一种光驱动抑菌玉米淀粉膜的制备方法

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[0013]
[8]cho ga-lam and h.jae-won,erythrosine b(red dye no.3):apotential photosensitizer for the photodynamic inactivation of foodborne pathogens in tomato juice.journal of food safety,2020.40(4)；
[0014]
[9]silva,a.f.,et al.,antimicrobial photodynamic inactivation mediated by rose bengal and erythrosine is effective in the control of food-related bacteria in planktonic and biofilm states.molecules,2018.23(9)。


技术实现要素：

[0015]
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种光驱动抑菌的玉米淀粉膜及其制备方法，解决现有技术中玉米淀粉膜存在的弱机械性能和高水敏感性，并提供一种绿色活性抑菌包装的新思路。
[0016]
为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：
[0017]
一种光驱动抑菌的玉米淀粉膜的制备方法，包括如下步骤：
[0018]
(1)将玉米淀粉加至水中，对其进行搅拌并加热，使玉米淀粉完全糊化，得到糊化液；
[0019]
(2)在步骤(1)得到的糊化液中加入增塑剂，然后在避光条件下，加入赤藓红b粉末，搅拌均匀后再加入膜强化剂，再次搅拌均匀，得到混合液；
[0020]
(3)将步骤(2)得到的混合液浇铸在平板上，轻微震荡去除气泡，置于烘箱内避光干燥，干燥后将膜从平板上剥离，得到玉米淀粉膜。
[0021]
上述得到的玉米淀粉膜置于适当光源下照射，即可产生抑菌效果。
[0022]
具体地，步骤(1)中，所述的玉米淀粉在水中的质量浓度为4-10％，优选6％，然后加热至70～85℃，优选80℃。并维持在该温度15～30min，优选20min。
[0023]
所述增塑剂为甘油、山梨醇、聚乙二醇、甘露醇、麦芽糖醇或吐温类的任意一种，优选为甘油；所述膜强化剂为柠檬酸、冰醋酸、苹果酸或乳酸等中的任意一种，优选为柠檬酸。
[0024]
具体地，步骤(2)中，所述的甘油与玉米淀粉的质量比为(0.1～0.5):1，优选0.25:1。
[0025]
具体地，步骤(2)中，所述的柠檬酸与玉米淀粉的质量比为(0.01～0.7):1，优选0.07:1。
[0026]
具体地，步骤(2)中，所述的赤藓红b的纯度≥90％，用量为玉米淀粉质量的1～5％，优选4％。
[0027]
具体地，步骤(3)中，所述的烘箱温度为40～50℃，优选45℃。所述的烘干的时长约为5～10h，优选7h。
[0028]
上述制备方法制备得到的光驱动抑菌玉米淀粉膜也在本发明的保护范围中。优选地，光驱动抑菌的方法为：使用光源范围为500～550nm，照射的时长为10～60min对玉米淀
粉膜进行处理。
[0029]
本发明还进一步要求保护上述光驱动抑菌玉米淀粉膜在食品包装中的应用。
[0030]
本发明通过将赤藓红b加入到玉米淀粉溶液中制成膜后进行光照，利用赤藓红b在光照射后会吸收光能被激发，变成不稳定的激发态，与分子氧接触后产生具有细胞毒性的活性氧自由基，包括单线态氧(1o2)、过氧化氢(h2o2)和羟基自由基(-oh)等，大大提升了玉米淀粉膜的抑菌性能。
[0031]
有益效果：相对于现有技术，本发明具有以下优点：
[0032]
(1)使用玉米淀粉、赤藓红b作为原料，制备得到无毒，环保，且稳定的薄膜；
[0033]
(2)利用柠檬酸作为交联剂改善玉米淀粉的分子性质，使赤藓红b与玉米淀粉紧密交联，制得理化性能较好的玉米淀粉-赤藓红b薄膜；
[0034]
(3)使用赤藓红b作为光敏抑菌剂，利用其在适当光照下被激发产生活性氧自由基的特性，制得有显著抗菌效果的玉米淀粉-赤藓红b薄膜；
[0035]
(4)本发明作为一种新型玉米淀粉膜的开发和制备，得到的薄膜能够应用于食品的包装，拓宽了玉米淀粉和赤藓红b在食品加工过程中的进一步利用。
附图说明
[0036]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0037]
图1是实施例1中不同浓度赤藓红b的玉米淀粉膜的效果图；
[0038]
图2是实施例1中不同浓度赤藓红b的玉米淀粉膜的水蒸气透过率图；
[0039]
图3是实施例1中不同浓度赤藓红b的玉米淀粉膜的水分含量图；
[0040]
图4是实施例1中不同浓度赤藓红b的玉米淀粉膜的水溶性图；
[0041]
图5是实施例1中光照不同时间的玉米淀粉膜产生的单线态氧图；
[0042]
图6是实施例1中光照不同时间的玉米淀粉膜产生的过氧化氢图；
[0043]
图7是实施例1中光照不同时间的玉米淀粉膜产生的羟基自由基图；
[0044]
图8是实施例1中光照不同时间的玉米淀粉膜对金黄色葡萄球菌抑菌效果图。
具体实施方式
[0045]
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
[0046]
以下实施例中：玉米淀粉购于上海源叶生物科技有限公司，纯度为98％；赤藓红b购于上海源叶生物科技有限公司，纯度≥90％；甘油购于西陇科学股份有限公司；柠檬酸购于国药集团化学试剂有限公司，纯度≥99.5％。
[0047]
实施例1玉米淀粉的质量浓度对玉米淀粉膜的理化性能的影响。
[0048]
分别配置4-10％(w/v)的玉米淀粉溶液，磁力搅拌加热至80℃并维持20min，使玉米淀粉完全糊化。按玉米淀粉量25％(w/w)加入甘油，再加入玉米淀粉量4％(w/w)的赤藓红b，搅拌均匀，最后加入玉米淀粉量7％(w/w)的柠檬酸，避光搅拌后得到玉米淀粉-赤藓红b混合液。
[0049]
取适量混合液浇铸在平板中，轻微震荡去除气泡，置于45℃烘箱内避光干燥7h，将干燥的薄膜从平板上剥离，置于25℃，50％rh且避光的环境中放置48h备用。
[0050]
选择均匀平整的薄膜，将其剪切成800mm
×
20mm的条形，然后使用质构仪(rapid ta，上海腾拔仪器科技有限公司，中国)测定拉伸强度和断裂伸长率。拉伸探头的速度设置为0.2mm s-1
。对每种薄膜的测试至少进行3次重复。随后根据下式计算拉伸强度(ts)和断裂伸长率(eb)。
[0051][0052][0053]
式中，f为膜受到的最大拉力(n)；s为膜的截面积(mm2)；l1为膜的初始长度(mm)；l2为膜拉伸至断裂时的膜长度(mm)。
[0054]
通过实验测定，可以发现，玉米淀粉的质量浓度为4％时，其拉伸强度为1.84
±
0.11mpa，断裂伸长率为139.81
±
5.96％；玉米淀粉的质量浓度为6％时，其拉伸强度为2.23
±
0.08mpa，断裂伸长率为114.89
±
6.38％；玉米淀粉的质量浓度为8％时，其拉伸强度为2.50
±
0.14mpa，断裂伸长率为74.9
±
5.91％。因此，综合来看，玉米淀粉质量浓度为6％时，膜的理化性能最佳。
[0055]
制备出的赤藓红b-玉米淀粉膜的厚度为0.17
±
0.04mm，可以在浇筑膜溶液的步骤时适当添加/减少浇筑的液体的量来改变膜的厚度。
[0056]
实施例2赤藓红b浓度对玉米淀粉膜的影响。
[0057]
配置6％(w/v)的玉米淀粉溶液，磁力搅拌加热至80℃并维持20min，使玉米淀粉完全糊化。按玉米淀粉量25％(w/w)加入甘油，再加入玉米淀粉量1-5％(w/w)的赤藓红b，搅拌均匀，最后加入玉米淀粉量7％(w/w)的柠檬酸，避光搅拌后得到玉米淀粉-赤藓红b混合液。
[0058]
取适量混合液浇铸在平板中，轻微震荡去除气泡，置于45℃烘箱内避光干燥7h，将干燥的薄膜从平板上剥离，置于25℃，50％rh且避光的环境中放置48h备用。最终得到的玉米淀粉膜置于的适当光源下(500～550nm)照射10～60min。按以上步骤制备不加入赤藓红b的玉米淀粉膜作为对照。
[0059]
图1是不同浓度赤藓红b的玉米淀粉-赤藓红b可食性膜的效果图。其中，1号样品为玉米淀粉膜(cs)，不包含赤藓红b；2号样品为加入1％赤藓红b的玉米淀粉膜(cs-eb1％)；3号样品为加入2％赤藓红b的玉米淀粉膜(cs-eb2％)；4号样品为加入3％赤藓红b的玉米淀粉膜(cs-eb3％)；5号样品为加入4％赤藓红b的玉米淀粉膜(cs-eb4％)；6号样品为加入5％赤藓红b的玉米淀粉膜(cs-eb5％)。
[0060]
从图1可以看出，赤藓红b浓度越高，玉米淀粉膜的红色越深，透明度逐渐下降。
[0061]
实施例3甘油添加量对玉米淀粉膜机械性能的影响。
[0062]
配置6％(w/v)的玉米淀粉溶液，通过磁力搅拌加热至80℃，并维持20min，使玉米淀粉完全糊化。按甘油：玉米淀粉比例分别为0.1:1、0.25:1、0.4:1、0.5:1加入甘油，再加入玉米淀粉量4％(w/w)的赤藓红b，搅拌均匀，最后加入玉米淀粉量7％(w/w)的柠檬酸，避光搅拌均匀后得到玉米淀粉-赤藓红b混合液。
[0063]
取适量混合液浇铸在平板中，轻微震荡去除气泡，置于45℃烘箱内避光干燥7个小时，将干燥的薄膜从平板上剥离，置于25℃，50％rh且避光的环境中放置48h备用。
[0064]
通过实验测定，可以发现，甘油：玉米淀粉比例为0.1:1时，膜的拉伸强度为2.34
±
0.12mpa，断裂伸长率为61.46
±
5.82％；甘油：玉米淀粉比例为0.25:1时，膜的拉伸强度为2.23
±
0.13mpa，断裂伸长率为114.89
±
6.38％，甘油：玉米淀粉比例为0.4:1时，膜的拉伸强度为1.72
±
0.09mpa，断裂伸长率为129.2
±
7.79％；甘油：玉米淀粉比例为0.5:1时，膜的拉伸强度为1.34
±
0.08mpa，断裂伸长率为141.69
±
6.88％。综合来看，甘油：玉米淀粉比例为0.25:1时，膜的理化性能最佳。
[0065]
实施例4柠檬酸含量对玉米淀粉膜机械性能的影响。
[0066]
配置6％(w/v)的玉米淀粉溶液，通过磁力搅拌加热至80℃，并维持20min，使玉米淀粉完全糊化。按玉米淀粉量25％(w/w)加入甘油，再加入玉米淀粉量4％(w/w)的赤藓红b，搅拌均匀，最后分别加入玉米淀粉质量1％，3％，5％和7％(w/w)的柠檬酸，避光搅拌后得到玉米淀粉-赤藓红b混合液。
[0067]
取适量混合液浇铸在平板中，轻微震荡去除气泡，置于45℃烘箱内避光干燥7个小时，将干燥的薄膜从平板上剥离，置于25℃，50％rh且避光的环境中放置48h备用。
[0068]
通过实验检测，可以发现，加入玉米淀粉质量1％的柠檬酸时，膜的颜色溶出率为3.27％；加入玉米淀粉质量3％的柠檬酸时，膜的颜色溶出率为0.92％；加入玉米淀粉质量5％的柠檬酸时，膜的颜色溶出率为0.23％；加入玉米淀粉质量7％的柠檬酸时，膜的颜色溶出率小于0.01％。因此，加入玉米淀粉质量7％的柠檬酸时，制出的赤藓红b-玉米淀粉膜的颜色溶出率最低。
[0069]
实施例5不同浓度赤藓红b对玉米淀粉膜的水蒸气透过率的影响。
[0070]
实验材料：实施例2中赤藓红b浓度为4％的膜材料；；
[0071]
实验方法：膜的水蒸气透过率(wvp)的测定；称量1.0g无水氯化钙颗粒添加到直径为50mm，高度为30mm且瓶口面积已知(0.5026
×
10-4
m2)的玻璃杯中(0％相对湿度，室温20℃，水蒸气压0kpa)。将平整、无孔洞的薄膜覆盖于杯口，并称重。将玻璃杯放入装有饱和氯化钠溶液的干燥器中(相对湿度为100％；温度20℃，水蒸气压2.337kpa)。每隔2小时对杯子称重，直到达到平衡(重量增加《0.01％)，每组试验重复3次。水蒸气透过率(wvp)由下列公式得到：
[0072][0073]
式中，wvp是指水蒸汽的透过率(g/(m
·s·
pa))；δm(g)是指玻璃杯在时间δt(s)内的增重；l指膜的厚度(mm)；a指暴露出的膜面积(m2)；
△
p是指膜内外两侧的水蒸气压差(pa)。
[0074]
水蒸气渗透率(wvp)反映了薄膜的水蒸气阻隔性能。wvp越低，薄膜的水蒸气阻隔性能越好，越有利于延长食品的货架期，但以淀粉为基础的薄膜通常表现出相对较高的wvp。
[0075]
从图2可以看出，不同浓度的赤藓红b的加入一定程度上增加了膜的水蒸气透过率，但随着赤藓红b浓度的升高，wvp逐渐下降，这可能是由于赤藓红b分子穿插在膜基质中，导致更致密的膜分子和更曲折的水蒸气转移路径，最终导致水分子通过薄膜的速率下降。
[0076]
实施例6不同浓度赤藓红b对玉米淀粉膜的水分含量的影响。
[0077]
实验材料：实施例2中赤藓红b浓度为4％的膜材料；
[0078]
实验方法：膜的水分含量(mc)的测定；准确称取薄膜样品的初始重量(m1)，然后将
样品放入105℃烘箱中干燥24h，并定期称量直至达到恒重(m2)。膜的水分含量根据公式计算：
[0079][0080]
所有薄膜样品的水分含量如图3所示。对照膜与加入了不同浓度赤藓红b的薄膜存在显著差异(p《0.05)。由于赤藓红b与玉米淀粉羟基之间的相互作用，玉米淀粉羟基与水之间的相互作用趋于减弱，导致玉米淀粉-赤藓红b复合膜的水分含量降低。
[0081]
实施例7不同浓度赤藓红b对玉米淀粉膜的水溶性的影响。
[0082]
实验材料：实施例2中赤藓红b浓度为4％的膜材料；
[0083]
实验方法：膜的水溶性(ws)的测定；将薄膜样品放入105℃烘箱中干燥24h，定期称量直至达到恒重(m2)。然后将薄膜浸入10ml蒸馏水中并在25℃的摇床上轻轻摇动12h。过滤掉多余的水后，再次在105℃烘箱内干燥以达到恒重(m3)。水溶性根据公式计算：
[0084][0085]
水溶性是成膜材料的一个重要特性。特别是当膜材料用于高水分食品包装时，薄膜的完整性和耐水性变得非常重要。从图4可以看出，随着赤藓红b浓度的增加，膜的溶解度显著降低(p《0.05)。这可能是由于赤藓红b的加入使膜结构更加致密，或是减少了玉米淀粉可用的羟基，使水的不溶性得到提高。
[0086]
实施例8玉米淀粉膜的光驱动性测试。
[0087]
实验材料：实施例2中赤藓红b浓度为4％的膜材料；
[0088]
实验方法：玉米淀粉膜在光照下产生的单线态氧(1o2)的测量；将p-nda(50μm)和l-组氨酸(0.01m)溶解在0.01m磷酸盐缓冲溶液(ph＝7.35)中。将玉米淀粉膜(10mg)浸入制备好的溶液(10ml)中，然后将它们置于400-800nm的led面板(10w)下照射一段时间(10、20、30、40、50、60min)，随后立即测量其在440nm处的吸光值。通过添加和不添加l-组氨酸的系统之间p-nda消耗的差异来获得薄膜产生的单线态氧的量。单线态氧的产生是通过在l-组氨酸存在下对p-nda的漂白来确定的，并以440nm处吸光度降低的百分比来测量。
[0089]
从图5可以看出，玉米淀粉膜在光照下生成的单线态氧的量随着光照时间的增长而增加。空白对照膜中由于含有柠檬酸作为强化剂，产生了吸光值的少许波动，但在10min左右达到峰值，后无显著变化。
[0090]
实施例9玉米淀粉膜在光照下生成的过氧化氢的量的研究。
[0091]
实验材料：实施例2中赤藓红b浓度为4％的膜材料；
[0092]
实验方法：采用间接定量法检测玉米淀粉膜在光照下产生的过氧化氢(h2o2)的测量；将碘化钾(66g/l)、钼酸铵四水合物(0.2g/l)、氢氧化钠(2g/l)溶于超纯水中，得到试剂a。将邻苯二甲酸氢钾(20g/l)溶于水得到试剂b。将制备好的玉米淀粉膜(10mg)浸入10ml水中，然后将它们置于400-800nm的led面板(10w)下光照不同时间(10、20、30、40、50、60min)。每隔10分钟，提取1ml样品溶液并与1ml试剂a和1ml试剂b混合，然后剧烈涡旋混合物10秒。随后将混合物置于黑暗环境中5分钟以充分反应。样品溶液中形成的过氧化氢浓度可以通过测量351nm处的吸光值并通过过氧化氢与od
351
之间的标准曲线来定量确定。
[0093]
从图6可以看出，玉米淀粉膜在光照下生成的过氧化氢的量在光照40-50min时达
到峰值，为25.3μg/g。随后略微降低。
[0094]
实施例10玉米淀粉膜在光照下生成的羟基自由基的量的研究。
[0095]
实验材料：实施例2中赤藓红b浓度为4％的膜材料；
[0096]
实验方法：玉米淀粉膜在光照下产生的羟基自由基(
·
oh)的测量；产生的羟基自由基通过n,n-二甲基-对-亚硝基苯胺(p-nda)定量测量，p-nda是一种自由基清除剂，可立即淬灭形成的自由基。配备d65 led面板(10w)以提供光照。led与测试样品之间的辐照距离为10cm。将玉米淀粉-赤藓红b膜(10mg)浸入10ml的50μm p-nda溶液中，然后将其置于不同时间(10、20、30、40、50、60min)的辐照下。p-nda的分解是通过参考440nm处的吸收强度以光度法测量的。添加薄膜但避光的p-nda用作对照。薄膜产生的
·
oh量可以根据
·
oh和δod440之间的特定化学计量来定量计算。
[0097]
从图7可以看出，玉米淀粉膜在光照下生成的羟基自由基的量在光照10min左右时达到峰值，为73.16μg/g，后无显著变化。
[0098]
实施例11玉米淀粉膜的光驱动抑菌效果的测定。
[0099]
实验材料：实施例2中赤藓红b浓度为4％的膜材料；
[0100]
实验方法：通过平板计数法测定不同光照时间下玉米淀粉膜的抑菌效果。将10μl浓度为1
×
107cfu/ml金黄色葡萄球菌悬浮液滴到尺寸为1.2
×
1.2cm的玉米淀粉膜的表面。然后将样品置于无菌黑暗环境下进行10-60min的光辐照。每隔10分钟，将样品浸入990μl的0.85％的生理盐水中剧烈涡旋1分钟，以收集膜上的细菌。然后将收获的细菌悬浮液连续稀释102、104和105倍，随后取100μl的菌悬液涂布在lb琼脂板上，倒置放入37℃
±
1℃培养箱中培养24h后，选取菌落数在30～300cfu的平板计数。
[0101]
抑菌实验结果如图8所示，经过光照的玉米淀粉膜对金黄色葡萄球菌有明显的抑菌效果。
[0102]
由此可见，采用本发明提供的方法制备玉米淀粉膜，操作简单、成本低、可以大大提高膜的理化性质和抗菌性能，且具有低毒、环保、食用安全性高等特点，可以应用于食品保鲜中。
[0103]
本发明提供了一种光驱动抑菌玉米淀粉膜制备的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。