《食品科学》：四川农业大学吴贺君副教授等：含硅藻土负载香芹酚复合体的明胶基缓释抗菌膜的制备与性能

明胶（G）是一种由废弃动物骨头、皮肤和结缔组织中的胶原蛋白水解产生的高分子蛋白质，因其良好的成膜性、气体阻隔性、耐油性以及资源丰富、成本低廉等优势，成为塑料包装的一种潜在替代品。明胶膜的易吸水性导致其易受到细菌和霉菌的污染，且生物活性低，因此应用受到限制。香芹酚（C）是一种挥发性单萜酚，天然存在于牛至、百里香、冬季香薄荷等唇形科植物中，具有非特异性的抗氧化、抗细菌、真菌等功效。然而，香芹酚的快速挥发致使其存在抑菌时效短、利用率低的问题。硅藻土（D）是硅藻遗骸经地质作用形成的硅质多孔沉积岩，其具有无毒、孔隙率高（高达80%，孔径50～200 nm）、比表面积大、吸附性强以及价格低廉等优点。

四川农业大学食品学院的李 森、马 灵、吴贺君*等将硅藻土/香芹酚（D/C）复合体与明胶复合，探究D/C复合体添加量对明胶膜结构与性能的影响并验证其缓释效果，为促进含香芹酚等植物精油的明胶基抗菌复合膜的应用提供参考。

1 D/C复合体的表征

如图1A所示，数码照片显示硅藻土为白色无机黏土，而负载香芹酚后，所得复合体粉末变为淡黄色；此外，扫描电子显微镜结果直接证实负载香芹酚后，硅藻土的多孔结构被吸入孔洞的香芹酚完全覆盖。由图1B粒径分布曲线可以看出，硅藻土、D/C复合体两组样品均为单峰分布，平均粒径约在30 μm左右；而相对于硅藻土，复合体由于负载香芹酚后平均粒径略微增加且分布略微变宽。上述表征结果共同说明多孔性的硅藻土成功负载了香芹酚。并由公式（1）、（2）计算出硅藻土和香芹酚在复合体中的相对含量分别约为32.56%和67.44%。

如图1C所示，香芹酚的特征吸收峰分别由在3 373 cm -1 处和2 959 cm -1 处羟基（—OH）和甲基（—CH 3 ）的伸缩振动引起；1 250～1 750 cm -1 区域出现的吸收峰与C—C键伸缩、—OH键弯曲和C—O键伸缩有关；811 cm -1 处的吸收峰可能归因于芳香族—OH的伸缩振动。硅藻土的特征峰分别是在1 085 cm -1 处硅氧烷（—Si—O—Si）的强吸收峰，以及在794 cm -1 处SiO—H键的振动峰，以上这些特征峰的出现表明硅藻土主要由SiO 2 组成。对于D/C复合体，香芹酚和硅藻土的主要特征吸收峰均有出现，说明两者之间未发生化学反应。与香芹酚的红外光谱比较，D/C复合体红外光谱在3 100～3 600 cm -1 之间的吸收峰（与O—H伸缩振动有关）变宽且强度降低，并向更高的波数转移，表明游离O—H键伸缩程度减弱。这可能是由于香芹酚与硅藻土表面羟基之间的氢键发生相互作用从而使两者的界面结合能力提高，机理如图1D所示。

2 复合明胶薄膜的表征

2.1 薄膜微观结构分析

由图2可知，G-K膜的截面和表面均连续、光滑且致密，无明显缺陷，证实明胶基质成膜性良好。而加入香芹酚后，G-C膜的表面与G-K膜相比变化不大，但横截面明显变得粗糙且厚度增大。这是由于香芹酚的增塑作用增加了明胶基质分子链之间的距离，从而使膜结构的致密性减弱。当加入D/C复合体后，G-D/C3薄膜的厚度进一步增大，同时因为复合体中的硅藻土密度较大，在溶液成膜干燥时容易沉积在下表面，因此表面更为粗糙。此外，D/C复合体中香芹酚的酚羟基可与明胶基质中的羟基、羧基和氨基等极性基团发生氢键等相互作用，提升了复合体与明胶基质之间的界面相容性，所以两者结合较为紧密，并未出现明显的界面分离。

2.2 薄膜红外光谱分析

如图3A所示，纯明胶薄膜3 296 cm -1 处的峰对应N—H拉伸和O—H拉伸，2 931 cm -1 处的峰对应C—H拉伸振动；在大约1 634、1 549 cm -1 和1 240 cm -1 处的峰分别对应酰胺I带的C＝O拉伸、酰胺II带的N—H变形和C—H拉伸，以及蛋白质中酰胺III带的C—H和N—H基团在平面上的振动。掺入硅藻土和香芹酚，G-D/C3薄膜在3 000～3 600 cm -1 处的频带强度明显下降。此外，与G-K膜相比，G-D/C3膜的光谱中有明显的酰胺I带（1 690～1 630 cm -1 ）和酰胺II带（1 655～1 590 cm -1 ）。由此可见，明胶基复合膜的带位和强度发生了一些变化，但并未有新峰的产生，表明D/C复合体与明胶基质之间没有化学相互作用，只有物理分子间的相互作用。这种作用可能是硅藻土对香芹酚的物理吸附和携带作用，以及蛋白基质极性基团与D/C复合体中香芹酚的酚羟基之间的氢键相互作用。

2.3 薄膜的厚度、色泽、透光率

由表1可知，G-K膜的厚度仅为84.67 μm，而复合膜的厚度随着D/C复合体添加量的增加而显著上升（P＜0.05），膜的厚度主要取决于成膜液中非溶剂成分的含量。如图3B所示，明胶薄膜本身成淡黄色，随着D/C复合体添加量的增加，薄膜黄色逐渐加深，这是由于香芹酚作为添加物质其颜色偏淡黄色，从而导致膜的a值降低、b值增大。此外，复合膜中硅藻土为白色粉末状黏土，因此添加硅藻土的复合膜与G-K相比ΔE降低。复合膜的透过率同样随着薄膜复合体的添加量增加而显著降低（P＜0.05），特别是相比于G-K膜，G-D/C3膜的透光率降低了近20%。这是由于硅藻土本身作为无机物质，具有不透明性，在膜中会阻碍光线的透过。Akyuz等发现在壳聚糖薄膜中添加硅藻土同样会显著改善薄膜的光阻隔性能。同时，溶质的量增加导致膜厚度变大，也会进一步阻碍光线的透过。

2.4 薄膜力学性能的表征

由图4可知，可以观察到G-C、G-D膜TS均较低。在复合薄膜中，随D/C复合体添加量的增加，TS呈现逐渐降低的趋势，由17.66 MPa（G-K）下降到了13.01 MPa（G-D/C3）。TS降低一方面是因为薄膜中香芹酚的挥发会致使薄膜出现孔洞结构，从而破环薄膜本身完整结构；另一方面，过多的复合体则可能会导致其在膜中的分散性降低，使颗粒发生团聚，造成颗粒尺寸增大和周边区域的应力集中。此外，G-C膜相比于G-D膜EAB显著增加，因为香芹酚的存在会对明胶薄膜产生增塑作用，降低明胶单体之间的相互作用，阻碍聚合物的链-链相互作用。最终在复合膜中，EAB由G-K薄膜组的61.06%提升至G-D/C3薄膜组的80.45%。在D/C添加量为20%时，复合膜具备优异的力学性能，其TS为15.13 MPa，EAB为67.43%。总地来说，由于香芹酚的增塑作用，D/C复合体的加入可一定程度改善明胶膜的EAB。

2.5 含水率、水溶性、水蒸气透过率和氧气透过率

由表2可知，复合膜的含水率和水溶性随着D/C复合体添加量的增加而显著降低，这归因于D/C复合体中硅藻土作为无机填料不溶于水，增加了复合膜中不溶物质的量。此外，香芹酚作为一种疏水性化合物，它的存在也有助于明胶膜的疏水性提升。然而值得注意的是，仅含有香芹酚的G-C膜水溶性最高，这可能是由于G-C膜中的香芹酚容易从明胶基质迁移到浸泡的水中而损失。

G-C薄膜的WVP相较于G-K显著增加。复合体中香芹酚的存在对明胶膜产生了一定的增塑作用，降低了明胶膜网络内的内聚力，从而导致WVP增加。Kavoosi等同样发现在明胶膜中添加香芹酚可导致WVP的增加。G-D膜的WVP最高，为1.93×10-12 g/（cm·s·Pa）。这是由于硅藻土颗粒的高孔隙率和聚集性，有利于水分子通过硅藻土内部孔隙和聚合物基体界面区域的扩散。结果表明，D/C复合体的加入会降低复合膜含水率和水溶性，但使其WVP增大。

食品在保存过程中的氧渗透性是影响食品保质期的一个重要因素。如表2所示，G-C薄膜的OP相较于G-K有所增加，这是因为香芹酚的增塑作用导致明胶基质分子间距增大，进而使膜的连续性和紧密结构受到影响；此外，随着D/C复合体添加量的增加，复合膜的OP也呈现逐渐增大的趋势，这是因为复合体中多孔性硅藻土的存在同样会破坏明胶基质致密完整的网络结构，进而促进空气中氧分子的通过，造成复合膜的OP增大。说明与G-K相比，复合膜的阻隔性能有所降低。

2.6 薄膜的抗氧化性和抗菌特性

抗氧化性

在明胶基质当中添加抗氧化活性物质能够有效抑制食品的氧化反应进而延长食品货架期。如图5所示，G-K、G-D均具有一定DPPH自由基清除效果，这是由于硅藻土本身并不具有抗氧化活性，但明胶中多肽具有一定的抗氧化活性。而G-C与G-D/C3均表现出最高的DPPH自由基清除率，且二者无显著性差异（P＞0.05）。当D/C复合体在明胶中添加量达到20%时，DPPH自由基清除率为56.33%。这是因为香芹酚具有较强的抗氧化活性，它的抗氧化能力除了取决于其环的空间位阻效应和电子效应外，还与羟基的存在有关，羟基能够提供氢原子与氧原子结合。因此，可以发现随着复合体添加量的增加，复合的DPPH自由基清除率显著提升（P＜0.05）。

抗菌性

如图6所示，由于明胶本身不具有抗菌活性，G-K组并未产生抑菌圈。随着加入复合体的添加量增加，复合膜样片周围透明的抑菌圈逐渐增大，说明复合膜具有较好的抑菌活性。当D/C复合体在明胶膜中添加量达到20%时，薄膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抑菌圈直径可分别达到39.40 mm和23.70 mm（表3）。这主要归因于D/C复合体中香芹酚能快速提高细菌细胞膜通透性及渗透压，造成胞内物质外泄，并且进入细胞内部的酚类物质可改变细菌酶系统，导致微生物死亡。此外，复合膜对金黄色葡萄球菌的抑菌性要强于对大肠杆菌的抑菌性。这是因为革兰氏阴性菌细胞壁通常会多一层脂蛋白层或磷脂层和脂多糖层，限制了酚类物质与细菌内部蛋白结合。对比G-D/C3与G-C两组，虽然它们含有等量的香芹酚，但G-D/C3的抑菌效果要略差于G-C。这可能与香芹酚被硅藻土负载后，在D/C复合体的释放速率较为缓慢有关，后续实验将进一步证实此推测。总地来说，D/C复合体的加入成功赋予明胶复合膜优异抗菌活性。

2.7 复合膜的香芹酚缓释性能

G-D/C3和G-C薄膜贮藏过程中香芹酚的释放率

香芹酚在薄膜放置过程中会因挥发而损失，导致复合膜的抗菌时效受到影响。由图7可知，随着贮藏时间的延长，精油香芹酚在G-D/C3复合膜中的释放率始终低于G-C薄膜。G-C复合薄膜中香芹酚在第14天左右便释放完全，而G-D/C3薄膜中香芹酚在第18天才完全释放，比前者延迟了4 d。这是由于在G-D/C3复合膜中，香芹酚的释放可分为两个阶段：第一个阶段为游离精油的挥发释放（与G-C组相似）；第二阶段为负载在硅藻土内部精油的迁移挥发。添加D/C复合体后，硅藻土的吸附负载能够减缓香芹酚释放的速率，有效降低其在明胶复合膜成膜和储存过程的损失，有利于延长复合膜的抗菌活性时效。

G-D/C3和G-C薄膜的抑菌性

基于上述实验结果，进一步测定了G-D/C3和G-C两组复合膜对金黄色葡萄球菌连续培养5 d过程中抑菌圈直径的变化，结果如图8所示。随着培养时间的延长，两组抑菌圈直径均有所减小，这与香芹酚的挥发损失有关。放置4 d后，G-D/C3薄膜抑菌圈直径在不再缩小；而G-C薄膜抑菌圈直径仍在不断缩小。印证了G-D/C3薄膜中香芹酚释放更为缓慢的结论。同时，可以发现在4 d后G-C膜周围出现多个单菌落，而G-D/C3膜中并未观察到有类似明显的变化。在贮藏结束时，G-D/C3薄膜抑菌圈直径由0 d时的45 mm最终降低至37 mm，变化率为17.8%；而G-C薄膜抑菌圈直径由0 d时的59 mm最终降低至44 mm，变化率为25.4%。以上实验结果均有效证明了G-D/C3薄膜相较于G-C薄膜具有更加长效的抑菌效果。

结论

本研究利用多孔性的硅藻土负载易挥发的香芹酚制备D/C复合体，并将其加入到明胶膜溶液中，利用流延成膜法制得活性复合膜，探究了不同D/C复合体添加量对复合膜结构与性能的影响。通过扫描电子显微镜观察和傅里叶变换红外光谱分析证实了香芹酚成功物理吸附在硅藻土内部孔洞与表面，且两者之间可能存在氢键等相互作用而有效结合。D/C复合体的加入显著改善了明胶基复合膜的光阻隔性能、水不溶性和EAB，但同时也会使TS、WVP和OP有所降低。更为重要的是，D/C复合体的加入赋予了明胶膜良好的抗氧化性和抑菌性能。此外，与含等量香芹酚的G-C膜相比，硅藻土的负载可以使G-D/C膜中香芹酚具有更缓慢的释放速率，有利于延长复合膜的抗菌时效。本实验研究结果能够为以无机硅藻土负载植物精油制备新型缓释抗菌明胶基复合膜的研发及其在食品包装方面的应用提供一定参考。

作者简介

通信作者：

吴贺君，副教授，四川农业大学理学院副院长。

主要学习和工作经历：

2005年—2009年 福建师范大学化学与材料学院 高分子材料与工程专业 工学学士；

2009年—2014年 四川大学高分子材料工程国家重点实验室 材料学专业 工学博士；

2014年—2016年 四川农业大学 讲师（引进人才）；

2017年—至今 四川农业大学 副教授。

研究方向：

1.食品包装与储藏

2.基于天然高分子的生物质材料制备、改性及应用研究

3.高分子及其复合材料加工制备及循环利用

学术组织任职：

现为中国材料研究学会会员、中国化学会会员和中国化工学会会员, 中国振动工程学会包装动力专业委员会理事、《包装工程》杂志专家委员会委员、《中国果菜》杂志青年编委、中国包装创意设计大赛评审委员会专业组评审委员和学术委员，担任《Trends in Food Science & Technology》、《Carbohydrate Polymers》、《International Journal of Biological Macromolecules》、《Journal of Polymers and Environment》、《Journal of Food Science》、《International Journal of Food Properties》等10多个国内外重要学术期刊通讯评审人。

论文发表：

(1) Development and characterization of antimicrobial protein films based on soybean protein isolate incorporating diatomite/thymol complex. Food Hydrocolloids, 2020,106138.(一作兼通信，大类Top， IF=7.053)等11 篇SCI英文文章

(2) 柚子皮基香芹酚抗菌膜的制备及性能[J]. 食品科学, 2018,39(17): 248-254. (通信作者，EI收录)等4 篇EI 文章。

(3) 茶多酚对可食性马铃薯淀粉/海藻酸钠复合膜性能影响及表征[J]. 核农学报, 2020, 34 (10): 2226-2234.(通 信作者，CSCD收录)等8 篇CSCD。

会议论文：

（4）硅藻土负载百里酚复合物的大豆分离蛋白基缓释抗菌膜的制备、性能及应用研究[C]// 第二届包装工程青年学术论坛. 2020. (通 信作者)等7项会议。

授权发明专利/软件著作权：

(1) 一种基于火龙果皮的可食性包装膜及其制备方法.专利号:ZL201510965347.4（排名第一，发明专利）等3项发明专利。

(2) 一种可折叠和组装便携式食品包装盒装置，专利号：ZL 2016 2 0260763.4（排名第一，实用新型专利）等17项发明专利。

第一作者：

李森，四川农业大学食品学院研究生。

个人学习经历：

2016.09—2020.06 西昌学院农业科学学院 食品质量与安全专业，工学学士；

2020.09—2023.06 四川农业大学食品学院 食品科学与工程专业，工学硕士。

获奖情况：

1.《蛋壳粉／PVA抗菌复合膜的制备及应用》全国大学生创新白马杯团队竞赛银奖。

2.校级优秀研究生干部、校级优秀研究生会先进个人。

攻读硕士学位期间发表的学术论文：

1. 李森, 马灵, 李婷. 含硅藻土负载香芹酚复合体的明胶基缓释抗菌膜的制备与性能. 食品科学, 2023: 1-14.（已发表, EI收录, IF= 3.472, 第一作者, 导师为通 信作者）

3. Junyu Lu, Ting Li, Ling Ma, Sen Li, et al. Wangqing Jiang. Optimization of heat-sealing properties for antimicrobial soybean protein isolate film incorporating diatomite/thymol complex and its application to blueberry packaging. Food Packaging and Shelf Life. 2021, 29: 100690.（已发表, SCI收录, IF=8.737, 第四作者, 导师为通 信作者）

本文《含硅藻土负载香芹酚复合体的明胶基缓释抗菌膜的制备与性能》来源于《食品科学》2023年44卷21期，作者：李森, 马灵, 李婷, 彭炉, 李莎莎, 李庆业, 周曼, 吴贺君。DOI：10.7506/spkx1002-6630-20220919-176。点击下方 阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：武汉轻工大学食品科学与工程学院 冯红；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。

为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科技创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、河北农业大学食品科技学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团等企业赞助的“第一届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于 2024年5月16-17日 在 中国 北京 召开。

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