高抗菌性聚乙烯醇/Ag@MOF食品包裝膜的制備與表征

張 猛，王國慧，張 欣，鄭裕祺，李少香, ，王 棟, ，李雁欣，曲文娟

（1.青島科技大學環境與安全工程學院, 山東青島 266000；2.山東省海洋環境腐蝕與安全防護工程技術研究中心, 山東青島 266000；3.青島科技大學山東省先進涂層工程技術研究中心, 山東青島 266000）

高分子納米復合材料因其優異的機械、物理和生物性能，在膜技術領域得到廣泛應用[1?5]。近年來，由于石油基材料造成的環境污染日益嚴重，具有良好生物相容性和生物降解性的聚合物成為研究的熱點[6?9]。在各類生物相容性聚合物基質中，聚乙烯醇（Ppolyvinyl alcohol，PVA）具有無毒、乳化性能和良好的機械性能以及成膜性能[6,10?12]。此外，通過在PVA基質中加入不同種類的納米填料，可以增強PVA基質在食品包裝領域中的性能[13?16]。通過添加抗菌填料與其進行物理共混來增強膜的抗菌性能，其中含有PVA/Ag復合膜已經被廣泛的研究[4,6]。雖然納米銀以其與Ag+的釋放有關的高殺菌效果而聞名，但當它們與細菌接觸時，往往會形成團聚，造成活性表面積的損失而限制了它們的活性[17]。因此，設計具有可控結構的新材料作為高效的介質來克服這一局限性仍是至關重要的。

金屬有機框架（Metal-organic frameworks，MOFs）是一種新型的無機-無機雜化聚合物，在生物醫學和藥物輸送等方面都表現出了其潛在的應用價值[18?21]。與傳統的殺菌劑相比，MOF抗菌劑具有廣譜抗菌、效力高、作用時間長、結構可調、熱穩定性好等優點。其中Ag@MOF具有特殊的棒狀結構，不僅可以使其均勻分散在聚合物基體中，而且可以持續釋放Ag+，避免團聚。此外，與AgNPs相比，Ag@MOF具有更優異的抗菌活性，這是由于MOFs對細菌細胞的滲透而造成細菌死亡。此外，Ag@MOF釋放的Ag+與硫醇蛋白之間的相互作用能夠造成細菌膜損傷，且有機連接體的官能團能與細菌細胞陽離子結合，降低細菌活性。更重要的是，Ag@MOF的抗菌活性可能與它們的結構有關，而結構可以通過選擇多功能的有機配體進行簡單的調整。然而，很少有人對Ag@MOF基薄膜的抗菌性能進行研究。

本文通過溶液澆鑄法合成了不同濃度的PVA/Ag@MOF混合薄膜。詳細研究了復合薄膜的力學、熱學、水阻隔、抗菌性能和細胞毒性，從而探明開發的復合膜是否適合食品包裝，以及獲得最合適的配方，為其在食品包裝領域的應用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

聚乙烯醇 聚合度為1788，阿拉丁試劑上海有限公司；吡啶-3,5-二羧酸 分析純，瑞恩試劑隴西有限公司提供；硝酸銀 分析純，國藥集團化學試劑有限公司；大腸桿菌ATCC25922和金黃色葡萄球菌ATCC6538 上海魯微科技有限公司；所有分離用有機溶劑 均為國產分析純。

IRAffinity-1光譜儀 日本島津公司；TD-3700 X射線衍射儀 日本科學公司；JSM-6700F掃描電子顯微鏡 日本電子公司；A1-7000M拉伸試驗機中國臺灣高鐵科技有限公司；SDT-Q600熱分析 美國TA儀器公司；Digidrop DX 德國GBX公司；SpectraMax iD5全自動酶標儀 美國Bio公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 Ag@MOF的合成 將0.14 g 吡啶-3,5-二羧酸H2PYDC分散于2 mL去離子水中，得到懸浮液A，將0.32 g AgNO3溶解于懸浮液A中，得到懸浮液B，將懸浮液B超聲處理20 min，密封于50 mL特氟隆內襯不銹鋼高壓釜中，120 ℃加熱24 h。冷卻至室溫后，以8000 r/min離心15 min，取沉淀用去離子水重新分散離心三次，得到無色晶體Ag@MOF。將Ag@MOF在80 ℃下干燥12 h。

1.2.2 復合膜的制備

1.2.2.1 PVA薄膜的制備 將5 g PVA溶于45 mL去離子水中，并在90 ℃下攪拌1 h，直到得到均勻的溶液。隨后，向該溶液中加入2 g甘油，并在90 ℃下加熱2 h。將該溶液倒入玻璃培養皿中，在60 ℃下干燥2 h。最后，將干燥的PVA膜從玻璃培養皿中剝離出來。

1.2.2.2 PVA/H2PYDC薄膜的制備 將0.025 g H2PYDC (0.5 wt%) 和2 g甘油溶于25 mL去離子水中，超聲攪拌30 min。然后將5 g PVA溶于20 mL去離子水中，在90 ℃下攪拌1 h。將兩種溶液混合，在80 ℃下攪拌1 h。最后，將所得溶液倒在玻璃培養皿上，在60 ℃下干燥2 h，形成薄膜。

1.2.2.3 PVA/Ag薄膜 PVA/Ag薄膜采用綠色還原法制備。將0.025 g AgNO3(0.5 wt%)溶于40 mL去離子水中。 通過磁力攪拌，在90 ℃下加熱1 h。隨后，向該溶液中加入5 g PVA，并在90 ℃下攪拌1 h。溶液的顏色由透明變為淡黃色，表明AgNPs的形成。最后，將該溶液投到玻璃培養皿中，在60 ℃下干燥2 h，形成薄膜。

1.2.2.4 PVA/Ag@MOF薄膜 以PVA為介質合成 PVA/Ag@MOF薄膜。將 0.025 g Ag@MOF（0.5 wt%）溶解在45 mL去離子水中，超聲攪拌30 min，直至獲得懸浮液。將5 g PVA和2 g甘油的混合物溶解在45 mL懸浮液中，在90 ℃下加熱2 h。然后將該溶液倒入玻璃培養皿中。將樣品在60 ℃下干燥2 h，形成0.5 wt% Ag@MOF/PVA薄膜。將薄膜從玻璃培養皿中剝離出來。Ag@MOF的濃度在0.1~1 wt%之間變化，用同樣的方法制備了3種薄膜（0.1、0.5和 1.0 wt%）。

1.3 測定方法

1.3.1 FT-IR 將Ag@MOF納米顆粒和膜樣品與KBr（質量比為 1:100）混合并壓入透明薄片中進行FTIR 測試。設置光譜分辨率為 4 cm?1，掃描 32 次獲取樣品在 400~4000 cm?1范圍內的傅里葉紅外光譜。

1.3.2 XRD 采用 Cu Kα輻射（40 kV，40 mA，5°~80°，1(°)/min，0.05°掃描幅值），在 X 射線衍射儀上記錄Ag@MOF和薄膜的XRD圖譜。

1.3.3 SEM 使用JSM-6700F掃描電子顯微鏡（SEM）（日本JEOL）對 Ag@MOF和薄膜的形態進行觀察。Ag@MOF納米粒子是直接分析，而聚合物納米復合薄膜是通過橫截面分析，工作電壓為5.00 kV。

1.3.4 機械性能 在ASTM標準方法D882-12的基礎上[22]，采用拉伸試驗機對高分子納米復合材料薄膜的拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（EB）進行測定。試驗所用的樣品被切割成尺寸為10 mm×80 mm×1 mm（寬×長×厚）的啞鈴形試樣。每個樣品反復測量3次，得到平均值。

1.3.5 TGA 稱取 10 mg 樣品，利用熱重分析儀（TGA）測定樣品的熱力學性能。測試參數：氮氣流量為 60 mL/min，測試溫度范圍為 25~800 ℃，升溫速率為 10 ℃/min。

1.3.6 接觸角 采用Digidrop DX在室溫下測量接觸角。用約3 μL超純水作為探針液滴在薄膜表面。每個樣品至少測量3次，計算平均值。

1.3.7 水蒸氣滲透率（WVP） 將10 mL去離子水倒入直徑為29.5 mm的燒杯中，蓋上薄膜樣品，用特氟龍膠帶密封。測量燒杯的重量，置于40 ℃的烘箱中24 h。然后，將燒杯從烘箱中取出，再次稱重。記錄燒杯重量的變化作為時間的函數[23]。WVP（g/(m2·h)）由公式計算。

式中：Wi為燒杯的初始重量，g；Wa為時間T時燒杯的重量，g；A為薄膜的轉移面積，m2；T為燒杯在烘箱中的時間，h。

1.3.8 抗菌特性 采用瓊脂盤擴散試驗測定樣品對大腸桿菌(ATCC25922)和金黃色葡萄球菌(ATCC6538)的抗菌活性。將LB肉湯瓊脂倒入一次性消毒的培養皿中，并使其凝固，將菌種接種到培養皿中，37 ℃培養24 h，對接種微生物的培養皿進行殺菌效果檢測。然后將薄膜切成直徑5 mm的圓盤，用無菌玻璃棒鋪到表面皿上。將這些平板置于37 ℃的培養箱中培養過夜。用游標卡尺測量抑制區的直徑。所有試驗均重復3次。

1.3.9 細胞毒性實驗 小鼠L929成纖維細胞在37 ℃、5% CO2條件下，在補充有10%胎牛血清的Dulbecco改良的 Eagle培養基中生長 24 h，以105cells·mL?1的細胞密度播種于96孔板，每孔體積為 100 μL。然后加入 20 μL 膜液，濃度為 10、20 和50 μg/mL。孵育細胞 8、16、24 h。孵育后，每孔加入10 μL CCK-8試劑，孵育1 h后，用全自動酶標儀在450 nm處測定光密度。

1.4 數據處理

所有實驗均為 3 組重復，用 Excel 2016 軟件處理數據，用 Origin 9.0 作圖，再用 SPSS 22 統計分析軟件對各參數進行顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 FT-IR分析

圖1是Ag@MOF、PVA、PVA/H2PYDC、PVA/AgNPs和PVA/Ag@MOF的紅外光譜圖。PVA薄膜在3350~3400 cm?1處的峰是由于O-H基團的振動拉伸所致，而2923 cm?1處的峰是由于芳香族CH基團的拉伸振動所致。在1722和1645 cm?1處觀察到的峰分別對應于C=O和C=C的拉伸振動，而在1422和851 cm?1處的吸收峰則是由于CH2基團的振動產生的。1250 cm?1處的峰是由于C-H基團搖擺振動和O-H的平面振動在1422 cm?1處的耦合所致[1]。

圖1 Ag@MOF及其復合膜的FT-IR譜圖Fig.1 FTIR spectra of Ag@MOF and polymer nanocomposites films

在 PVA/H2PYDC薄 膜 中 ，3300、2923和1650 cm?1處的吸收峰分別歸因于 O-H、C-H和C=N的拉伸振動。1422和851 cm?1處的峰是由于CH2基團的振動。2923、1750和851 cm?1處的峰強度有所降低，C=O峰(1750 cm?1)與PVA相比具有較高的偏移，表明PVA/H2PYDC膜制備成功。

在 PVA中加入 AgNPs后，1722和851 cm?1處的峰強度降低，1645 cm?1處的峰完全消失,表明PVA分子與AgNPs形成了化學結合。1250 cm?1處峰的降低表明O-H與C-H振動的解耦是由于Ag納米粒子與PVA的O-H相互作用的結果[6]。

從Ag@MOF的傅立葉變換紅外光譜來看，3451 cm?1處的寬峰對應于O-H基團的振動拉伸，而2915 cm?1處的峰則對應于C-H的拉伸。1650和1722 cm?1處的峰分別對應吡啶環基的C=N和C=O拉伸振動。在779cm?1附近的峰對應Ag-O拉伸振動[24]。

將不同濃度的Ag@MOF納米粒子添加到聚合物基體中，Ag@MOF中羧基的存在可以與PVA形成氫鍵。在3350~3400 cm?1和2940 cm?1處的吸收峰是由于O-H基團和C-H的拉伸所致。隨著Ag@MOF濃度的增加，O-H拉伸振動峰向高頻范圍轉移。1731、1419、1256 cm?1處的紅外吸收峰分別與C=O的拉伸、C-H的彎曲和C-C的拉伸有關。Ag-O峰（794 cm?1）的偏移是由于 Ag@MOF與PVA的相互作用所致[24]。因此，結果表明，PVA/Ag@MOF復合材料同時保留了PVA和Ag@MOF的化學結構。

2.2 XRD分析

PVA 薄膜在 22.5°處的峰歸于（101）晶面（圖2），推斷其半結晶性質[22]。PVA/AgNPs在 34°和 43°處的新衍射峰與 AgNPs的（111）和（200）晶面有關，而22.5°處與PVA結晶結構有關的峰的強度沒有變化，說明AgNPs的加入對PVA薄膜的結晶結構和結晶度沒有影響。對于 Ag@MOF 而言，6.9°、12.5°和15.6°處的衍射峰分別對應 Ag@MOF中的（100）、（110）和（112）晶面。在 PVA/H2PYDC 薄膜中，有機配體與PVA分子之間的相互作用可以促進氫鍵的形成，使其具有較高的結晶度。在PVA/Ag@MOF中，Ag@MOF相應衍射峰的存在證實Ag@MOF的結構沒有被破壞。薄膜的X射線光譜顯示，當Ag@MOF的濃度增加到1.0%時，其光譜強度增加，并且變寬。這表明，隨著Ag@MOF與PVA分子之間相互作用形成的氫鍵的增加，結晶度也隨之增加[23]。

圖2 Ag@MOF及其復合膜的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of Ag@MOF and polymer nanocomposites films

2.3 SEM分析

為了觀察 Ag@MOF、AgNPs和 H2PYDC在PVA共混體系中的分散情況，用SEM表征了聚合物納米復合材料的表面形貌。Ag@MOF的SEM圖像（圖3）顯示為棒狀結構，直徑為0.3~1.2 μm，長度為3.0~9.0 μm。該結果與之前的報道一致[25]。PVA薄膜具有光滑的外觀，反映了良好的相容性和分散性（圖4）。PVA/H2PYDC薄膜中， H2PYDC嵌入聚合物基體中。PVA/AgNPs薄膜中，AgNPs以近球形顆粒的形式存在于PVA基體中，這與之前報道的情況相似[6]。在Ag@MOF濃度較低（0.1%）時，大部分化合物均勻地分散在基體中，沒有明顯的聚集現象。隨著Ag@MOF濃度從0.1%增加到1.0%，Ag@MOF棒狀結構的存在也使其在表面分布更加均勻。因此，這種均勻性可以提高薄膜的集成度。

圖3 Ag@MOF的SEM圖像Fig.3 SEM images of Ag@MOF

圖4 (a)PVA、(b)PVA/H2PYDC、(c)PVA/AgNPs、(d)PVA/0.1%Ag@MOF、(e)PVA/0.5%Ag@MOF和(f)PVA/1.0%Ag@MOF的SEM圖像Fig.4 SEM images of (a) PVA, (b) PVA/H2PYDC, (c)PVA/AgNPs, (d) PVA/0.1%Ag@MOF, (e)PVA/0.5%Ag@MOF, and (f) PVA/1.0%Ag@MOF films

2.4 力學性能分析

拉伸強度（圖5）和斷裂伸長率（圖5）揭示了薄膜的強度和韌性[10]。圖5顯示了PVA及其納米復合材料的力學性能。PVA膜的TS為23.44 MPa，加入AgNPs后薄膜的TS變化不大。在PVA基體中加入H2PYDC后，TS從23.44 MPa提高到31.95 MPa，提高了約36.2%。此外，在PVA基體中加入0.1%、0.5%、1.0%的 Ag@MOF，TS分別從 23.44 MPa提高到24.40、34.32、36.21 MPa，提高了 4.0%、46.4%、54.4%。EB呈下降趨勢。此外，通過在PVA基體中加入H2PYDC，EB從455下降到375，下降了約17.5%。在PVA中加入0.1%、0.5%以及1.0%的A@MOF的情況下，EB值分別下降了15.3%、19.7%和23.0%左右。薄膜的拉伸性能很大程度上取決于分散度、晶體結構和分子間的相互作用[26]。PVA中羥基和Ag@MOF或H2PYDC中含氧基團之間的良好相互作用，增加了結晶度，而缺乏這種官能團的AgNPs則不能與聚合物基體結合[27]。

圖5 復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率Fig.5 Tensile strength and elongation at break of polymer nanocomposites films

2.5 熱學性能分析

圖6為Ag@MOF和制備薄膜的TGA曲線，Ag@MOF的TGA曲線反映了兩步降解：一是300 ℃之前水分蒸發，二是羥基、羧基、吡啶環在300 ℃開始分解，400 ℃時完成，質量損失約50%。在溫度達到400 ℃后，Ag@MOF沒有進一步降解[24]。

圖6 Ag@MOF納米顆粒、PVA、PVA/H2PYDC、PVA/AgNPs和PVA/Ag@MOF薄膜的TGA曲線Fig.6 TGA curves of Ag@MOF nanoparticles, PVA,PVA/H2PYDC, PVA/AgNPs, and PVA/Ag@MOF films

PVA及其納米復合材料的TGA曲線在80 ℃時質量損失略有下降,表明樣品中存在水分。PVA、PVA/AgNPs的分解溫度均在190 ℃左右，而PVA/Ag@MOF、PVA/H2PYDC的分解溫度則提高到220 ℃。Ag@MOF或H2PYDC的薄膜在300~400℃時比PVA和PVA/AgNPs的減重幅度大。但是,由于Ag@MOF的多孔性和聚合物基體與Ag@MOF之間的界面間隙阻礙了其分解,因此PVA/Ag@MOF薄膜在最后階段的質量損失較低。隨著Ag@MOF濃度從0.1%增加到1.0%，PVA基體的熱穩定性略有提高。復合材料的結晶度是影響熱穩定性的主要因素，隨著結晶度的增加，需要更高的能量來分解薄膜的晶體結構。這也與XRD和SEM的結果一致。總的來說，加入Ag@MOF或H2PYDC可以提高PVA基體的熱穩定性。

2.6 阻水性能分析

薄膜的疏水性對其防污和過濾性能有重要影響[28]。圖7表明，PVA的接觸角為68.96°，而PVA/H2PYDC的接觸角下降到 47.25°，這是由于H2PYDC中羧基的親水性所致。加入AgNPs后，接觸角變大（76.18°）。PVA/Ag@MOF薄膜的接觸角隨著Ag@MOF含量的增加而增加（從PVA/0.1%Ag@MOF的 63.56°到 PVA/1.0% Ag@MOF的79.28°）。這是由于Ag@MOF納米顆粒相對剛性的結構和疏水性。總的來說，與純PVA膜相比，加入Ag@MOF和AgNPs后，納米復合膜的疏水性得到了改善。因此，該復合膜可以應用于高濕度的環境中，擴大了食品包裝膜的應用范圍[29]。

水蒸氣透過率（WVP）是保證食品包裝膜保鮮能力的重要參數[30]。根據包裝薄膜的需要，薄膜的水蒸氣透過率越低，水蒸氣進入薄膜內部的機會越少，薄膜的防腐效果越好。復合膜的WVP如圖7所示。與PVA膜相比，PVA/H2PYDC膜的WVP沒有明顯變化，PVA/AgNPs薄膜的 WVP最高。然而，當Ag@MOF的濃度從0.1%增加到1.0%時， PVA/Ag@MOF膜WVP下降到42.68。Ag@MOF良好的疏水性以及PVA分子與Ag@MOF之間良好的相互作用，增強了分子結構內氫鍵的結合，減少了分子間的空隙，從而限制了水分子在薄膜中的遷移。食品包裝膜的WVP值較低，成功地阻礙了周圍環境與食品之間的水分轉移[28]。

圖7 復合膜的水接觸角和水蒸氣滲透率Fig.7 Water contact angles and water vapour permeability of polymer nanocomposites films

2.7 抗菌性能分析

食品包裝薄膜應該具有良好的抗菌活性，以防止食品在短時間內變質[8]。對代表革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌分別進行了抗菌活性測試。在盤狀擴散試驗中，抑制區的直徑與微生物對薄膜的敏感性有關[2]。PVA和PVA/H2PYDC未見抗菌活性，而PVA/AgNPs形成的抑制區直徑分別為12 mm（大腸桿菌）和13 mm（金黃色葡萄球菌）（圖8）。PVA/AgNPs中的 AgNPs能釋放Ag+強烈吸引細菌中的酶蛋白，并迅速結合在一起破壞細菌細胞膜。Ag+還可以形成活性氧（ROS），進一步攻擊細菌細胞膜。與相同濃度的PVA/AgNPs相比，PVA/0.5%Ag@MOF薄膜對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均有較高的抗菌活性，且隨著Ag@MOF加入PVA薄膜中濃度的增加，抑制區也隨之增大。由于Ag@MOF中的棒狀物較多，能穿透細菌細胞膜[17]，影響細菌細胞膜的完整性，此外Ag@MOF在細胞外的水環境中被分離，導致Ag@MOF成分的破壞，從而釋放出銀離子和有機配體。因此，Ag@MOF不僅具有AgNPs的抗菌性能，而且能使有機配體的官能團與細胞的陽離子形成鍵，進一步促進細菌的死亡。

2.8 細胞毒性分析

對于納米復合材料在食品包裝領域的實際應用，細胞毒性是一個重要的安全參數[31]。通過CCK-8實驗（圖9）評價了高分子納米復合材料薄膜對小鼠L929成纖維細胞的毒性。PVA和PVA/H2PYDC對細胞沒有任何負面影響，這與化合物在溶液中更穩定，釋放的分子與L929細胞沒有相互作用有關。而PVA/AgNPs在介質中溶解的濃度，導致細胞活力下降，這可能與Ag+的釋放有關[32]。 PVA/Ag@MOF膜在低濃度時，發現細胞活力輕度下降。在這種情況下，有毒分子的釋放可能是一個相當小的數量，并作為一種能量來源，如碳，并允許細胞增殖。隨著有毒分子濃度的增加，大量的有毒分子會導致細胞存活率進一步下降。 據報道，復合膜對細胞存活能力大于70%的細胞系沒有細胞毒性作用。PVA/Ag@MOF的細胞毒性遠低于PVA/AgNPs，且PVA/Ag@MOF對L929細胞表現出可耐受的細胞毒性，說明PVA/Ag@MOF具有較高的劑量安全閾值和生物相容性。

圖9 PVA、PVA/H2PYDC、PVA/AgNPs和PVA/Ag@MOF膜處理小鼠L929成纖維細胞的細胞活性Fig.9 Viability of Mouse L929 fibroblastic cells treated with increasing concentrations of PVA、PVA/H2PYDC、PVA/AgNPs和PVA/Ag@MOF films

3 結論

采用溶液澆鑄法成功合成了具有優良抗菌性能的聚乙烯醇/Ag@MOF混合薄膜。根據納米復合膜的力學、熱學和抗菌性能，FT-IR和XRD結果表明，薄膜內Ag@MOF結構的完整性保持良好；掃描電鏡進一步證實了Ag@MOF在PVA基體中分散均勻；WVP的降低和接觸角的增大表明PVA/Ag@MOF薄膜具有良好的阻水性能。加入Ag@MOF后，高分子納米復合膜的力學和熱學性能得到了很大的改善。此外，PVA/Ag@MOF膜具有較低的細胞毒性和較高的抗菌活性。因此，PVA/Ag@MOF混合薄膜被證明是一種很有應用前景的食品包裝材料。