一种抑菌纳米纤维膜的制备方法与流程

1.本发明涉及食品保鲜领域，具体涉及一种抑菌纳米纤维膜的制备方法。


背景技术：

2.随着生活水平的提高，人们逐渐追求健康、营养和饮食的多样化，特别是对水果、蔬菜、肉类和水产品等生鲜食品的需求日益增加。新鲜食物的新鲜度是消费者的一个重要指标。生鲜食品在冷藏和销售过程中面临微生物的腐败变质，导致保质期短。因此，开发抗菌包装材料是保证新鲜食品质量和延长食品货架期的关键。但是，现有抑菌纳米纤维膜在安全性、稳定性和抗菌性能方面还不能满足要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种抑菌纳米纤维膜的制备方法，该方法简单，成本低，制备的纳米纤维膜具有优良的安全性、抑菌性、稳定性、延展性和较高的拉伸强度。
4.本发明的目的采用如下技术方案实现：
5.一种抑菌纳米纤维膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
6.将含有100
‑
140g/l明胶、10
‑
30g/l玉米醇溶蛋白和50
‑
1000mg/l紫苏醛的电纺膜共混液采用静电纺丝技术制备得到抑菌纳米纤维膜。
7.在本发明中，所述电纺膜共混液中紫苏醛的浓度为250
‑
500mg/l。
8.在本发明中，所述电纺膜共混液中紫苏醛的浓度为500mg/l。
9.在本发明中，所述电纺膜共混液采用如下方法制备：将明胶和玉米醇溶蛋白依次溶解于体积百分浓度为70
‑
85％的冰乙酸水溶液中，得到明胶
‑
玉米醇溶蛋白电纺液；将紫苏醛溶于tween
‑
80中，得到紫苏醛溶液；将紫苏醛溶液加入到上述明胶
‑
玉米醇溶蛋白电纺液中，得到所述电纺膜共混液。
10.在本发明中，所述紫苏醛溶液中紫苏醛的质量百分浓度为20
‑
30％。
11.有益效果：本发明抑菌纳米纤维膜的原料明胶和玉米醇溶蛋白均为食品级，制备方法简单易操作，成本低，制备的纳米纤维膜具有优良的安全性、抑菌性、稳定性、延展性和较高的拉伸强度，是可食用的抗菌纳米纤维膜。
附图说明
12.图1各膜包装鸡胸肉储藏不同时间活菌数的变化，其中control是对照组 (g/z膜)。
13.图2各膜包装鸡胸肉储藏期间tvb
‑
n随储藏时间的变化，其中control是对照组(g/z膜)。
14.图3各电纺膜共混液及明胶
‑
玉米醇溶蛋白电纺液的粘度，g/z表示对照膜， g/z/p(5:1:0.0025)、g/z/p(5:1:0.005)、g/z/p(5:1:0.01)、g/z/p(5:1:0.02)、 g/z/p(5:1:0.04)分别表示抑菌纳米纤维膜1、2、3、4和5。
15.图4抑菌纳米纤维膜和对照膜及纤维直径正态分布图，a
‑
f分别抑菌纳米纤维膜1、2、3、4和5，g为对照膜，正态分布图的横坐标为fiber diamter(nm)，纵坐标为相对频率(％)。
16.图5抑菌纳米纤维膜与对照膜的xrd图，其中gelatin、zein、分别表示明胶和玉米醇溶蛋白，g/z表示对照膜，g/z/p(5:1:0.0025)、g/z/p(5:1:0.005)、 g/z/p(5:1:0.01)、g/z/p(5:1:0.02)、g/z/p(5:1:0.04)分别表示抑菌纳米纤维膜1、2、 3、4和5。
17.图6抑菌纳米纤维膜和对照膜的dsc曲线(a)和tga热重曲线(b)，其中 g/z表示对照膜，g/z/p(5:1:0.0025)、g/z/p(5:1:0.005)、g/z/p(5:1:0.01)、 g/z/p(5:1:0.02)、g/z/p(5:1:0.04)分别表示抑菌纳米纤维膜1、2、3、4和5。
18.图7抑菌纳米纤维膜及对照膜的水接触角，g/z表示对照膜， g/z/p(5:1:0.0025)、g/z/p(5:1:0.005)、g/z/p(5:1:0.01)、g/z/p(5:1:0.02)、 g/z/p(5:1:0.04)分别表示抑菌纳米纤维膜1、2、3、4和5。
19.图8抑菌纳米纤维膜和对照膜对金黄色葡萄球菌和沙门氏菌的抑菌活性变化，横坐标是处理时间，纵坐标是总活菌数，g/z表示对照膜，g/z/p(5:1:0.0025)、 g/z/p(5:1:0.005)、g/z/p(5:1:0.01)、g/z/p(5:1:0.02)、g/z/p(5:1:0.04)分别表示抑菌纳米纤维膜1、2、3、4和5。
具体实施方式
20.下述实施例中涉及到的试验菌株、化学试剂盒仪器来源如下：
21.试验菌株：沙门氏菌(salmonella enteritidis h4)、金黄色葡萄球菌 (staphylococcus aureus g1)为目标菌，由江苏省农业科学院加工所畜禽研究室从新鲜鸡肉中分离鉴定并提供。
22.主要化学试剂：营养肉汤培养基、脑心浸出液培养基(bhi)，购于北京路桥技术有限责任公司；明胶，购于天津科密欧试剂有限公司；冰乙酸，购于上海阿拉丁生化科技有限公司；紫苏醛(纯度>95％)，购于上海源叶生物科技有限公司；玉米玉米醇溶蛋白(生物试剂，mw＝22
‑
24kda,纯度>92％)购自上海源叶生物科技有限公司。
23.主要仪器设备：exstar series tg/dta7200热重分析仪，日本sii nanotechnology inc公司；dp30静电纺丝仪，天津云帆科技有限公司；physica mcr301 流变仪，奥地利安东帕公司；pe(ultra view vox)转盘式激光共聚焦显微镜，美国铂金埃尔默股份有限公司；evo
‑
ls10扫描电子显微镜，德国卡尔蔡司股份公司；酶标仪美国biotek instruments有限公司；nicolet is50傅里叶变换红外光谱仪，美国赛默飞世尔有限公司；差示扫描量热仪，美国ta有限公司；d2 phaserx射线衍射仪，美国布鲁克公司。
24.实施例1抑菌剂的比较
25.将12.5g明胶溶于100ml醋酸溶液(80％v/v蒸馏水)中，在磁性搅拌器上搅拌15分钟，温度为50
‑
55℃，得到清晰均匀的溶液；将2.5g玉米醇溶蛋白加入上述溶液中，在50
‑
55℃下再次磁搅拌15min至透明，得到明胶
‑
玉米醇溶蛋白电纺液，标记为g/z，电纺所得膜记为g/z膜。在100ml g/z溶液中分别加入50mg 的紫苏醛、百里香酚(简称为t)和ε
‑
聚赖氨酸(简称为ε
‑
pl)，在20
‑
25搅拌 24h，得到3种不同的静电纺丝溶液，分别标记为g/z/p、g/z/t和g/z/ε
‑
pl，电纺后所得膜分别记为g/z/p、g/z/t和g/z/ε
‑
pl膜。以不添加抗菌剂的g/z膜
为空白对照，比较负载三种抗菌剂对膜的机械性能、理化特性、对冷鲜鸡胸肉保鲜效果的影响，进而筛选出具有良好特性和保鲜效果的纳米纤维膜作为食品包装膜的潜在应用材料。
26.表1 g/z/p、g/z/t和g/z/ε
‑
pl膜的机械性能
[0027] g/zg/z/pg/z/tg/z/ε
‑
pl延伸率(％)33.2739.1035.7136.48抗拉强度(mpa)1.862.882.641.88
[0028]
为了评价其应用性能，测试了负载不同抗菌剂的明胶/玉米醇溶蛋白纳米纤维的力学性能，断裂伸长率和拉伸强度如表1所示。空白对照组g/z纳米纤维膜断裂伸长率和抗拉强度分别为33.27％和1.86mpa。负载三种抗菌剂不同程度地改善了纳米纤维薄膜的力学性能，提高了薄膜的塑性。由表1可知，g/z/p膜的伸长率和抗拉强度最高，分别为39.10％和2.88mpa。g/z/p膜比g/z/t膜和g/z/ε
‑
pl膜分别提高了9.49％和7.18％。g/z/p膜的抗拉强度比g/z/t膜和g/z/ε
‑
pl 膜分别提高了9.09％和53.19％。以上结果表明，与百里香酚和ε
‑
聚赖氨酸相比，紫苏醛更有利于提高明胶/玉米醇纳米纤维薄膜的柔韧性和延展性。
[0029]
在屠宰和加工过程中受到污染的微生物是主要的腐败细菌，在冷冻肉和肉制品储存过程中迅速生长并导致质量恶化。分别用相同面积的各膜包装同样质量的鸡胸肉，在4℃储藏不同时间，检测活菌数。结果如图6所示，对照组(g/z膜) 的活菌总数(tvc)随着贮藏时间的延长显著增加，9d后达到7.77log(cfu/g)。使用g/z/p、g/z/t和g/z/ε
‑
pl膜包装的冷冻鸡胸肉的tvc明显低于对照组。结果表明，紫苏醛、百里香酚和ε
‑
聚赖氨酸的g/z具有良好的抑菌效果。g/z/p、 g/z/t和g/z/ε
‑
pl膜的tvc在储藏12天时，分别为5.95、6.61和7.41log(cfu/g)，其中g/z/p组的tvc最低。tvc测定进一步说明，在相同负载浓度下，紫苏醛纳米纤维膜对冷冻鸡胸肉的保存效果显著优于百里香酚和聚赖氨酸，可有效延长鸡胸肉6天的货架期。
[0030]
tvb
‑
n(挥发性盐基氮)是蛋白质分解产生的氨、胺等碱性含氮物质，是肉类腐败的重要指标之一。因此，检测上述鸡胸肉储藏过程中tvb
‑
n的变化。结果见图2。可以看到，贮藏期间各组的tvb
‑
n含量均有所增加，这是由于腐烂菌对蛋白质的分解造成的。对照组(g/z膜)的tvb
‑
n随贮藏时间的延长显著增加， 6d后达到17.391.67mg/100g，超过了中国畜禽新鲜肉卫生标准(&lt；15mg/100g, gb 2707
‑
2016)的要求。而封装纳米纤维薄膜的冷冻鸡胸肉的tvb
‑
n增长缓慢，抑菌能力表现为:g/z/p>g/z/t>g/z/ε
‑
pl。g/z/p组贮藏12d后tvbn含量为15.55 mg/100g。因此，tvb
‑
n的测量进一步支持了g/z/p纳米纤维薄膜具有最好的抗菌和保存效果。
[0031]
因此，紫苏醛纤维膜较好的抗菌剂。下面研究紫苏醛的浓度对纤维膜性能的影响。
[0032]
实施例2抑菌纳米纤维膜
[0033]
1.制备抑菌纳米纤维膜
[0034]
在20ml、80％(体积百分含量)冰乙酸水溶液中，加入2.5g明胶，在55℃水浴锅中搅拌0.5h使明胶溶解，然后加入0.5g玉米醇溶蛋白，搅拌8min，使玉米醇溶蛋白溶解，冷却至室温，得到明胶
‑
玉米醇溶蛋白电纺液。以tween
‑
80 为溶剂，配置25％(质量百分浓度)的紫苏醛溶液。将紫苏醛溶液加入明胶
‑
玉米醇溶蛋白电纺液中，配置紫苏醛含量为62.5、125、250、500、1000μg/ml的电纺膜共混液。
[0035]
采用dp30静电纺丝仪(天津云帆科技有限公司)将各电纺膜共混液分别进行电纺
膜，具体方法如下：将电纺膜共混液装入5ml注射器中，将注射器连接 18g luer
‑
lock金属针。注射泵连接高压电源。电纺丝进行时间为12小时，系统参数为：流量0.36mm/h，叶尖到集电极的距离150mm，电压为22kv。一个方形接地的集电极被固定在距喷嘴适当距离上，纳米纤维被收集在25
×
25的铝箔上。
[0036]
采用上述相同方法将明胶
‑
玉米醇溶蛋白电纺液进行电纺膜。
[0037]
紫苏醛含量为62.5、125、250、500、1000μg/ml的电纺膜共混液，经静电纺丝制作而成的膜分别被记为g/z/p(5:1:0.0025)、g/z/p(5:1:0.005)、 g/z/p(5:1:0.01)、g/z/p(5:1:0.02)、g/z/p(5:1:0.04)，依次标记为抑菌纳米纤维膜1、 2、3、4和5，具体见表2。而不负载紫苏醛的明胶
‑
玉米醇溶蛋白电纺液制备成的膜为对照膜，被记为g/z，为上述膜的对照。
[0038]
表2抑菌纳米纤维膜中紫苏醛含量
[0039][0040]
2.各抑菌纳米纤维膜的性能检测方法
[0041]
(1)电纺膜表征
[0042]
静电纺丝共混液性能的表征：采用paar physica mcr 301应力控制流变仪对各电纺膜共混液及明胶
‑
玉米醇溶蛋白电纺液在静态剪切作用下的流变性能进行表征，平板直径为20mm，测试温度控制在(25
±
5)℃。
[0043]
红外光谱测试:检测样品为抑菌纳米纤维膜1、2、3、4、5和对照膜，检测方法如下：波长范围为中红外(4000～600cm
‑1)，以4cm
‑1的光谱分辨率对每个光谱累积扫描32次。
[0044]
差示扫描量热:采用差示扫描量热仪(美国ta)测定抑菌纳米纤维膜1、2、 3、4、5和对照膜的dsc参数：玻璃化温度(tg)和熔点(tm)。检测方法如下：将4mg样品放入有盖的铝样品架中在氮气气氛下以10℃/min的加热速率升温到250℃，检测dsc参数。
[0045]
x射线衍射(xrd)：使用bruker d8 advance x射线衍射分析仪对抑菌纳米纤维膜1、2、3、4、5和对照膜进行分析。检测条件如下：电压为20kv，电流 5ma，kα扫描速率4
°
/min，步长0.02
°
，扫描范围5
°
～40
°
。
[0046]
扫描电子显微分析:采用扫描电子显微镜对抑菌纳米纤维膜1、2、3、4、5 和对照膜分析。将各样品表面喷金(25ma，40s)处理，扫描时加速电压为10kv，用image j软件统计纤维直径的大小与分布，n为100。
[0047]
热重分析:在氮气氛围下(气体流量15ml/min)，从室温条件下以10℃/min 的升温速率逐渐加热至600℃，利用tga q50(美国ta)热重分析仪测定抑菌纳米纤维膜1、2、3、4、5和对照膜的热重变化参数。
[0048]
静态水接触角测试:将抑菌纳米纤维膜1、2、3、4、5和对照膜分别剪裁成 2cm
×
2cm的尺寸大小并将其固定在载玻片上，调节液滴大小稳定5s后读数。
[0049]
(2)负载紫苏醛电纺膜抑菌测定
[0050]
电纺膜抑菌数量测定：取对数期(37℃培养5
‑
7h)金黄色葡萄球菌菌液7ml 以6000r/min离心10min，取菌体沉淀用0.85％生理盐水洗涤2
‑
3次，加入7ml 灭菌的生理盐水，震荡混匀后分别吸取1ml加入7个灭菌的2ml离心管中，每个离心管中分别加入25mg抑菌纳米纤维膜1、2、3、4、5、6或对照膜，室温下处理0、0.5、2、4h后，将菌液进行梯度稀释后倒板计数，考察不同时间下各抑菌纳米纤维膜及对照膜对金黄色葡萄球菌的抑制作用。另外，采用沙门氏菌替代金黄色葡萄球菌，观测各抑菌纳米纤维膜及对照膜在不同时间下对沙门氏菌的抑制作用。
[0051]
3性能检测结果
[0052]
(1)负载不同浓度紫苏醛电纺液流变力学变化
[0053]
各电纺膜共混液及明胶
‑
玉米醇溶蛋白电纺液剪切流变反应负载不同浓度紫苏醛共混液粘度的差异性，电纺膜共混液粘度的变化对电纺膜纤维直径及纺丝稳定性具有重要的影响。结果如图3，表明电纺膜共混液的粘度随着紫苏醛负载浓度的增加而增大。
[0054]
(2)负载不同浓度紫苏醛电纺膜形态及纤维直径
[0055]
紫苏醛的加入改变了明胶与玉米醇溶蛋白之间的作用方式，所有负载紫苏醛的抑菌纳米纤维膜的纳米纤维直径均小于未负载紫苏醛的对照膜。从图4可见，抑菌纳米纤维膜的直径随着紫苏醛负载浓度的增大而变粗。但是紫苏醛的浓度增加到500μg/ml时，抑菌纳米纤维膜的直径增到最大；当紫苏醛的浓度为1000 μg/ml时，抑菌纳米纤维膜的直径降为63nm，并且此时纤维膜纺丝难度加大。所以紫苏醛浓度为500μg/ml时，成为抑菌纳米纤维膜中紫苏醛的临界浓度。
[0056]
(3)负载不同浓度紫苏醛电纺膜红外光谱分析
[0057]
通过对明胶、玉米醇溶蛋白及其负载不同浓度紫苏醛的电纺纤维在红外光谱下的比较，结果表明，明胶、玉米醇溶蛋白及抑菌纳米纤维膜具有相似的特征峰，但存在一定的透射率差异。随着紫苏醛浓度的增加，改变了明胶、玉米醇溶蛋白及紫苏醛三者之间作用。红外光谱分析结果表明，紫苏醛的加入增加了他们三者之间氢键等分子间作用。抑菌纳米纤维膜逐渐增加的表观密度更加体现上述三者分子间的作用程度。上述结果说明，负载500μg/ml时，分子间氢键等作用力最强。
[0058]
(4)负载不同浓度紫苏醛的抑菌纳米纤维膜的xrd分析
[0059]
从图5可以看到，抑菌纳米纤维膜与对照膜一样，在20
°
和28
°
左右，均有两个不同强度的衍射峰，而明胶和玉米醇纳米纤维膜在20
‑
30
°
范围内只有一个峰。结果表明，凝胶、玉米醇溶蛋白和紫醛在纳米纤维膜中具有良好的相容性和相互作用。g/z/p
‑
250和g/z/p
‑
500在20
°
左右出现宽峰，强度更高，表明出现了强的分子间和分子内氢键。这个结果证实了ftir的发现。因此，当紫苏醛负载浓度在250～500μg/ml范围内时，有助于纳米纤维由无序向有序转变，提高结晶度。
[0060]
(5)负载不同浓度紫苏醛电纺膜热分析
[0061]
通过dsc(差示扫描量热法)和tga(热重)分析研究了抑菌纳米纤维膜的热稳定性和降解性能。结果(图6)表明，紫苏醛浓度的变化改变了明胶、玉米醇溶蛋白和紫苏的相互作用。抑菌纳米纤维膜在202.91℃和216.16℃出现弱热峰，抑菌纳米纤维膜4和5的tm(熔点温度)分别为215.67℃、216.16℃，高于其他材料。其他三种抑菌纳米纤维膜的tm值与对照膜没有显著差异，表明不小于250μg/ml的紫苏醛可以提高纳米纤维膜的热稳定性。
[0062]
(6)负载不同浓度紫苏醛电纺膜接触角
[0063]
玉米醇溶蛋白的结构中含有较高比例的疏水性基团，尤其是疏水性含硫氨基酸。抑菌纳米纤维膜中的明胶和玉米醇溶蛋白分子通过亲水基团形成氢键，进而形成更疏水的表面。从图7可见，紫苏醛加载浓度的增加，抑菌纳米纤维膜的接触角逐渐增加；且在不小于100μg/ml的条件下，抑菌纳米纤维膜的接触角均高于对照膜，这表明更高浓度的紫苏醛可能增加疏水基团的相对比例和减少纤维膜表面对水的吸收。
[0064]
(7)抑菌活性
[0065]
从图8可见，在抑菌纳米纤维膜处理两株菌2小时后，除抑菌纳米纤维膜4 和5外，其余各组金黄色葡萄球菌和沙门氏菌活菌数下降均有所减少，即使在4 小时后，差异也不显著。而抑菌纳米纤维膜4和5金黄色葡萄球菌和沙门氏菌下降到5.0～5.2log(cfu/ml)范围，且差异不显著。通过对比两株菌株处理4h后的下降率，再次证实了抑菌纳米纤维膜对肠内链球菌的抑制作用强于金黄色葡萄球菌。
[0066]
综上所述，负载浓度500μg/ml的紫苏醛的抑菌纳米纤维膜5可作为一种理想的抗菌包装。