本研究的目的是檢測抗革蘭氏陽性菌的抗菌性能，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)。研究的第二個目的是評估QUV和Q-SUN老化測試對涂層的抗菌性能和阻隔特性的影響。研究結(jié)果表明，MHPC/可可脂涂層對金黃色葡萄球菌、蠟狀芽孢桿菌和萎縮芽孢桿菌的生長沒有影響。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)該在儲存期間發(fā)揮作用，以抑制微生物生長并延長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，約占太陽總輻射的8-9%。它會導(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紫外線敏感的活性物質(zhì)會導(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抗革蘭氏陽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。研究的第二個目的是評估QUV紫外老化箱和Q-SUN氙燈老化試驗箱對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微生物獲自DSMZ萊布尼茨研究所(德意志微生物研究所，德國布倫瑞克)。菌株由美國典型培養(yǎng)物保藏中心(ATCC，馬納薩斯，弗吉尼亞州，美國)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。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加速老化測試儀(QUV/spray，Q-LAB，Homestead，F(xiàn)L，USA)和1.5 W/m2的Q-SUN加速氙測試室(Q-SUN Xe-2，Q-LAB公司)并運(yùn)行測試24小時。
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，Spectrum 100，Waltham，MA，USA)測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的波長下記錄的。
2.5 統(tǒng)計分析
使用方差分析(ANOVA)以及隨后的鄧肯檢驗來確定統(tǒng)計顯著性。該測試用于確定細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量之間的顯著差異。當(dāng)p < 0.05時，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涂層對金黃色葡萄球菌細(xì)胞的生長沒有影響。證明PLA膜(對照樣品)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)量與對照樣品相似(4.56 × 105 cfu/mL)。Q-SUN和QUV加速老化試驗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。對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個對數(shù)級。在之前的研究中證實了雞眼草球莖提取物對革蘭氏陽性菌的抗菌活性。統(tǒng)計分析表明，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)，后來通過鄧肯試驗證實(p > 0.05)。
k—聚乳酸(PLA)薄膜；KA——QUV紫外線老化試驗箱照射過的的聚乳酸薄膜；KQ——Q-SUN氙燈老化試驗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，隨后通過鄧肯試驗證實了這一點(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對數(shù)下降)。統(tǒng)計分析表明，細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量的減少是顯著的(p < 0.05)。Q-SUN和QUV老化試驗箱對涂層的抗菌性能影響很小。QUV老化試驗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)。活細(xì)胞數(shù)之間的差異并不顯著，這一點后來通過Duncan檢驗得到了證實(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對萎縮性芽孢桿菌細(xì)胞生長的降低沒有影響。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)計分析證實(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小時后，細(xì)菌細(xì)胞的生長下降。如下圖所示(圖3)，加速的UV-A輻射對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模式的不對稱和對稱–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變形和不對稱彎曲。酯基的C=O拉伸模式出現(xiàn)在1266.41cm-1，不對稱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。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)的兩個彎曲。Chu Z .等人和Seda t GL aydn r .等人證實了這些結(jié)果。
紫外輻射和Q-SUN輻射對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。作者證明，PLA經(jīng)不同時間的老化處理后，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，以評價與聚(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)果證實了樣品在加速氣候測試下的降解。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稱伸縮模式，其中所有的–CH鍵同相伸縮。對稱振動主要出現(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。這些結(jié)果得到了Punitha S .等人和Dong Ch .以及其他人的證實。
結(jié)果表明，加速輻照對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，這與O = C–H雙鍵激發(fā)的吸收一致。甘油三酯的羰基(C=O)的拉伸振動激發(fā)了1747.53cm-1峰。1254.55cm-1峰是由酯中的C-O伸縮振動激發(fā)的。或者，觀察到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，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，以實現(xiàn)降低成本和良好產(chǎn)品質(zhì)量的傳統(tǒng)目標(biāo)，同時努力實施綠色創(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。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?；钚曰衔飸?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。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。因為發(fā)現(xiàn)叢枝桉提取物對金黃色葡萄球菌、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。
盡管對各層的化學(xué)組成進(jìn)行了改變，Q-SUN和QUV老化箱對E. comosa提取物涂層對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，這一點得到了作者的證實。這項工作表明，在輻射過程中，象牙果提取物不會屏蔽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性菌的活性。
食品包裝工業(yè)將會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。該材料的另一個優(yōu)點是其抗菌活性，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紫外老化箱對象牙果提取物涂層對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:
