涂布抑菌防霉包裝紙及其性能研究

汪志強 楊福馨 陳晨偉

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

食品在生產、流通和儲藏的過程中很容易受到細菌、霉菌等微生物的污染，導致食品營養價值下降，品質變差，甚至危害人們的健康[1]。因此，為了保證食品安全衛生，需要對食品進行合適的包裝，以避免外來因素的侵害。

抑菌防霉功能是包裝紙重要的研究課題，它影響著產品的保質期，目前這方面還缺乏研究。抑菌功能性包裝紙通過緩慢釋放具有抗菌防霉作用的成分，達到控制包裝環境內微生物生長的目的。紙包裝材料具有成本低廉、資源豐富、可回收再利用、易降解等特點，是前景廣闊的綠色包裝材料[2]。抑菌紙的制備方法主要有涂布法、浸漬/噴淋法、漿內添加法、抗菌纖維技術等[3]。其中，涂布法制備抑菌紙具有操作方法簡便、生產成本低、均一性良好、便于控制用量、適合工業化生產等優點[4]。聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)是一種無毒無害無味的高分子聚合物，其分子鏈上有大量羥基，具有吸水性和生物可降解性[5]，并且對纖維素的粘著力強，成膜性好，在紙張表面涂布PVA可改善其光澤度、平滑度和其它的機械性能，同時使紙張具有熱封性能。

本研究擬將常用的食品防腐劑與PVA結合，涂布于紙張表面制備得到抑菌防霉包裝紙，可避免直接向食品中添加防腐劑，從根源上避免微生物污染食品。通過研究其抗菌性能、機械性能、阻隔性能和微觀結構等，優化試驗找到最佳的抑菌功能性包裝紙，旨在為食品抗菌保鮮材料的研究與工業化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

牛皮紙：克重為80 g/m2，蚌埠天成包裝科技股份有限公司；

聚乙烯醇(PVA)：聚合度1 799，上海精析化工科技有限公司；

山梨酸鉀：食品級，寧波玉龍科技股份有限公司；

脫氫乙酸鈉：食品級，上海崇明生化制品廠有限公司；

苯甲酸鈉：食品級，滕州市騰龍化工有限責任公司；

甘油：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

大腸桿菌(Escherichiacoli，ATCC25922)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，CCTCC AB 91093)：農業部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室(上海)；

LB營養瓊脂、胰蛋白胨大豆肉湯(TSB)：青島高科園海博生物技術有限公司。

1.1.2 儀器與設備

電子數顯螺旋測微儀：L-0305型，0～25 mm，桂林廣陸數字測控有限責任公司；

涂膜器：AZY-SERIES型，安卓源科技有限公司；

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S型，邦西儀器科技(上海)有限公司；

電子天平：SZ-A30002型，諸暨市超澤衡器設備有限公司；

電腦測控抗張實驗機：DCP-KZ300型，四川成都名馳儀器有限責任公司；

鼓風干燥箱：DHG-9140A型，上海慧泰儀器制造有限公司；

紙板撕裂度儀：J-SLY16kA型，四川長江造紙儀器有限公司；

水蒸氣透過率測試儀：PERMATRAN-W1/50型，美國膜康有限公司；

氣體滲透測試儀：G2/132型，濟南蘭光機電技術有限公司；

掃描電子顯微鏡：S-3400N Ⅱ型，Hitachi(日立)公司；

超凈工作臺：Labconco型，美國Labconco公司；

恒溫培養箱：MIR154型，日本三洋電機生物醫藥株式會社。

1.2 方法

1.2.1 PVA溶液的制備 準確稱取6 kg聚乙烯醇顆粒，用蒸餾水洗凈后置于恒溫鼓風干燥箱中60 ℃干燥10 h，再將干燥后的聚乙烯醇顆粒倒入反應釜中，向反應釜中加入44 L蒸餾水，設置反應釜轉速40 r/min，溫度65 ℃，恒溫溶脹2 h。加入2.5 kg甘油作增塑劑，在95 ℃恒溫條件下連續攪拌4.5 h使聚乙烯醇顆粒完全融化，最后在-0.1 MPa下脫氣30 min，即制得PVA溶液[6]。

1.2.2 聚乙烯醇抗菌液的制備 將山梨酸鉀、脫氫乙酸鈉、苯甲酸鈉3種抗菌劑分別加入到適量上述制備的PVA溶液中，抗菌劑的質量分數分別為0%，3%，6%，9%，使用磁力攪拌器攪拌60 min進行混合均勻使之完全溶解，即制得聚乙烯醇抗菌液。

1.2.3 抑菌紙的制備 本試驗采用表面涂布法進行制備。首先將牛皮紙裁切成30 cm×20 cm大小，用移液器吸取15 mL配制好的聚乙烯醇抗菌液于牛皮紙上，再用涂膜器在常溫下涂布30 s使之均勻分布，涂布方向均為橫向與縱向交替進行且涂布次數相同，然后在60 ℃的烘箱中干燥30 min，即制得抑菌紙。

1.2.4 厚度測量 使用電子數顯螺旋測微儀在抑菌紙上選取8個點測量，結果取平均值。測得的厚度用于抗拉強度、水蒸氣透過系數、氧氣透過量的測試。

1.2.5 抗菌性能測定 采用抑菌圈法。該試驗在超凈工作臺的無菌條件下進行，先用打孔器將抑菌紙打孔得到直徑為6 mm的圓片并進行2 h紫外滅菌，再分別吸取1 mL 濃度為105CFU/mL的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌滴在對應的培養基上，用無菌玻璃涂布器涂布均勻，靜置10 min使菌液擴散完全[7]。用滅菌后的鑷子將圓片樣品貼于培養皿的中心位置，37 ℃培養箱中倒置培養24 h，觀察菌體生長情況并測量抑菌圈直徑(包括樣品直徑)。未添加抗菌劑的樣品做對照，每個樣品5個平行，取平均值。

1.2.6 抗菌劑的選擇 將3種聚乙烯醇抗菌液分別涂布于牛皮紙上制得3種抑菌紙，采用抑菌圈法檢驗3種抑菌紙對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效果，選擇抑菌圈最大的抑菌紙做機械性能、阻隔性能、微觀結構的研究。

1.2.7 抗拉強度測定 參考ASTM D1003-61的方法，并做調整，具體步驟：首先將抑菌紙裁切成寬為15 mm的長條狀，設置夾距50 mm，環境相對濕度50%，溫度25 ℃，拉伸速率100 mm/min，使用電腦測控抗張實驗機進行測試，每個樣品測試6次，取平均值。按式(1)計算抗拉強度。

(1)

式中：

Ts——抗拉強度，MPa；

F——試樣斷裂是所承受的最大張力，N；

S——試樣的橫截面積，m2。

1.2.8 撕裂度測定 試驗前先對儀器進行調試，按照GB/T 450—2008《紙和紙板樣品的采取》規定采取并處理試樣，尺寸為63 mm×50 mm，長邊分別為紙纖維的橫向和縱向。測定的方法為：先將扇形擺體置于待撕位置，指針靠住指針調節板；采用標準試樣層數(4層)，試樣短邊平放并夾持在2組夾紙器鉗口內；按下切刀，對試樣切口，切口長度20 mm；按下測試按鍵，令擺做1次全程擺動，扇形擺體回程時，用手順擺動方向輕握扇形擺體，并放回待撕位置；讀取指針示值，每種樣品測5次取平均值。按式(2)計算撕裂度值。

(2)

式中：

Ft——被測試樣撕裂度值，mN；

n——被測試樣的層數；

S——標尺讀數，mN。

1.2.9 水蒸氣透過系數測試 參考魏麗娟等[8]的方法，使用水蒸氣透過率測試儀對抑菌紙進行測試。試驗條件為：溫度37.8 ℃，濕面相對濕度100%，干面相對濕度10%，每種樣品測試5次(每次測試的誤差要求<5%)，結果取平均值。按式(3)計算水蒸氣透過系數。

(3)

式中：

WVP——水蒸氣透過系數，g/(m·s·Pa)；

WVTR——儀器測得的水蒸氣透過值，g/(m2·d)；

d——紙的厚度，mm；

ΔP——測試壓力0.2 MPa。

1.2.10 氧氣透過量測試 按照GB/T 1038—2000的方法，用氣體滲透測試儀測定抑菌紙的氧氣透過量。試驗溫度25 ℃，相對濕度65%，每個樣品測5次，結果取平均值[9]。

1.2.11 微觀結構分析 用來表征抑菌紙的微觀結構。首先將抑菌紙樣品裁切成10 mm×6 mm大小，垂直粘貼在樣品盤上，再用離子濺射儀抽真空，并在20 mA電流下噴金處理30 s，然后用加速電壓3.4 kV的掃描電子顯微鏡放大600倍觀察樣品橫切面的微觀結構并拍照[10]。

1.3 數據處理

各項試驗結果采用SPSS Statistics 22.0進行數據統計分析，運用方差分析法(ANOVA)進行顯著性檢驗，顯著差異水平取P<0.05。

2 結果與分析

2.1 抗菌劑種類對抑菌紙抗菌性能的影響

抑菌圈法是根據抑菌樣品在瓊脂培養皿中抑制細菌生長形成的透明圈大小來定性測定抑菌效果的方法[11]。抑菌圈越大，則抑菌能力越強；反之，抑菌圈小，則抑菌能力越弱。試驗中使用的大腸桿菌是革蘭氏陰性菌的代表，金黃色葡萄球菌是革蘭氏陽性菌的代表[12]。表1為分別加入質量分數為6%的抗菌劑制備的抑菌紙的抑菌效果。由表1可知，添加相同濃度的3種食品防腐劑，使用脫氫乙酸鈉制備的抑菌紙的抑菌圈直徑最大，即在該試驗中的抑菌效果最好。因此選擇脫氫乙酸鈉抑菌紙進行性能測定。

表1相同濃度下不同抗菌劑的抑菌效果?
Table 1Antibacterial effects of different antibacterial agents at the same concentration

mm

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 抑菌紙的抗拉強度

紙張的抗拉強度反映的是紙張抵抗破壞(斷裂)的能力，是紙張機械性能的一項指標。表2為牛皮紙和不同濃度抑菌紙的抗拉強度。由表2可知，抑菌紙的厚度比原牛皮紙增加了約0.02 mm，為一層抗菌PVA膜。紙張縱向的抗拉強度均大于橫向，由于紙纖維是縱向排列的，試驗中測試紙張的縱向抗拉強度需要拉斷纖維，而測試橫向抗拉強度主要是破壞纖維與纖維之間的聯結力，因此縱向抗拉強度大于橫向抗拉強度。使用抗菌液對牛皮紙涂布處理之后得到的抑菌紙的抗拉強度較原紙有明顯提高，是因為抑菌紙表面有一層PVA膜，聚乙烯醇分子間作用力與聚乙烯醇與紙纖維作用力以及紙纖維間作用力之和要大于單一的紙纖維間作用力。添加不同質量分數的抗菌劑對抗拉強度無明顯影響。

表2 抑菌紙的抗拉強度?Table 2 Tensile strength of antibacterial paper

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.3 抑菌紙的撕裂強度

撕裂強度是衡量包裝材料耐撕裂性能的一項指標，其值越大越能抵抗外力的撕裂作用。表3為牛皮紙和不同濃度抑菌紙的撕裂強度。由表3可知，紙張橫向的抗拉強度均大于縱向，同樣是由于紙纖維排列方向的原因，測定橫向的撕裂強度需要撕斷纖維，而測定縱向撕裂強度只需要破壞纖維之間的聯結力。涂布抗菌PVA溶液得到的抑菌紙的撕裂強度同樣有所提高；添加不同質量分數抗菌劑的抑菌紙的撕裂強度差異不顯著，即對撕裂強度無明顯影響。

表3 抑菌紙的撕裂強度?Table 3 Tear strength of antibacterial paper

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.4 抑菌紙的水蒸氣透過系數和氧氣透過量

微生物的生長繁殖需要水分和氧氣，因此包裝材料的阻隔性很大程度影響著包裝效果。牛皮紙本身為非勻質材料，且其纖維網絡是多孔結構，水蒸氣和氧氣可從紙張的孔隙穿過，使測試儀器無法測得水蒸氣透過系數和氧氣透過量。表4為添加不同質量分數抗氧菌劑的抑菌紙的水蒸氣透過系數和氧氣透過量。由表4可知，在牛皮紙表面涂布抗菌PVA后，阻隔性顯著增強，是由于紙表面的PVA膜具有良好的氣體阻隔性能。當添加的抗菌劑的質量分數增大時，水蒸氣透過系數和氧氣透過量有所降低，即阻隔性有所增強，可能是抗菌劑填充到PVA膜孔隙中使得抑菌紙更加緊密，從而阻隔性更好。

表4抑菌紙的水蒸氣透過系數和氧氣透過量?
Table 4Water vapor permeation coefficient and oxygen permeation of antibacterial paper

抗菌劑添加量/%水蒸氣透過系數/(×10-8g·m-1·s-1·MPa-1)氧氣透過量/(cm3·m-2·d-1·MPa-1)03.3864±0.0837a9794.4920±118.5631a33.1380±0.0846b9224.7432±101.0690b62.9840±0.0744c9059.9465±91.4669c92.8676±0.0672d8897.5903±93.1111d

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.5 抑菌紙的微觀結構

圖1為添加不同質量分數抗菌劑的抑菌紙微觀結構圖。在600倍掃描電鏡下可以觀察到抑菌紙的表面覆蓋一層均勻的膠狀聚合物，而其內部結構無明顯變化。添加的抗菌劑與聚乙烯醇溶液相溶性強，能均勻分布。膠狀聚合物是PVA抗菌液烘干后的抗菌PVA膜，使得牛皮紙的阻隔性能顯著增強。

2.6 添加不同濃度抗菌劑的抑菌紙抗菌性能

表5為添加不同質量分數抗菌劑的抑菌紙的抑菌效果。由表5可知，未添加抗菌劑的試驗組未出現抑菌圈，抗菌劑濃度越高的試驗組抑菌圈越大，抑菌效果越好。脫氫乙酸鈉抑菌紙對金黃色葡萄球菌的抑制能力相對于大腸桿菌更強，與潘曉倩等[13]和邱艷娜等[14]的研究一致。

圖1 牛皮紙和不同質量分數抑菌紙的微觀結構圖Figure 1 Microstructure of kraft paper and different mass fraction of antibacterial paper (×600)

表5 添加不同質量分數抗菌劑的抑菌效果?Table 5 Antibacterial effect of adding different mass fraction antibacterial agents

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

3 結論

(1)將牛皮紙涂布抗菌PVA溶液處理后得到的抑菌紙進行抗菌性能、機械性能、阻隔性能、微觀結構表征的研究結果表明：抑菌紙相較于原牛皮紙，其抗拉強度和撕裂強度都有著一定程度的提高，對水蒸氣和氧氣的阻隔性顯著增強。掃描電鏡的結果顯示抗菌PVA膜在紙的表面均勻覆蓋，說明具有抗菌均一性。

(2)將分別添加3種抗菌劑得到的抑菌紙進行抑菌圈試驗，脫氫乙酸鈉抑菌紙的抑菌圈最大，抑菌效果最佳。添加抗菌劑的質量分數越高，抑菌效果越好。相同濃度的脫氫乙酸鈉抑菌紙對金黃色葡萄球菌的抑菌效果優于大腸桿菌。

(3)本研究將PVA和食品防腐劑結合起來應用于普通牛皮紙制備出新型抑菌防霉包裝紙，兼具安全性、環保易降解、抑菌防霉功能以及良好的機械性能和阻隔性能，可作為食品包裝材料。但本試驗尚有遺留的問題，后續將從以下方面進行研究：研究不同聚合度的PVA對抑菌防霉包裝紙性能的影響；研究食品防腐劑復配作用對包裝紙抑菌防霉功能的影響。