介孔分子篩搭載槲皮素食品抗氧化活性包裝膜制備及其性能研究

李 成,丘曉琳,唐亞麗,詹光穎

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

槲皮素(Quercetin)是一種多羥基黃酮類化合物,化學名為3,5,7,3′,4′-五羥基黃烷酮,存在于多種果實中,具有較好的耐熱性,可承受300 ℃的高溫[1]。槲皮素能提供氫原子與過氧化物自由基ROO·反應生成穩定的氫過氧化物ROOH,從而中斷游離自由基鏈式反應[2]。Roedig[3]用含槲皮素的材料包裝葵花籽油,發現槲皮素可以延緩油脂的氧化。Pekkarinen[4]用含槲皮素的材料進行抗氧化性測試,發現槲皮素的濃度不同其抗氧化效果也有一定差異。LaCoste等[5]將α-生育酚充填到薄膜中,發現抗氧化劑的釋放速率有明顯延緩。1992年,Beck等[6]首次合成MCM(Mobil Composition of Matter)系列介孔分子篩之后,其多功能性的研究便成為國際熱點[7-8]。其中,介孔分子篩作為吸附劑,有介孔結構穩定、孔徑規則可調、高比表面積的優點,搭載天然高分子物質后,可達到控制釋放的作用[9]。控釋包裝(Controlled Realease Packaging,CRP)就是能夠控制活性物質從基體包裝材料中以可控的合適速率釋放出來的包裝,起到保證食品品質的安全,延長食品貨架壽命的作用。Heirlings等[10]通過將天然抗氧化劑吸附于二氧化硅介孔材料(SBA-15)中,再將其添加到薄膜基材中,發現抗氧化劑的釋放速率有所降低。

本研究通過控制原料的配比,制備出一種比表面積較高,孔道有序的二維六方分子篩(MCM-41),并對其各項性能進行表征。吸附槲皮素后將其填充到LDPE基材中制備出食品抗氧化活性包裝膜,采用DPPH自由基清除法,研究其抗氧化活性及其緩釋性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

槲皮素、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、正硅酸乙酯(TEOS)、25%氨水、無水乙醇(EtOH)、濃鹽酸、二甲基硅油、95%乙醇 國藥集團化學試劑有限公司;聚(乙二醇)-block-聚(丙二醇)-block-聚(乙二醇)Mn～2900(P131345)、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;低密度聚乙烯(LDPE) ExxonMobil公司。

WH220-HT磁力攪拌器 德國Wiggens公司;水熱合成反應釜 上海一凱儀器設備有限公司;RJ-TDL-50A低速臺式大容量離心機 無錫瑞江分析儀器有限公司;真空干燥箱 上海一恒公司;TENSOR紅外光譜儀(FT-IR) 德國Bruker公司;D2 PHASER θ立式測角儀 德國Bruker公司;ASAP 2010氮氣吸附裝置 美國Georgia公司,;1510掃描電子顯微鏡(SEM) 日本日立株式會社;DSCQ2000熱重分析儀(TG) 美國沃特世公司;LTE16-40雙螺桿擠出機、LMCR-300五層流延共擠機 LAB TECH 工程有限公司;TYS-T透濕測試儀、BYT-B1透氣測試儀 濟南蘭光機電技術有限公司;LRX PLUS 5KN電子材料實驗機 英國勞埃德(LLOYD)儀器公司;UV-1800紫外分光光度計 日本島津公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 介孔分子篩MCM-41的制備 先將CTAB、25%氨水、P131345按0.4884∶2.6∶0.00954(本研究中使用0.96 g CTAB、1.8 g 25%氨水、0.15 g P131345)的摩爾比混合,用83.00 g去離子水溶解,在60 ℃下劇烈攪拌0.5 h,待模板劑完全溶解,逐滴加入6.00 g TEOS,繼續攪拌2 h,轉入150 mL水熱反應釜中,在100 ℃晶化24 h。然后取出混合物,分別用無水乙醇和去離子水洗滌數次,采用酸醇萃取法將產物分散于100 mL無水乙醇和10 mL濃鹽酸的混合物中,在80 ℃下回流6 h[11],取出產物,在550 ℃馬弗爐中煅燒1 h,冷卻后密封保存。

1.2.2 槲皮素的吸附 將1.00 g槲皮素在50 ℃溶解于50 mL無水乙醇中,得金黃色溶液,取1.2.1中0.50 g產物,加入到槲皮素無水乙醇溶液中,500 r/min下磁力攪拌3 h。分離后置于真空干燥箱中,真空度為0.08 MPa,烘干過夜,稱重得1.13 g,得到MCM-41/Quercetin。

1.2.3 抗氧化活性包裝膜的制備 在170 ℃下,使用雙螺桿擠出機分別制備質量分數為1%的介孔分子篩、質量分數為1%的槲皮素、質量分數為1%的MCM-41/Quercetin的LDPE混合粒子,同時未添加介孔分子篩、槲皮素、MCM-41/Quercetin的LDPE粒子作為對照[12]。在190 ℃下,使用單螺桿擠出機分別制備對照膜和質量分數為1%的介孔分子篩、質量分數1%的槲皮素、質量分數為1%的MCM-41/Quercetin的LDPE薄膜,各類薄膜的厚度均為(55±2) μm。

1.2.4 介孔分子篩的分析 形貌分析:使用掃描電子顯微鏡(SEM)在15000倍下觀察產物的表面形貌特征;結構分析:采用小角X射線衍射分析(SAXS),測試條件:CuKα(0.154 nm)靶,光管功率為2.2 kW,2θ掃描范圍1～10°;氮氣吸附脫附實驗分析:根據等溫吸附線,通過BET(Brunauer-Emmet-Teller)理論模型算法得其比表面積和孔體積,通過BJH(Barrett-Joyner-Halenda)模型得其孔徑分布[13]。

1.2.5 搭載槲皮素的分析 成分分析:分別對介孔分子篩、槲皮素、吸附槲皮素后的介孔分子篩組裝體MCM/Quercetin進行FT-IR分析,掃描范圍為500～4500 cm-1;熱穩定性分析:分別對MCM-41、槲皮素、MCM-41/Quercetin進行熱失重分析(TG),測試條件:升溫范圍:25～800 ℃,升溫速率:氮氣保護下,10 ℃/min。

1.2.6 抗氧化活性包裝膜的性能分析

1.2.6.1 力學性能 分別對1.2.3中充填1%介孔分子篩的薄膜、1%槲皮素的薄膜、1% MCM-41/Quercetin的薄膜進行拉伸性能測試,測試方法參照GBT 1040.3-2006:樣品薄膜厚度為(55±2) μm,寬度為15 mm,實驗速度為200 mm/min,夾具間的初始距離為50 mm,測試三次取算數平均值。

1.2.6.2 阻隔性能 分別對1.2.3中充填1%介孔分子篩的薄膜、1%槲皮素的薄膜、1% MCM-41/Quercetin的薄膜進行阻隔性能測試。氧氣透過性測試參照GB/T 1038-2000壓差法,每類薄膜各取三張12 cm×12 cm的樣品,測試三次取算數平均值;透水蒸氣性測試參照GB 1037-88杯式法,每類薄膜各取三張直徑為8 cm的樣品,測試三次取算數平均值。

1.2.6.3 DPPH自由基清除率 DPPH法目前并未有一個標準化的方法,根據本研究中紫外分光光度計的精度及實際實驗條件[14],設計以下實驗方法:精確稱取19.7 mg DPPH,加入到500 mL 95%乙醇中,充分溶解,配制成濃度為0.1 mol/L的DPPH 95%乙醇溶液。將未添加抗氧化劑的對照膜和不同成分的復合膜裁成40 mm×40 mm大小的試樣,切成均勻碎片,放入10 mL棕色樣品瓶中,在瓶中加入所配DPPH溶液后密封,置于37 ℃的培養箱中,避光反應0.5 h和24 h。待復合薄膜釋放出的槲皮素與DPPH完全反應,用紫外分光光度計測定反應后體系在517 nm處吸光度,使用公式(1)計算活性膜的DPPH自由基清除率。將所有活性膜密封保存1200 h(50 d)后,重復上述實驗,計算DPPH自由基清除率:

式(1)

式(1)中,A對照-對照薄膜的吸光度,即對照膜的DPPH自由基95%乙醇溶液的吸光度;A樣品-多層薄膜的吸光度,即多層薄膜與DPPH自由基95%乙醇溶液反應混合溶液體系的吸光度。

1.2.6.4 槲皮素釋放速率的測定 槲皮素標準曲線的繪制:精確稱量0.0020 g干燥的槲皮素,用800 mL/L的乙醇溶液溶解,定容于250 mL容量瓶,得濃度為8 μg/mL 槲皮素標準品溶液。用紫外分光光度計測定不同濃度槲皮素溶液的吸光度,設置掃描最大吸收波長為374 nm,繪制槲皮素標準曲線[15]。

槲皮素從活性膜向食品模擬液中的釋放測試:將1.2.3中槲皮素薄膜、MCM/Quercetin薄膜分別裁成15個80 mm×40 mm的矩形膜樣,放入40 mL的棕色樣品瓶中,選用40 mL 95%乙醇作為食品模擬物,加入棕色樣品瓶中,密封后置于37 ℃的生化培養箱中,進行釋放實驗。分別定期取15次樣品瓶中的模擬液,測定吸光度,按照(1)中的線性回歸方程求得對應測試時間點模擬液中槲皮素的濃度。

活性膜擴散系數的擬合:本研究中,槲皮素的釋放量很低且雙面釋放,擴散過程屬于非穩態情況下,活性膜在模擬物中初始分布均勻,表面濃度相等的數學模型[16]。活性物質的擴散過程用基于菲克第二擴散定律的數學模型來描述,擴散系數D用以評估活性物質的擴散速率。使用公式(2)對擴散系數D進行估算:

式(2)

式(2)中,Mt-時間t內釋放到食品模擬液中的抗氧化劑的質量,μg;t-擴散時間,s;M∞-釋放達到平衡時模擬液中的抗氧化劑的質量,μg;dp-膜厚度,cm;D-擴散系數,cm2/s。

若活性物質從材料向食品模擬液中的釋放程度較低(Mt/M∞<0.6),實驗結束時釋放還未達到平衡,可以將公式(2)簡化成公式(3)[17]:

式(3)

式(3)中,Mp-活性材料中抗氧化劑的初始含量。

將槲皮素薄膜、MCM/Quercetin薄膜分別測得的15組數據用Matlab擬合得到擴散系數D(cm2/s)。

2 結果與分析

2.1 介孔二氧化硅的結構與表面形貌特征

2.1.1 形貌分析 如圖1所示,在15000倍下明顯觀察到本研究制備的MCM-41呈六方棒狀,并且大小均勻。MCM-41的SAXS分析如圖2所示,介孔MCM-41的射線衍射圖譜存在與孔道的六方排列對應在2θ為1.80°處有較強的衍射峰,即(100)面,另外幾個次峰分別對應(110)、(200)等晶面,表明所制得的納米二氧化硅為典型MCM-41的二維六方結構。

圖1 MCM-41掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron microscopy of MCM-41

圖2 MCM-41小角X射線分析圖Fig.2 Analysis of MCM-41 small angle x-ray scattering

2.1.2 孔結構分析 如圖3所示,MCM-41的吸附脫附等溫線呈現典型的Ⅳ型等溫線,在P/P0=0.1～0.4時,等溫線向上凸,吸附量持續增加。相對壓力增加到0.85附近時,等溫線上升平緩;在P/P0=0.85～1.0時,等溫線向下凹,吸附量徒然上升,達到吸附量的最高值,然后出現脫附等溫線,P/P0回到0,這是高度有序介孔材料的特征[18]。另外,從圖3中可以看出,吸附等溫線和脫附等溫線不重合,這可能是由于發生毛細凝聚現象,導致吸附滯后(Adsorption Hysteresis)的結果。將所得的氮氣吸附脫附等溫線通過BET(Brunauer-Emmet-Teller)理論模型算法得到MCM-41的表面積為439.173 m2/g,孔體積為0.665 cm3g-1;如圖4所示,介孔分子篩在兩個孔尺寸處的吸附體積達到峰值,得到孔徑分布圖,根據BJH(Barrett-Joyner-Halenda)模型得其孔徑分布為2.4 nm和4.0 nm,MCM-41較小的孔徑分布和較高的比表面和孔體積,有利于天然高分子的搭載。

圖3 MCM-41氮氣吸附脫附等溫線Fig.3 Nitrogen adsorption desorption isotherm of MCM-41

圖4 MCM-41孔徑分布Fig.4 Pore size distribution of MCM-41

2.2 介孔二氧化硅搭載槲皮素性能分析

2.2.1 成分分析 如圖5所示,波數1086 cm-1附近的吸收譜帶,是由孔道內部和外部的Si-O和外部的Si-O非對稱伸縮振動引起的,800 cm-1附近的吸收峰歸因于對稱的Si-O-Si伸縮振動和四面體Si-O-Si彎曲振動,在970 cm-1附近,樣品有一個窄而尖的吸收譜帶,歸因于Si-O基團的伸縮振動,這是MCM-41介孔分子篩骨架特征的吸收峰[19]。MCM-41/Quercetin分別出現了槲皮素的特征吸收峰和MCM-41的970 cm-1特征吸收峰，則表明MCM-41/Quercetin樣品吸附了槲皮素天然抗氧劑,并且很容易被檢測到。

圖5 MCM-41、槲皮素、MCM-41/Quercetin紅外光譜圖Fig.5 Infrared comparison of MCM-41 and molecular sieve loaded with Quercetin

2.2.2 溫度的影響 由圖6可知,MCM-41樣品有輕微的熱失重,考慮其多孔性以及可能殘留的少量反應有機物,其減小的質量可能是吸附的空氣中的水分以及少量的殘留物,屬于正常范圍;槲皮素的熱失重圖可得出其在350 ℃左右分解速率最高,加熱到800 ℃后并未完全分解,其現象為黑色的產物,應為槲皮素高溫反應后的碳化物;MCM-41吸附槲皮素的樣品經熱重測試后,可看出其失重速率明顯減慢,則MCM-41可能可以增加槲皮素的熱穩定性。

圖6 MCM-41、槲皮素、MCM-41/Quercetin熱重分析圖Fig.6 Comparative analysis of termogravimetric analysis of MCM-41 and molecular sieve loaded with Quercetin

2.3 抗氧化活性包裝膜性能分析

2.3.1 力學性能分析 由表1可知,在分別添加了純槲皮素、純分子篩和搭載槲皮素的分子篩后,薄膜的楊氏模量降低,但斷裂伸長率變大,說明粉體的添加可以使高聚物薄膜韌性變好。當向高聚物基材中充填粉體,粉體粒子在高聚物基體中的分散性較好時,可以作為應力集中點,引發大量的銀紋,從而吸收沖擊能量,使得復合材料的韌性變好,但是,同時造成界面缺陷增多,無機填料周圍產生應力集中,導致復合材料楊氏模量降低[20]。

表1 MCM-41、槲皮素、MCM-41/Quercetin薄膜力學性能Table 1 Mechanical properties of films

2.3.2 透濕透氧性分析 由表2可知,添加介孔分子篩后對薄膜的透濕性影響不大;添加純槲皮素和MCM-41/Quercetin組裝體后,薄膜的透濕量下降,因為槲皮素的疏水性,使水蒸氣的透過受阻;抗氧劑的添加,使O2的吸收加快,透氣系數增加。

表2 MCM-41、槲皮素、MCM-41/Quercetin薄膜透濕透氧性Table 2 Water vapor permeability and oxygen permeability of films

2.3.3 DPPH自由基清除結果 由表3可得,0.5、24、1200 h時,質量分數1%的槲皮素活性膜的DPPH自由基清除率均最高,但第1200 h時,質量分數1%的槲皮素活性膜的清除率相較24 h時稍有下降,質量分數1% MCM-41/Quercetin的活性膜的清除率相較24 h時有所提高,對照組的實驗和質量分數1%的介孔分子篩膜的實驗驗證了實際實驗中存在一些偏差。

表3 MCM-41、槲皮素、MCM-41/Quercetin薄膜的吸光度及自由基清除率分析Table 3 Absorbance and free radical scavenging rate analysis of films

2.3.4 活性膜中抗氧化劑釋放速率 如圖7所示,槲皮素標準曲線的線性回歸方程為y=0.0858x+0.0053,R2=0.9991,實驗結果表明在0.2～8 μg/mL范圍內呈現良好的線性關系。圖8為質量分數1%槲皮素膜和質量分數1% MCM-41/Quercetin膜中槲皮素釋放行為的擬合曲線,由Mt/Mp的值可以看出,實驗結束時(約52 d),兩類活性膜中槲皮素的釋放均未達到平衡。槲皮素膜中槲皮素的擴散系數D=2.127×10-13cm2/s,實驗結束時食品模擬物中槲皮素的濃度為6.52 μg/mL;MCM-41/Quercetin膜中槲皮素的擴散系數D=3.089×10-14cm2/s,實驗結束時食品模擬物中槲皮素的濃度為2.70 μg/mL。槲皮素經過分子篩搭載后,在高聚物基材中的擴散系數下降了一個數量級,說明介孔分子篩對槲皮素的釋放有明顯的控釋作用。

圖7 槲皮素標準曲線Fig.7 The standard curve of quercetin

圖8 槲皮素膜、MCM-41/Quercetin膜的釋放行為Fig.8 Release behavior of quercetin film and MCM-41/Quercetin film

3 結論

利用TEOS、CTAB、NH3·H2O和P131345按摩爾比為1∶0.4884∶2.6∶0.00954,制備出一種雙孔道介孔二氧化硅,SEM、SAXS和氮氣吸附脫附研究表明產物為高度有序的二維六方結構,其比表面積為439.173 m2/g,孔體積為0.665 cm3g-1,孔徑分布為2.4和4.0 nm。TG測試表明以介孔分子篩為載體可以增加天然抗氧劑的熱穩定性。DPPH自由基清除實驗表明了MCM-41/Quercetin抗氧化活性膜的有效性,同時第1200 h(50 d)的清除率為66.01%,表明活性膜的長效性。MCM-41/Quercetin膜中槲皮素的擴散系數D(cm2/s)比未經分子篩搭載槲皮素膜的擴散系數低,由2.127×10-13下降到3.089×10-14,表明介孔分子篩對抗氧化劑有控釋作用。

[1]Boots A W,Haenen G R M M,Bast A. Health effects of quercetin:From antioxidant to nutraceutical[J]. European Journal of Pharmacology,2008,585(2):325-337.

[2]李銀聰,闞建全,柳中. 食品抗氧化劑作用機理及天然抗氧化劑[J]. 中國食物與營養,2011,17(2):24-26.

[3]Roedig-Penman A,Gordon M H. Antioxidant properties of myricetin and quercetin in oil and emulsions[J].Journal of the American Oil Chemists Society,1998,75(2):169-180.

[4]Pekkarinen S S,Heinonen I M,Hopia A I. Flavonoids quercetin,myricetin,kaemferol and catechin as antioxidants in methyl linoleate[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,1999,79(4):499-506.

[5]LaCoste A,Schaich K M,Zumbrunnen D,et al. Advancing controlled release packaging through smart blending[J].Packaging Technology and Science,2005,18(2):77-87.

[6]Beck J S,Vartuli J C,Roth W J,et al. A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates[J].Journal of the American Chemical Society,1992,114(27):10834-10843.

[7]Davis M E. Organizing for better synthesis[J].Nature,1993,364(6436):391-393.

[8]Yang P,Zhao D,Margolese D I,et al. Generalized syntheses of large-pore mesoporous metal oxides with semicrystalline frameworks[J]. Nature,1998,396(6707):152.

[9]Qu F,Zhu G,Lin H,et al. A controlled release of ibuprofen by systematically tailoring the morphology of mesoporous silica materials[J].Journal of Solid State Chemistry,2006,179(7):2027-2035.

[10]Heirlings L,Siró I,Devlieghere F,et al. Influence of polymer matrix and adsorption onto silica materials on the migration ofα-tocopherol into 95% ethanol from active packaging[J].Food Additives and Contaminants,2004,21(11):1125-1136.

[11]M?ller K,Kobler J,Bein T. Colloidal suspensions of mercapto-functionalized nanosized mesoporous silica[J].Journal of Materials Chemistry,2007,17(7):624-631.

[12]Gargiulo N,Attianese I,Buonocore G G,et al.α-Tocopherol release from active polymer films loaded with functionalized SBA-15 mesoporous silica[J].Microporous and Mesopororous Materials,2013,167(167):10-15.

[13]金彥任,黃振興. 吸附與孔徑分布[M].北京:國防工業出版社,2015:108-150.

[14]韋獻雅,殷麗琴,鐘成,等. DPPH法評價抗氧化活性研究進展[J]. 食品科學,2014,35(9):317-322.

[15]陳志剛,山光強,譚玉琴,等. 紫外分光光度法測定槲皮素含量方法的建立[J]. 動物醫學進展,2016,37(1):122-124.

[16]王利兵. 食品包裝安全學[M].北京：科學出版社,2011:992-993.

[17]Chen X,Lee D S,Zhu X,et al. Release kinetics of tocopherol and quercetin from binary antioxidant controlled-release packaging films[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2012,60(13):3492.

[18]Das D,Lee J F,Cheng S. Selective synthesis of Bisphenol-A over mesoporous MCM silica catalysts functionalized with sulfonic acid groups[J]. Journal of Catalysis,2004,223(1):152-160.

[19]Umamaheswari V,Palanichamy M,Murugesan V. Isopropylation of m-cresol over mesoporous Al-MCM-41 molecular sieves[J]. Journal of Catalysis,2002,210(2):367-374.

[20]王茹,許文才,李東立.無機納米粒子改性劑對高聚物增強增韌的研究[C].全國包裝工程學術會議,2008.