本研究的目的是檢測(cè)抗革蘭氏陽(yáng)性菌的抗菌性能，以及覆蓋有甲基-羥丙基-纖維素(MHPC)/可可脂載體的聚乳酸(PLA)薄膜的水蒸氣特性，該載體含有E. comosa提取物作為活性物質(zhì)。研究的第二個(gè)目的是評(píng)估QUV和Q-SUN老化測(cè)試對(duì)涂層的抗菌性能和阻隔特性的影響。研究結(jié)果表明，MHPC/可可脂涂層對(duì)金黃色葡萄球菌、蠟狀芽孢桿菌和萎縮芽孢桿菌的生長(zhǎng)沒有影響。含有科摩莎提取物的MHPC/可可脂涂層減少了細(xì)菌菌株的數(shù)量。MHPC/可可脂涂層也降低了PLA的水蒸氣滲透性。結(jié)果表明，QUV紫外老化試驗(yàn)箱和Q-SUN氙燈老化箱改變了含有可可脂的涂層的化學(xué)組成。盡管各層的化學(xué)組成發(fā)生了變化，但Q-SUN氙燈老化箱和QUV紫外老化箱并沒有影響到芝麻提取物涂層對(duì)金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢桿菌的抗菌性能。發(fā)現(xiàn)只有使用Q-SUN氙燈老化箱照射降低了提取物對(duì)萎縮芽孢桿菌的涂層活性，盡管這種降低程度很小。
一般來說，活性包裝材料應(yīng)該在儲(chǔ)存期間發(fā)揮作用，以抑制微生物生長(zhǎng)并延長(zhǎng)任何給定食品的保質(zhì)期。這意味著涂層應(yīng)該提供足夠的抗紫外線輻射能力。紫外線(UV)輻射是電磁波譜中非電離區(qū)的一部分，約占太陽(yáng)總輻射的8-9%。它會(huì)導(dǎo)致材料的物理-機(jī)械、光學(xué)和抗菌性能退化。在涂層載體中引入對(duì)紫外線敏感的活性物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致涂層在紫外線老化后失活。在涂層載體中引入抗紫外線的活性物質(zhì)可以防止該涂層在紫外線老化后失活。
本研究的目的是檢測(cè)抗革蘭氏陽(yáng)性菌的抗微生物特性，以及覆蓋有MHPC/可可脂載體的PLA膜的水蒸氣特性，所述載體含有作為活性物質(zhì)的科摩薩提取物。研究的第二個(gè)目的是評(píng)估QUV紫外老化箱和Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱對(duì)涂層的抗菌性能和阻隔特性的影響。
2.1.材料
本研究中使用的試驗(yàn)微生物獲自DSMZ萊布尼茨研究所(德意志微生物研究所，德國(guó)布倫瑞克)。菌株由美國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心(ATCC，馬納薩斯，弗吉尼亞州，美國(guó))提供。本研究中使用的微生物是金黃色葡萄球菌DSMZ 346、ATCC蠟樣芽孢桿菌14579和IZT萎縮芽孢桿菌DSM 675。
2.2.提取物制劑
將E.comosa干燥的球莖研磨成粉末，用50g 70%的含水丙酮提取5g樣品。然后將樣品在超聲水浴中保持一小時(shí)。通過加入冰將浴的溫度保持在15℃。丙酮提取物在40℃下濃縮。丙酮蒸發(fā)后，樣品通過0.2 m過濾器過濾。所得的15 g提取物用于進(jìn)一步分析。
2.3加速老化測(cè)試
將未覆蓋和覆蓋的薄膜樣品分別切成矩形(23.5厘米× 7.0厘米和26.0厘米× 2.5厘米)。將樣品引入1.55 W/m2的UV-A加速老化測(cè)試儀(QUV/spray，Q-LAB，Homestead，F(xiàn)L，USA)和1.5 W/m2的Q-SUN加速氙測(cè)試室(Q-SUN Xe-2，Q-LAB公司)并運(yùn)行測(cè)試24小時(shí)。
2.4傅里葉紅外光譜
使用傅里葉變換紅外光譜(Perkin Elmer分光光度計(jì)，Spectrum 100，Waltham，MA，USA)測(cè)量未覆蓋和覆蓋的薄膜樣品的傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜，在4cm-1的分辨率和四次掃描下操作。將薄膜樣品切成正方形(2 cm × 2 cm ),并直接放置在射線曝光階段。光譜是在650–4000cm-1的波長(zhǎng)下記錄的。
2.5 統(tǒng)計(jì)分析
使用方差分析(ANOVA)以及隨后的鄧肯檢驗(yàn)來確定統(tǒng)計(jì)顯著性。該測(cè)試用于確定細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量之間的顯著差異。當(dāng)p < 0.05時(shí)，這些值被視為顯著不同。所有分析均使用Statistica第10版(StatSoft，Kraków，波蘭)進(jìn)行。
3.1.抗菌性能
研究結(jié)果表明，含有可可脂作為疏水添加劑的MHPC涂層對(duì)金黃色葡萄球菌細(xì)胞的生長(zhǎng)沒有影響。證明PLA膜(對(duì)照樣品)的金黃色葡萄球菌細(xì)胞數(shù)為2.1 × 105 cfu/mL。含可可脂的MHPC涂層的細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量與對(duì)照樣品相似(4.56 × 105 cfu/mL)。Q-SUN和QUV加速老化試驗(yàn)箱不影響不含球莖提取物的涂層的抗菌性能，而含有芝麻提取物的MHPC涂層抑制了金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)。對(duì)于含有球莖提取物的樣品(細(xì)胞數(shù)量為3.60 × 102 cfu/mL)，觀察到金黃色葡萄球菌的數(shù)量減少了3個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)。在之前的研究中證實(shí)了雞眼草球莖提取物對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抗菌活性。統(tǒng)計(jì)分析表明，細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量的減少是顯著的(p < 0.05)。加速的UV-A輻射沒有改變含有球莖提取物(3.2 × 102 cfu/mL)的涂層的抗菌性能。在Q-SUN照射的情況下(圖1)，細(xì)菌細(xì)胞的數(shù)量略有增加(5.86 × 102 cfu/mL)，后來通過鄧肯試驗(yàn)證實(shí)(p > 0.05)。
k—聚乳酸(PLA)薄膜；KA——QUV紫外線老化試驗(yàn)箱照射過的的聚乳酸薄膜；KQ——Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱照射過的的聚乳酸薄膜:MB-PLA薄膜，覆蓋有甲基-羥丙基-纖維素(MHPC)/可可脂涂層；MBA—QUV紫外線老化試驗(yàn)箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層；MBQ—Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱照射過的聚乙烯薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層；MBE-PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層，含有25%的象牙果提取物；MBEA——QUV紫外線老化試驗(yàn)箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層，含有25%的象牙果提取物；MBEQ—Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層，含有25%的象牙果提取物。
蠟狀芽孢桿菌對(duì)含有蠟狀芽孢桿菌提取物的活性涂層的敏感性分析如圖2所示。將PLA膜的蠟狀芽孢桿菌的數(shù)量(1.01 × 104 cfu/mL)與覆蓋有MHPC的PLA膜的蠟狀芽孢桿菌的數(shù)量(1.14 × 104 cfu/mL)進(jìn)行比較，應(yīng)該說數(shù)量幾乎相同。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，含有可可脂的MHPC涂層沒有抗菌活性。Q-SUN和QUV老化試驗(yàn)箱不影響不含任何球莖提取物的涂層的抗菌性能，隨后通過鄧肯試驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)(p > 0.05)。注意到細(xì)菌數(shù)量的微小變化(低于1-log減少)。蠟狀芽孢桿菌細(xì)胞對(duì)含有芝麻提取物的涂層表現(xiàn)出敏感性。金黃色葡萄球菌數(shù)從1.14 × 104下降到1.84 × 102 cfu/mL (2對(duì)數(shù)下降)。統(tǒng)計(jì)分析表明，細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量的減少是顯著的(p < 0.05)。Q-SUN和QUV老化試驗(yàn)箱對(duì)涂層的抗菌性能影響很小。QUV老化試驗(yàn)箱使含有芝麻提取物的涂層的抗菌性能失活。還觀察到用QUV老化試驗(yàn)箱照射的這些涂層的細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量增加(2.76 × 102 cfu/mL)。與QUV老化試驗(yàn)箱相比，Q-SUN氙燈老化機(jī)提高了涂層的抗菌活性(1.10 × 102 cfu/mL)?；罴?xì)胞數(shù)之間的差異并不顯著，這一點(diǎn)后來通過Duncan檢驗(yàn)得到了證實(shí)(p > 0.05)。
K—PLA薄膜；KA——UV-A輻照過的聚乳酸薄膜；KQ——Q-SUN輻照的聚乳酸薄膜:MB—PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層；MBA—QUV紫外線老化試驗(yàn)箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層；MBQ—Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱照射過的聚乙烯薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層；MBE-PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層，含有25%的象牙果提取物；MBEA——QUV紫外線老化試驗(yàn)箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層，含有25%的象牙果提取物；MBEQ—Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層，含有25%的象牙果提取物。
該研究的結(jié)果表明，用可可脂涂覆的MHPC對(duì)萎縮性芽孢桿菌細(xì)胞生長(zhǎng)的降低沒有影響。還觀察到，與未覆蓋涂層的PLA膜(4.34 × 104 cfu/mL)相比，細(xì)菌細(xì)胞的數(shù)量(5.44 × 105 cfu/mL)增加了。這很容易讓人想到，萎縮芽孢桿菌可能會(huì)利用缺乏活性物質(zhì)的包被作為碳源。應(yīng)該補(bǔ)充的是，活細(xì)胞的增加是顯著的，后來通過統(tǒng)計(jì)分析證實(shí)(p < 0.05)。與含有5.44 × 105至1.73 × 103 cfu/mL的E. comosa提取物的MHPC涂層接觸24小時(shí)后，細(xì)菌細(xì)胞的生長(zhǎng)下降。如下圖所示(圖3)，加速的UV-A輻射對(duì)含有象牙果提取物的涂層的抗菌性能的影響也沒有被注意到。在Q-SUN老化箱的情況下，觀察到與未照射的樣品相比，活細(xì)胞的數(shù)量從1.73 × 103增加到1.24 × 104 cfu/mL。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明，萎縮性芽孢桿菌細(xì)胞數(shù)之間差異不顯著(p > 0.05)。
K—PLA薄膜；KA——UV-A輻照過的聚乳酸薄膜；KQ——Q-SUN輻照的聚乳酸薄膜:MB—PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層；MBA—QUV紫外線老化試驗(yàn)箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層；MBQ—Q-SUN輻照聚乙烯薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層；MBE-PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層，含有25%的象牙果提取物；MBEA——QUV紫外線老化試驗(yàn)箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層，含有25%的象牙果提取物；MBEQ—Q-SUN輻照過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂涂層，含有25%的象牙果提取物。 3.2.紅外光譜分析。
屬于聚酯家族的PLA具有特征峰。2996.3和2946.49cm-1處的紅外(IR)光譜分別屬于–CH3模式的不對(duì)稱和對(duì)稱–CH拉伸區(qū)域。酯基的C=O伸展歸因于1747.91cm-1處的寬而強(qiáng)的吸收彎曲。–CH3彎曲的特征在于1451.85cm-1的峰。在1381.82和1360.06cm-1處分別觀察到–CH變形和不對(duì)稱彎曲。酯基的C=O拉伸模式出現(xiàn)在1266.41cm-1，不對(duì)稱C–O–C拉伸模式出現(xiàn)在1180.81、1127.28和1083cm-1。在1000和800cm-1的范圍內(nèi)，955.57cm-1處的彎曲歸因于具有CH3搖擺模式的螺旋骨架的特征振動(dòng)。在868.06(指定為非晶相)、766.57和755.32cm-1(晶相)處發(fā)現(xiàn)了與PLA的晶相和非晶相相關(guān)的兩個(gè)彎曲。Chu Z .等人和Seda t GL aydn r .等人證實(shí)了這些結(jié)果。
紫外輻射和Q-SUN輻射對(duì)涂層的影響可以通過使用FT-IR光譜清楚地注意到。發(fā)現(xiàn)影響吸收峰和彎曲位置的性質(zhì)有:結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分以及薄膜或涂層的形態(tài)。研究結(jié)果表明，在QUV和Q-SUN老化箱后，PLA膜(K-PLA)的化學(xué)組成和形態(tài)沒有差異(圖4)。如圖4所示，輻照過的PLA膜的曲線類似于未輻照過的PLA膜。然而，隨著樣品的紫外線老化，1381.82、1360.06和868.06cm-1處的彎曲強(qiáng)度降低。這些結(jié)果得到了應(yīng)峰等的證實(shí)。作者證明，PLA經(jīng)不同時(shí)間的老化處理后，其特征吸收峰的位置不變，但吸收峰的強(qiáng)度發(fā)生了顯著的變化。Van Cong D .等人也進(jìn)行了加速氣候試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)與聚(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)(EVA)/聚乳酸(PLA)共混物相比，TiO2晶型對(duì)EVA/PLA/TiO2納米復(fù)合材料降解行為的影響。FT-IR分析和熱機(jī)械性能的結(jié)果證實(shí)了樣品在加速氣候測(cè)試下的降解。樣品的降解程度取決于樣品中存在的TiO2晶型。TiO2納米粒子促進(jìn)了EVA/PLA/TiO2納米復(fù)合材料的光降解，其中TiO2納米粒子混晶表現(xiàn)出最高的光催化活性。
MHPC的典型光譜如圖5所示。3382.15cm-1處的峰值是由–OH振動(dòng)拉伸產(chǎn)生的。在2918.71–2850.98cm-1范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了甲基和羥丙基頻率的對(duì)稱伸縮模式，其中所有的–CH鍵同相伸縮。對(duì)稱振動(dòng)主要出現(xiàn)在1379.29cm-1的范圍內(nèi)，并暗示存在環(huán)酐。1040.36和1075.62cm-1處的譜帶用于醚C-O-C基團(tuán)的伸縮振動(dòng)。這些結(jié)果得到了Punitha S .等人和Dong Ch .以及其他人的證實(shí)。
結(jié)果表明，加速輻照對(duì)聚乳酸薄膜樣品沒有影響。也沒有觀察到QUV和Q-SUN老化箱對(duì)親水性MHPC的影響(圖5)。然而，隨著樣品的紫外線老化，1381.82、1360.06和868.06cm-1處的彎曲強(qiáng)度增加。
圖6顯示了含有可可脂的MHPC涂層(CB—MHPC)、含有可可脂的UV-A照射的MHPC涂層(CB—MHPC—UVA)和含有疏水添加劑的Q-SUN照射的MHPC涂層(CB—MHPC—QUV)。在FT-IR光譜中觀察到三個(gè)區(qū)域，范圍從(1) 3600到2400cm-1；(2) 1800至1400cm-1；和(3) 1000至650cm-1。在2851.05cm-1峰的情況下，注意到了這一點(diǎn)，這與O = C–H雙鍵激發(fā)的吸收一致。甘油三酯的羰基(C=O)的拉伸振動(dòng)激發(fā)了1747.53cm-1峰。1254.55cm-1峰是由酯中的C-O伸縮振動(dòng)激發(fā)的?；蛘撸^察到1600-1400cm-1范圍內(nèi)的光譜峰為C=C誘導(dǎo)吸收峰。這些峰僅在未輻射的涂層中觀察到。UV-A和Q-SUN照射導(dǎo)致峰值消失。在937.89和720cm-1處顯示了不同的峰特性。在含有可可脂的MHPC涂層的情況下也觀察到這些峰。Vesela A .等人和Suparman等人證實(shí)了這些結(jié)果。Q-SUN和UV-A輻照的MHPC涂層沒有出現(xiàn)這些峰。已經(jīng)明確證實(shí)，QUV和Q-SUN輻射改變了CB-MHPC層的化學(xué)組成。很容易認(rèn)為加速輻射導(dǎo)致了疏水添加劑的氧化。對(duì)于含有作為疏水添加劑的可可脂和作為活性物質(zhì)的象牙果提取物的MHPC涂層，獲得了類似的結(jié)果(圖7)。在FT-IR光譜中還觀察到三個(gè)區(qū)域，范圍從(1) 3600到2400cm-1；(2) 1600至1400cm-1；和(3) 1000至650cm-1。在包含活性提取物的涂層的情況下，也注意到加速照射后峰的消失。這意味著加速輻射導(dǎo)致可可脂脂肪酸的不飽和鍵氧化。這使我們相信ZnO納米顆粒具有屏蔽性能，與E. comosa提取物相反，其不能屏蔽涂層免受加速輻射。Mizieliń sska等人表明，納米ZnO屏蔽了MHPC層，使其免受Q-SUN輻射。El-Feky O.M .等人證實(shí)了這一結(jié)論，他們使用ZnO納米顆粒作為涂料的添加劑，以防止紫外線照射。
3.2.屏障特性
研究結(jié)果表明，MHPC涂層對(duì)PLA膜的阻隔性能沒有顯著影響。如下圖所示(表1)。加速的UV-A和Q-SUN沒有改善和/或降低覆蓋有MHPC的PLA的水滲透性?？煽芍鳛槭杷砑觿┦雇繉拥耐杆蕪?6.88±1.24(g/(m2·h))下降到41.38±3.45(g/(m2·h))。觀察到與QUV輻射相反，QUV輻射改善了涂覆的PLA的阻隔性能。向包衣中加入科摩莎提取物降低了含有可可脂的MHPC包衣的透水性。應(yīng)該提到的是，QUV和Q-SUN照射增加了覆蓋有MHPC的PLA的水滲透性，所述覆蓋物包含作為疏水物質(zhì)的可可脂和作為活性物質(zhì)的象牙果提取物。
污染與日俱增，環(huán)境法越來越嚴(yán)格。因此，公司需要進(jìn)行轉(zhuǎn)型，以實(shí)現(xiàn)降低成本和良好產(chǎn)品質(zhì)量的傳統(tǒng)目標(biāo)，同時(shí)努力實(shí)施綠色創(chuàng)新技術(shù)。需要用天然和可生物降解的材料如聚乳酸代替合成聚合物。PLA是最商業(yè)化的生物可降解聚合物，顯示出許多優(yōu)點(diǎn)。因此，已經(jīng)提出了不同的方法來改善其化學(xué)-物理性能并獲得膜的抗菌性能。至于合成聚合物，其阻隔性能顯示出高的氣體和水蒸氣透過率，這使得該聚合物不適用于幾種食品包裝應(yīng)用。為了改善屏障特性并激活某種抗菌效果，需要進(jìn)行表面聚合物改性，如涂層。含有活性物質(zhì)的涂料可分為遷移到包裝產(chǎn)品中的涂料和不遷移到包裝產(chǎn)品中的涂料。活性化合物應(yīng)該抑制導(dǎo)致包裝產(chǎn)品腐敗的微生物和病原微生物的生長(zhǎng)。含有植物和香料提取物或精油的活性包裝具有抗許多細(xì)菌和真菌的抗微生物特性。它們的天然成分包括抗微生物酚類化合物、醛類、酮類、醇類、醚類和烴類。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)叢枝桉提取物對(duì)金黃色葡萄球菌、蠟狀芽孢桿菌和萎縮芽孢桿菌有活性，所以它被用作涂料中的活性物質(zhì)。由于PLA膜或MHPC載體的高水蒸氣滲透性，疏水添加劑也被引入到涂層中。
研究結(jié)果表明，含有科摩莎豆提取物的MHPC/可可脂涂層減少了金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢桿菌和萎縮芽孢桿菌細(xì)胞的數(shù)量。在涂層中加入可可脂降低了PLA的水蒸氣滲透性。結(jié)果表明，QUV和Q-SUN紫外老化箱改變了含有可可脂的涂層的化學(xué)組成。還觀察到，與QUV老化箱相反，引起雙鍵氧化的QUV輻射改善了涂覆的PLA的阻隔性能。在涂層中加入象牙果提取物降低了含有可可脂的MHPC涂層的水蒸氣滲透性。值得一提的是，QUV紫外老化箱增加了覆蓋的含有白花蛇舌草提取物的PLA的水蒸氣滲透性。
盡管對(duì)各層的化學(xué)組成進(jìn)行了改變，Q-SUN和QUV老化箱對(duì)E. comosa提取物涂層對(duì)金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢桿菌的抗菌性能沒有影響(與屏障特性相反)。只有Q-SUN和QUV老化箱降低了針對(duì)萎縮性桿菌的提取物的涂層活性，但這是可以忽略的。在先前的研究中獲得了類似的結(jié)果，表明加速的Q-SUN和QUV老化箱對(duì)涂層抗金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢桿菌的抗微生物性能沒有影響。這項(xiàng)先前研究中使用的涂層包含ZnO納米粒子，它在輻射過程中屏蔽了活性MHPC涂層，這一點(diǎn)得到了作者的證實(shí)。這項(xiàng)工作表明，在輻射過程中，象牙果提取物不會(huì)屏蔽MHPC/可可脂涂層。雖然提取物沒有屏蔽性能，化學(xué)成分也發(fā)生了變化，但涂層仍然具有抗革蘭氏陽(yáng)性菌的活性。
食品包裝工業(yè)將會(huì)用可生物降解的材料取代不可堆肥的聚合物。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，聚乳酸是一種可生物降解的生物聚合物，已經(jīng)作為合成聚合物的良好替代物商業(yè)化。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，用含有可可脂的MHPC載體覆蓋PLA膜降低了生物聚合物的水蒸氣滲透性。該材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其抗菌活性，這是通過將E. comosa提取物作為活性物質(zhì)引入MHPC涂層中而獲得的。QUV紫外老化箱和Q-SUN氙燈老化箱改變了含有可可脂或可可脂和E. comosa提取物的涂層的化學(xué)組成。它導(dǎo)致涂層PLA的水蒸氣滲透性增加。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，Q-SUN氙燈老化箱和QUV紫外老化箱對(duì)象牙果提取物涂層對(duì)金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢桿菌的抗菌性能沒有影響。
由于涂層對(duì)紫外線老化的抗性，以及由于PLA的改善的阻隔特性，涂層可用于覆蓋生物聚合物膜或盒子以獲得活性包裝材料?；钚酝繉涌梢匝娱L(zhǎng)食品的保質(zhì)期、質(zhì)量和新鮮度。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
