劉丹青 盧立新,2 方家暢

(1. 江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

載Nisin殼聚糖淀粉涂布紙的制備與性能分析

劉丹青1盧立新1,2方家暢1

(1. 江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

制備一種以天然生物材料為防油抗菌涂層的新型防油抗菌紙，并測試其防油抗菌性能。將防油抗菌劑涂布于紙張表面制備防油抗菌紙，用表面排斥法測試其防油等級，用菌落法計算紙張對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抑制率。結(jié)果表明：1 g/100 mL殼聚糖溶液與10 g/100 mL淀粉溶液體積比為1∶2時，涂布紙張的防油等級達到8，防油部分成本約為0.3元/m2；Nisin的添加量達到1 g/100 mL時，涂布紙張對大腸桿菌以及金黃色葡萄球菌的抑制率分別為70.3%，72.8%。載Nisin殼聚糖淀粉涂布紙在保證防油性的同時，較殼聚糖涂布紙有效降低了成本，控制了黏度，且具有比淀粉涂布紙張更好的韌性與平整度，能有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。

殼聚糖；淀粉；乳酸鏈球菌素；防油抗菌；涂布紙

Abstract： Objective To prepare a new kind of grease resistant -antibacterial paper using natural biological material as grease resistant and antibacterial agents, and to test its grease resistance and antibacterial properties. Methods Grease resistant-antibacterial paper was prepared by coating grease resistant antibacterial agent on paper. The grease resistance grade was tested by surface repellency test. The inhibition rate of coated paper on Escherichia coli and Staphylococcus aureus was calculated by colony method. Results When the ratio of 1 g/100 mL chitosan to 10 g/100 mL starch was 1∶2, the grease resistance grade of coated paper reached 8, the cost was about 0.3 RMB/m2; when the addition amount of Nisin reached 1 g/100 mL, the inhibitory rates of coated paper on Escherichia coli and Staphylococcus aureus were 70.3% and 72.8%, respectively. Conclusion Nisin-loaded chitosan -starch coated paper, while ensuring grease resistance of paper, cost less than chitosan coated paper and has more suitable viscosity than chitosan and starch. It also has better toughness and flatness than starch coated paper, and can inhibit Staphylococcus aureus and Escherichia coli effectively.

Keywords： chitosan; starch; nisin; grease resistance; antibacterial; coated paper

紙質(zhì)材料作為食品常用包裝材料已得到廣泛應(yīng)用。近年來隨著即食、快消等食品消費增加，對紙質(zhì)包裝材料的性能要求愈來愈高。脂類食品的油脂浸染紙張后，不僅影響包裝的美觀性、整潔性、機械性能[1]，而且為細菌提供滋生條件，影響食品包裝質(zhì)量甚至安全。為此，研究、開發(fā)具有防油抗菌性能的包裝紙成為一種必然趨勢。

近年來，天然可再生材料在可食用生物降解薄膜以及食品包裝中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注?；诙嗵恰⒌鞍踪|(zhì)、脂質(zhì)的生物聚合物包裝材料，比石油基聚合物更加符合環(huán)境友好的要求，因此作為抗菌劑、抗氧化劑、著色劑等被廣泛用于食品行業(yè)[2]，其中殼聚糖與Nisin是典型的代表。殼聚糖是一種多糖，從甲殼動物的外殼與真菌細胞壁中提取而來，具有良好的生物相容性、生物降解性與成膜性[3]，并且對細菌有抑制作用，因此得到廣泛的研究，但因高成本、高黏度與低阻濕性在一定程度上限制了其在造紙工業(yè)中的應(yīng)用[4]。Nisin是由乳酸鏈球菌合成的一種細菌素，對人體無毒副作用[5]，在酸性條件下活性較高，在中性或堿性條件下失活[6]，在121 ℃高溫條件下也能保持活性，因此適應(yīng)食品與包裝的高溫加工過程[7]。作為抗菌劑使用至今并沒有出現(xiàn)大范圍的抗性突變[8]，是唯一被許可應(yīng)用于食品的細菌素。

目前，防油包裝紙的制作方法主要分為兩類[9]：① 使紙張浸漬涂布防油劑，或是在表面復(fù)合塑料薄膜，使其具有防油性。其中浸漬涂布類的主要防油劑為含氟防油劑。傳統(tǒng)的含氟防油劑生物積累性較強，對人體有毒性，因此近年來的研究主要集中在通過增加其他物質(zhì)減少含氟物質(zhì)使用、降低氟碳鏈長度、用雜原子修飾氟碳鏈等方式制造生物毒性低的含氟防油劑，以及開發(fā)蛋白質(zhì)、多糖類天然生物防油劑方面[10]；復(fù)合聚合物薄膜類防油紙常用的復(fù)合材料有PE、PVA等，這類紙塑復(fù)合材料廢棄后難以分離，回收困難，且塑料層不易降解，會使紙材料失去其環(huán)境友好優(yōu)勢。② 通過提高紙漿的打漿度使紙張具有防油性能。該方法下紙張防油性隨打漿度增高而有所提升，但由于纖維長度變短，結(jié)合緊密程度下降，紙張的撕裂強度與耐破度都會降低。因此該方法在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用具有較大局限性?？咕埌b可以通過抑制食品表面細菌生長延長其貨架期，同時也可以減少食品防腐劑的使用，更符合食品安全要求。目前通過漿內(nèi)添加、表面施膠、噴淋、浸漬以及涂布等方式將抗菌成分添加到紙基材料中，使其具有抗菌性能[11]。抗菌劑主要分為無機抗菌劑、有機抗菌劑與天然生物抗菌劑。其中，無機抗菌劑熱穩(wěn)定性好，具有廣譜抑菌性，生物毒性低，但工藝復(fù)雜，原料昂貴；有機抗菌劑殺菌效果好、作用產(chǎn)生迅速且成本低，但熱穩(wěn)定性較差，有一定生物毒性[12]，且長時間使用細菌易產(chǎn)生耐藥性；天然生物抗菌劑一般具有廣譜抑菌性，生物相容性好，但由于其熱穩(wěn)定性差，抑菌效果有限且作用時間短，尚未得到普遍應(yīng)用。國內(nèi)對于抗菌紙的研究基本處于實驗室研究階段，離工業(yè)化與商業(yè)化還有一定距離[13]。

在此基礎(chǔ)上，本試驗研制一種以可生物降解的天然高分子材料殼聚糖、淀粉為防油劑，以Nisin作為抗菌劑的新型防油抗菌紙，并對其性能進行了測定分析，旨在為含油脂食品提供更加安全、環(huán)保的防油抗菌包裝材料。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛皮紙：120 g/m2，上海凱寧紙業(yè)有限公司；

殼聚糖(CS)：生物試劑，脫乙酰度>95%，阿拉丁生化科技股份有限公司；

乳酸鏈球菌素(Nisin)：食品添加劑，南京益生源生物科技有限公司；

大腸桿菌CMCC(B)44102、金黃色葡萄球菌CMCC(B)26003：上海魯微科技有限公司；

可溶性淀粉、蓖麻油、乙酸、甲苯、正庚烷、NaCl、甘油、戊二醛：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；

牛肉浸出膏、胰蛋白胨、酵母浸出粉、平板計數(shù)瓊脂：生物試劑，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

涂布輥：60 μm，天津科信精機有限公司；

旋轉(zhuǎn)黏度計：NDJ-1型，上海精密儀器有限公司；

掃描電鏡：Su1510型，日本日立公司；

垂直層流潔凈工作臺：HCB-1300V型，海爾生物醫(yī)療有限公司；

立式壓力蒸汽滅菌鍋：LDZM-100G型，上海申安醫(yī)療器械廠；

生化培養(yǎng)箱：SPX-150B-Z型，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 防油劑、抗菌劑制備

(1) 可溶性淀粉防油劑制備：向100 mL去離子水中加入一定量的可溶性淀粉，在90 ℃水浴中攪拌30 min，使淀粉糊化，制成2，4，6，8，10 g/100 mL的淀粉溶液，備用。

(2) 殼聚糖防油劑制備：向100 mL乙酸與水的混合溶液中(乙酸與水的體積比為1∶20)加入一定量的殼聚糖，用磁力攪拌器在50 ℃條件下攪拌30 min，使其充分溶解，制成1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 g/100 mL的殼聚糖溶液，備用。

(3) 復(fù)合防油劑制備：將1 g/100 mL的殼聚糖溶液與10 g/100 mL糊化后的淀粉溶液分別按照3∶1，2∶1，1∶1，1∶2，1∶3的體積比融合，得到殼聚糖與淀粉溶液的不同比例混合溶液。向混合溶液中添加一定量的甘油與戊二醛，在50 ℃水浴中交聯(lián)30 min，備用。

(4) 抗菌劑Nisin添加：以交聯(lián)后的混合防油劑(殼聚糖溶液與淀粉溶液體積比為1∶2)為基材，分別向其中加入一定量的Nisin，并調(diào)節(jié)pH至4，制成含0.0，0.1，0.5，1.0，1.5 g/100 mL Nisin的防油抗菌劑。

1.3.2 紙張涂布 為了保證達到設(shè)定的涂布量以及均勻涂布的效果，涂布分2次進行。每次取5 mL配置好的防油劑，用涂布線棒均勻涂在20 cm×30 cm的牛皮紙的毛面，60 ℃下烘干1 min，取出晾干進行第2次涂布，之后再次在60 ℃烘干1 min。在23 ℃，50%相對濕度條件下處理24 h，準備進行防油等級測試。

3.2 《中國藥典》2015年版微生物限度檢查中計數(shù)法的適用范圍較舊版發(fā)生了變化[3]，TSA和SDA提升了微生物的促生長能力，擴大了計數(shù)微生物的類型和范圍[4]，供試品的霉菌和酵母菌總數(shù)為SDA上生長的總菌落。復(fù)方阿嗪米特腸溶片的霉菌和酵母菌總數(shù)計數(shù)采用“2.4.1”項，方法符合適用性試驗要求，因非目的菌的生長導(dǎo)致超出限度標準，企業(yè)可能將執(zhí)行停產(chǎn)整頓、產(chǎn)品銷毀等措施。

1.3.3 掃描電鏡分析 使用電鏡對比未涂布牛皮紙，殼聚糖、淀粉以及復(fù)合防油劑涂布紙的表面特征。

1.3.4 防油等級測試 采用GB/T 22805.2—2008中表面排斥法檢測紙張的防油性能。每張樣品隨機選取5點測試，若紙張未產(chǎn)生明顯浸潤黑斑，則證明達到該防油等級。由于食用油的張力在0.027～0.033 N/m[14]，因此食品防油紙的防油等級一般要求在5～8級。

1.3.5 防油抗菌紙抑菌率測試 將含不同濃度Nisin的防油抗菌劑的紙張裁成3 cm×3 cm的樣品置于試管中，每個試管加入0.5 mL菌液與10 mL營養(yǎng)肉湯(空白對照中不放置紙張，加入0.5 mL無菌水和10 mL營養(yǎng)肉湯)，39 ℃恒溫培養(yǎng)24 h。將加入抗菌紙培養(yǎng)24 h的菌液稀釋104，106，108倍，各取0.1 mL于平板培養(yǎng)基上，用涂布棒涂抹均勻，37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h，取菌落數(shù)量在30～300 CFU的培養(yǎng)基進行計數(shù)，并用式(1)計算抑菌率。

(1)

式中：

k——抑菌率，%；

n1——試驗組菌落數(shù)，CFU；

n2——對照組菌落數(shù)，CFU。

2 結(jié)果與討論

2.1 防油劑濃度對紙張防油等級及溶液黏度的影響

用旋轉(zhuǎn)黏度計測量防油劑黏度，制備的涂布紙張經(jīng)恒溫恒濕處理 24 h 后進行抗油脂性能檢測，結(jié)果見表1。

由于食品包裝的防油等級要求最低為5級，表1對防油等級低于5級的防油劑類型不予討論。結(jié)果表明，當(dāng)殼聚糖濃度為3 g/100 mL時涂布紙防油等級為7級，達到防油要求，此時溶液黏度較高(550 mPa·s)。當(dāng)?shù)矸蹪舛葹? g/100 mL時，涂布紙張的防油等級可以達到6級。但由于淀粉中含有不易結(jié)晶的支鏈淀粉，親水性強[15]，因此成膜性差、易脆裂且?guī)缀鯖]有阻水性[16]，涂布于紙張后則表現(xiàn)為紙張平整性差、發(fā)硬發(fā)脆、彎折時表面涂層極易開裂。因此淀粉涂布紙不適于加工成紙盒、紙袋等包裝。當(dāng)殼聚糖溶液與淀粉溶液體積比為1∶2時，涂布紙張的防油等級達到8級。此時溶液黏度適中(69 mPa·s)，同時涂布紙張的平整度與韌性較好，彌補了淀粉涂布紙皺縮、發(fā)硬的缺陷。

表1 不同防油劑對紙張防油等級及溶液黏度的影響

殼聚糖、淀粉的市場價分別約為180，18元/kg，由此可以估算出3 g/100 mL殼聚糖涂布紙、6 g/100 mL淀粉涂布紙與復(fù)合防油劑涂布紙(殼聚糖溶液與淀粉溶液體積比為1∶2)的成本分別約為0.9，0.18，0.3元/m2。即復(fù)合防油劑在保證涂布紙張防油等級與平整度等性能的前提下，成本較殼聚糖防油劑有了大幅度降低，更適于工業(yè)化生產(chǎn)。

2.2 不同防油劑涂布紙張掃描電子顯微鏡(SEM)分析

SEM可用來觀察和分析紙張和涂層的微觀結(jié)構(gòu)，是分析紙張及涂層表面結(jié)構(gòu)的一種簡便直觀的方式。

由圖1可知，未涂布紙張表面纖維交錯，但布滿孔隙，因此油脂極易滲透。涂布3 g/100 mL殼聚糖溶液的紙張雖然大部分纖維間隙已被填充，但仍存在較多孔隙，因此在防油測試中常出現(xiàn)點狀滲透。而10 g/100 mL淀粉溶液涂布紙在紙張表面形成致密的薄膜，紙張表面已經(jīng)完全觀察不到孔隙且?guī)缀跤^察不到纖維，因此防油等級高。但由于淀粉膜易脆裂，紙張表面存在許多裂紋，這些缺陷在紙張加工過程中很容易進一步擴大，影響紙張外觀、機械性能和防油性能。復(fù)合防油劑紙張表面既無孔隙，又無裂紋，整體較為均勻平整，證明了復(fù)合防油劑較殼聚糖、淀粉防油劑具有更好的綜合性能，更適于涂布加工紙張。

圖1 不同防油劑涂布紙掃描電鏡圖

2.3 防油抗菌紙對常見細菌的抑制效果

通過菌落試驗發(fā)現(xiàn)稀釋108倍時培養(yǎng)皿上的菌落個數(shù)基本處于30～300 CFU，適于計數(shù)，因此選取稀釋108倍的試驗組進行菌落計數(shù)與抑菌率計算，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，防油抗菌紙對金黃色葡萄球菌的抑制率總體高于對大腸桿菌的，但二者差別不大?？赡苁荖isin需要穿透細胞壁到達細胞膜發(fā)揮作用。革蘭氏陽性菌細胞壁的肽聚糖含量高，陰性菌則相對較少，結(jié)構(gòu)緊密，分子量>600 Da的分子不易通過。Nisin的分子量約為3 400 Da，因此更易通過革蘭氏陽性菌的細胞壁作用于其細胞膜，從而對革蘭氏陽性菌表現(xiàn)出更強烈的抑制作用[17]。也可能是殼聚糖本身具有廣譜抑菌性[4]，因此復(fù)合防油抗菌劑涂布紙對典型的革蘭氏陰性菌大腸桿菌、革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌均表現(xiàn)出一定的抑制作用。

圖2 大腸桿菌與金黃色葡萄球菌菌落計數(shù)結(jié)果及防油抗菌紙抑菌率

Figure 2 The number of colonies ofEscherichiacoliandStaphylococcusaureusand the antibacterial rate of coated paper

防油抗菌劑中Nisin的添加量達到1 g/100 mL時，涂布紙張對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制率分別為70.3%，72.8%，均超過70%，可認為防油抗菌紙能有效抑制大腸桿菌與金黃色葡萄球菌生長[18]。為了在達到抗菌效果的同時控制成本，防油抗菌劑選擇1 g/100 mL的Nisin添加量。菌落試驗中，空白對照組與添加1 g/100 mL Nisin的防油抗菌劑涂布紙組菌落數(shù)量對比見圖3。

圖3 菌落試驗中空白對照組與添加1 g/100 mL Nisin的防油抗菌劑涂布紙組菌落數(shù)量對比

Figure 3 Comparison of the number of colony in the blank control group and the 1 g/100 mL Nisin coated paper group

2.4 防油抗菌紙的機械性能分析

對未涂布牛皮紙、殼聚糖涂布紙、淀粉涂布紙以及復(fù)合防油劑涂布紙的抗張強度、斷裂伸長率、撕裂強度、耐破度等機械性能進行了測定分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂布紙的各類機械強度較未涂布紙均有所增強，其中殼聚糖涂布紙增量最大，復(fù)合防油劑涂布紙次之，淀粉涂布紙增量最小。綜上，復(fù)合防油劑涂布可以使紙張各方面機械性能較未涂布紙有一定程度的提升。

3 結(jié)論

采用殼聚糖與淀粉復(fù)配作為防油劑，當(dāng)1 g/100 mL殼聚糖溶液與10 g/100 mL淀粉溶液體積比為1∶2時，防油劑黏度適中，涂布紙張防油等級較高，防油部分成本較單純的殼聚糖涂布紙有了很大下降，且克服了淀粉涂布紙無皺縮、發(fā)硬的缺陷。在電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，復(fù)合防油劑紙張表面既無孔隙，又無裂紋，整體較為均勻平整，較之于殼聚糖、淀粉防油劑具有更好的綜合性能，更適于涂布加工紙張。同時，防油抗菌紙對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌均有一定抑制作用，涂布含1 g/100 mL Nisin的防油抗菌劑的紙張對大腸桿菌以及金黃色葡萄球菌的抑制率分別為70.3%，72.8%。

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Preparation and analysis of nisin-loaded chitosan-starch coated paper

LIU Dan-qing1LULi-xin1,2FANGJia-chang1

(1.JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.JiangsuKeyLaboratoryofAdvancedFoodManufacturingEquipmentandTechnology,Wuxi,Jiangsu214122,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.024

國家重點研發(fā)計劃課題(編號：2016YFD0400701)

劉丹青，女，江南大學(xué)在讀本科生。

盧立新(1966—)，男，江南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士。E-mail: lulx21@126.com

2017—06—05