hunan University of Technology, 2022.
[23] 朱晓东, 杜昀怡, 原续波, 等.细菌纤维素的最新研究进展[J].高分子通报, 2022(5):17-26.ZHU X D, DU Y Y, YUAN X B, et al.Recent progress on bacterial cellulose[J].Polymer Bulletin, 2022(5):17-26.
[24] 张贝. 柠檬皮中柠檬苦素生物活性研究[D].广州:仲恺农业工程学院, 2018.ZHANG B.Study on the lemon in biological activity in lemon peel[D].Guangzhou:Zhongkai University of Agriculture and Engineering, 2018.