杨春敏，李 峰，张建国
（1.广州工商学院 工学院，广州 510850；
2.华南理工大学 化学与化工学院，广州 510006；
3.广州市宝桃食品有限公司，广州 510006）
可持续发展对食品保鲜膜降解性能提出更高标准［1-2］。由于塑料包装材料使用后无法被环境微生物分解，而具备生物降解功能的原料分子中存在多糖、蛋白质等，可以同时满足低生产成本要求［3-4］。壳聚糖（Chitosan，CTS）由于具备易成膜、可生物降解和抗菌等优异特性，已经在食品保鲜领域发挥重要作用［5-8］。将壳聚糖制作成薄膜后可以对空气起到良好隔绝效果，并通过持续发挥抗菌的作用而避免食品发生腐烂的问题，实现保鲜功能。但壳聚糖分子的侧链上含有羟基等部分亲水官能团，使得单纯壳聚糖薄膜非常容易吸水并形成疏松的结构，从而降低力学强度，引起薄膜保鲜能力的减弱。有学者通过测试发现，将SiO2、TiO2等细小氧化物颗粒加入有机薄膜可以促进薄膜理化性能的显著提升，进一步提升薄膜的保鲜性能。当选择可控释放的方式掺杂纳米颗粒时，还能够调节膜内活性成分被持续缓慢释放，由此促进食品品质的大幅提升，并获得更长保质期［9-10］。
本文采用壳聚糖制作薄膜基体，分别与无定形碳酸钙（ACC）和海藻酸钠（SA）/ACC 2种纳米颗粒进行掺杂测试，通过流延工艺制得CTS/ACC与CTS/SA/ACC 2种具备复合控释效果的保鲜膜材料。测定复合膜力学特性、水蒸气阻隔性和表面微观结构等，对比加入不同含量纳米颗粒的壳聚糖膜性能差异性，深入分析掺杂纳米载体对壳聚糖膜释放效果的作用，综合评价抗菌、抗氧化以及保鲜的能力。并对易腐水果九月黄（Akebia quinata fruit）进行保鲜性能试验，探究这款新型保鲜膜的保鲜性能。
试验所用原料及试剂如表1所示。
表1 试验原料及试剂Tab.1 Experimental materials and reagents
壳聚糖膜的制备具体流程：
（1）称量2 g的壳聚糖粉末，将其加入至80 mL质量分数为2%的冰醋酸溶液内，添加1 g丙三醇，经过4 h搅拌处理得到成分均匀的壳聚糖溶液；
（2）控制各类纳米颗粒相对壳聚糖质量比都为2%，添加20 mL去离子水并超声分散，由此形成纳米颗粒悬浮液；
（3）把上述纳米悬浮液加入至壳聚糖溶液中，并经过3 h搅拌处理形成壳聚糖膜液；
（4）采用超声波清洗机持续对壳聚糖膜液进行30 min超声作用，确保膜液气泡被完全去除；
（5）量取20 mL膜液，将其流延到外径尺寸100 mm的玻璃培养皿表面，保持水平方式将其放置到50 ℃烘箱内持续干燥3 h得到膜层；
（6）揭取已经干燥的膜层，将其保存至50%的湿度状态下静置24 h。
负载姜黄素（Cur）的复合膜采用载药后的纳米颗粒并以同样的操作方式制备得到。
2.1 纳米颗粒量优化
在壳聚糖膜中掺入不同含量纳米颗粒后，进行微观组织结构表征，得到图像如图1所示。不同纳米颗粒量下壳聚糖膜的水性能统计结果见表2所示。可以发现，复合膜基膜材料壳聚糖、甘油与纳米颗粒都达到良好相容的程度，并形成明显的突出分界。随着纳米颗粒数量的增多，在表面区域产生更高比例的颗粒物，膜透光性发生持续减小的结果，可以更好地填充壳聚糖膜网格间隙，从而对光线起到良好的隔绝效果。膜层水接触角明显增大，这是因为复合膜具备明显的疏水特性，并形成粗糙的表面形貌，随着面粗糙度的增大，膜表面获得更优浸润性能，显著提升复合膜疏水性能。
图1 不同纳米颗粒量下壳聚糖膜的SEM图像Fig.1 SEM images of chitosan membranes with different amounts of nanoparticles
把壳聚糖膜放入水中，引起复合膜局部破裂并发生溶解的现象。根据图1可知，当提高纳米颗粒加入量后，出现复合膜水溶性大幅减小的结果，这是因为纳米颗粒跟壳聚糖交联后对亲水位点起到占据作用，使羟基和水分子间形成更弱作用，抑制氢键的形成过程，最终制得水溶性更弱的复合膜。对表2进行分析可以发现，相对单纯壳聚糖膜表现出更小透水率，提高纳米颗粒加入量后，复合膜对蒸气透过率发生持续下降。综合水接触角，水溶性和蒸气透过率以及成本，确定ACC纳米颗粒加入量15%比较合理。相比较未添加纳米颗粒的水接触角提高22.2 °，水溶性降低 12%，蒸气透过率降低 4.4 g/（m2·h）。
表2 不同纳米颗粒量下壳聚糖膜的水性能分析Tab.2 Analysis of water properties of chitosan membranes with different quantities of nanoparticles
2.2 结构表征
对壳聚糖膜进行红外光谱测试，谱图数据如图2所示。可以看到，壳聚糖在3 430 cm-1位置处形成由-OH与-NH伸缩振动而产生的较宽吸收峰，并存在2种峰区域叠加的现象。壳聚糖分子中存在众多羟基与氨基，这2种官能团可以结合生成氢键，并且随着氢键的强弱与键长差异性引起峰宽度增加的结果。1 633 cm-1部位形成C=O伸缩振动峰，1 413 cm-1部位形成C-N伸缩振动峰，1 054 cm-1部位对应C-O-C伸缩振动峰。
图2 壳聚糖膜的FTIR图Fig.2 FTIR of chitosan membrane
同时，壳聚糖膜还在1 200～1 700 cm-1区域中形成多个羧酸根伸缩振动峰，可以观察到明显偏移的现象，表明海藻酸钠分子结构羧基会跟壳聚糖分子中N-H与C-N形成静电作用。
2.3 控释性能分析
加入15%ACC纳米颗粒，但SA颗粒添加不同时壳聚糖膜的Cur释放效率结果如图3所示。采用pH=2.1缓冲液对复合膜进行释放量测试，发现在初始Cur释放阶段释放速率上升很快，超过4 h后进入一个相对平稳的阶段。由于壳聚糖、ACC与SA/ACC颗粒都存在分解情况，并释放Cur，随着SA含量的增加，Cur释放速率表现出单调降低的变化。由于纳米颗粒内掺入了SA，因此可以对释放速率起到良好抑制作用。达到12 h时，对比未加SA颗粒的CTS/SA（5%）/ACC（15%）壳聚糖膜的Cur释放速率降低59%。
图3 加入不同含量SA颗粒时壳聚糖膜的Cur释放效率Fig.3 Cur release efficiency of chitosan membrane with different quantities of SA particles added
物质抗氧化能力可以根据自由基清除效率判断，Cur还原性能根据DPPH自由基进行检验。对影响抗氧化活性的DPPH自由基进行清除效果测试，情况如图4所示。逐渐增加释放时间后，复合膜内的Cur达到更强的抗氧化性。随着复合膜内释放出更高含量的Cur，表明其还原性能也增强。增加复合膜介质浸泡时间后，Cur释放液达到更强的DPPH自由基去除作用，说明此时抗氧化能力获得了提升。测试结果与前期DPPH清除测试结果相符，并且Cur浓度也会引起自由基清除效率的显著变化。在壳聚糖膜内加入一定量的Cur，实现壳聚糖膜稳定性的显著提升，同时也采用调节外部条件来获得不同的释放率，为进一步增加复合膜应用领域发挥重要促进作用。
图4 壳聚糖膜DPPH自由基清除效率Fig.4 DPPH radical scavenging efficiency of chitosan membrane
2.4 抑菌性能分析
壳聚糖膜的大肠杆菌抑菌率见图5所示，统计结果见表3。对大肠杆菌进行24 h培养后，可以观察到已形成明显菌落群。跟对照组进行比较可知，保持同样的菌液浓度时，采用壳聚糖膜处理得到的菌体表现出更低的生长密度，因此可以判断复合膜可以起到抑制大肠杆菌的效果。根据测试结果可知，CTS，CTS/ACC（15%）和 CTS/SA（5%）/ACC（15%）复合膜对于大肠杆菌抑制率依次为3.28%，52.62%，74.56%。根据释放特性分析结果可以发现，将5%的SA纳米颗粒掺入，有助于复合膜发挥更高效的抑菌性能，对实现食品保鲜功能具有积极作用。
图5 壳聚糖膜的大肠杆菌抑菌率Fig.5 Inhibitory rate of Escherichia coli of chitosan membrane
采用MTT测试评价样品对A549癌细胞存活率影响来判断生物相容性，根据CTS复合膜表面的EAhy926内皮细胞生长状态判断壳聚糖膜达到的生物相容效果，统计结果见表3。从图6可以看到，在体外对内皮细胞进行24 h培养后，对照组形成正常的细胞密度，其外形呈现梭形结构，总体呈现2种生长形态，只在局部区域发生接触；
附着于CTS复合膜表面的内皮细胞也形成梭状结构，并且还可以观察到部分圆形细胞，表明此时细胞在复合膜表面达到良好生长状态。MTT法属于一类对细胞毒性进行测试的高效方法，操作过程简单，并且具备很高重复性，其根据细胞增殖度判断复合膜引起的内皮细胞毒性程度。加入复合膜进行24 h培养得到的内皮细胞达到80% 以上的较高存活率，可以认为其细胞毒性属于1级，表现出较低的毒性与良好生物相容性，满足食品材料的毒性标准。
图6 壳聚糖膜的生物相容性Fig.6 Biocompatibility of chitosan membrane
表3 壳聚糖膜的抑菌性能统计Tab.3 Statistics of antibacterial performance of chitosan membrane （unit：%）
2.5 水果保鲜性能试验
壳聚糖膜对九月黄的保鲜效果如图7所示。增加贮藏时间后，形成颜色更暗的九月黄表皮，同时光泽度也发生下降。采用壳聚糖膜进行处理后的九月黄表面发生最小程度的光泽度与平整度改变，实际腐烂速率也最小，提升了复合膜保水能力，避免果实水分大量散失，达到良好的保鲜性能。
图7 壳聚糖膜的对九月黄的保鲜效果Fig.7 Preservation effect of chitosan membrane on September yellow
为研究壳聚糖膜控释及抑菌保鲜性能表征，分别以ACC与SA/ACC 2种纳米颗粒进行掺杂测试，得到如下结论：
（1）复合膜基膜材料壳聚糖、甘油与纳米颗粒都达到良好的相容程度。相对单纯壳聚糖膜，复合壳聚糖膜表现出更小透水率。提高纳米颗粒加入量，复合膜的蒸气透过率持续下降。综合确定ACC纳米颗粒量加入15%比较合理。
（2）SA/ACC纳米颗粒填充能够对Cur释放发挥抑制效果，由此获得更低的释放速率，实现壳聚糖膜稳定性的显著提升。
（3）采用壳聚糖膜处理得到的菌体表现出更低的生长密度，可以起到抑制大肠杆菌的功能，表现出较低的毒性与良好生物相容性，满足食品材料的毒性标准。
（4）采用壳聚糖膜的九月黄表面发生最小程度的光泽度与平整度改变，提升了复合膜保水能力，避免果实水分大量散失，达到良好保鲜性能。
目前研究多是将SiO2、TiO2等细小氧化物颗粒加入有机膜，还未见到海藻酸钠颗粒增强CTS复合膜的研究，但所制备纳米SA/ACC颗粒增强CTS膜在药物载体方面还有待扩展，其对酶、蛋白质等活性物质的负载和缓释能力尚需考察，在人体内的安全性也需进一步研究。
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