摘要

使用聚乙烯(PE)薄膜覆盖，研究了加速QUV和Q-SUN辐射对含ZnO纳米粒子的涂层的抗菌性能的影响。研究结果表明，甲基羟丙基纤维素(MHPC)涂层不影响金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌、大肠杆菌、绿脓杆菌或白色念珠菌细胞的生长。含有ZnO纳米颗粒的MHPC涂层抑制了细菌菌株的生长，并减少了白色念珠菌菌株的数量。加速老化测试Q-SUN和QUV照射不影响纳米ZnO涂层对金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌和大肠杆菌的抗菌效果。Q-SUN辐照降低了含有纳米颗粒的MHPC涂层对铜绿假单胞菌和白色念珠菌的活性。FT-IR分析清楚地表明，在Q-SUN照射期间，ZnO纳米颗粒屏蔽了MHPC涂层。

1.介绍

在包装材料中掺入活性抗微生物化合物的使用已经开始受到更多的关注，因为它在食品包装系统中用作抗细菌的控制剂。它可以确保消费者的微生物食品安全，并对延长产品保质期具有不可估量的价值。活性材料与食品之间的接触能够改变食品的成分或其周围的气氛，这代表了一种抑制食品表面微生物生长的活性包装系统。氧化锌(ZnO)纳米颗粒已被开发为抗微生物剂，用于活性食品包装系统，作为被美国食品和药物管理局(USFDA，21CFR182.8991)视为安全(GRAS)的五种不同锌化合物之一。氧化锌纳米颗粒对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌以及耐高温、高压、耐酵母和霉菌的孢子具有杀菌作用。氧化锌纳米颗粒已经使用传统的掺入方法(例如熔融混合或溶剂浇铸)添加到石油衍生的聚合物(例如LDPE、PP、PU或PET)中，以及添加到可生物降解的聚合物(例如PHA)中。在抗菌包装的应用中，纳米颗粒也被引入聚合物涂层中。大量研究表明，包装在含有ZnO纳米颗粒(在聚合物基质内)的薄膜中的食品，或者与含有ZnO纳米颗粒的涂层一起使用的食品，其保质期会增加。与对照版本相比，使用含有纳米颗粒的包装，切片小麦面包的保质期从3天延长到35天。所有活性涂层在15天内减少了切片面包中酵母和霉菌的数量，并进一步提高了活性涂层的抗菌性能，在15天内没有真菌生长。含有纳米氧化锌的薄膜表现出优异的抗菌活性，并被制成生肉包装袋。所制备的小袋显示出对生肉中微生物的显著抑制作用，这是由于它们在4℃下储存至第六天时完全抑制了微生物的生长。

聚乙烯(PE)因其柔韧性、透明性、热稳定性和低成本而广泛用于食品包装。为了产生抗菌性能，PE膜可以覆盖含有ZnO纳米粒子的活性涂层。一般来说，活性包装材料应该在储存过程中起到抑制细菌、酵母和霉菌生长的作用，以延长食品的保质期。这意味着涂层应该提供足够的抗紫外(UV)辐射性或屏蔽UV。紫外线是电磁光谱非电离区的一部分，约占太阳总辐射的8-9%。它会导致材料的物理机械性能、光学性能和抗菌性能下降。在涂层载体中引入对紫外线敏感的活性物质会导致涂层在紫外线老化后失活。在涂层载体中引入抗紫外线的活性物质，或添加具有屏蔽性能的物质，可以防止涂层在紫外线老化后失活。纳米技术的快速发展导致了ZnO纳米颗粒在涂料中的应用，以提高这种涂料的性能，而不显著影响其透明度。此外，纳米粒子已经引起了极大的兴趣，并且作为改进防腐蚀性能的试剂的涂料应用的发展已经增加，特别是作为紫外线吸收剂。结果表明，与其他有机紫外吸收剂相比，ZnO纳米颗粒在紫外辐射下表现出优异的化学稳定性。纳米颗粒的应用可以改善任何相应包装薄膜材料的紫外线屏蔽。纳米氧化锌颗粒甚至可以保护其自身的抗菌性能。

本研究的目的是研究太阳光照对ZnO粒子的影响，在QUV紫外老化箱和Q-SUN氙灯老化箱中对含有ZnO纳米粒子的涂层进行抗菌性能测试。

2.结果

2.1抗菌性能

该研究的结果表明，MHPC涂层对金黄色葡萄球菌细胞的生长没有影响，如先前的研究所示。含纳米氧化锌的MHPC涂层抑制了金黄色葡萄球菌的生长。加速Q-SUN和UV-A辐照不影响纳米ZnO涂层的抗菌性能。在没有纳米粒子的MHPC涂层的情况下，使用QUV照射的薄膜的细菌细胞的数量增加了(图1)。金黄色葡萄球菌的数量从2.53 × 103增加到3.90×103(CFU/毫升)。统计分析显示，细菌细胞数量的增加不显著(p > 0.05)。

蜡状芽孢杆菌对含有纳米ZnO的活性涂层的敏感性分析如图2所示。这项研究的结果表明，MHPC涂层没有抗菌活性。蜡状芽孢杆菌细胞对含有ZnO纳米颗粒的涂层表现出敏感性。Q-SUN和QUV辐射并没有降低纳米ZnO涂层的抗菌性能。观察到用UV-A照射的MHPC涂层的细菌细胞数量增加。活细胞数之间的差异是显著的，如邓肯试验所证实的(p < 0.01)。

研究结果表明，MHPC涂层对大肠杆菌细胞的生长没有影响。这些结果被先前的研究证实了。在与含有ZnO纳米颗粒的MHPC涂层接触24小时后，没有观察到细菌细胞的生长。正如下面所强调的[图3]，加速的Q-SUN和QUV辐射对纳米ZnO涂层抗菌性能的影响也没有被发现。统计分析表明，大肠杆菌细胞数之间差异不显著(p > 0.05)。

本研究表明，MHPC涂层没有减少铜绿假单胞菌菌株的生长(p > 0.05)。氧化锌纳米颗粒作为涂层的添加剂完全抑制了细菌细胞的生长。从图4中可以看出，QUV辐射没有影响纳米ZnO涂层的抗菌性能。如前所示，Q-SUN辐射降低了含有纳米颗粒的MHPC涂层的活性。观察到铜绿假单胞菌的生长，但是细菌细胞的数量比没有涂层的PE膜或没有纳米ZnO的MHPC涂层的情况减少得更多。观察到绿脓杆菌细胞数从1.70 × 105 (K2)和1.81 × 105 (MHPC2)下降到2.75×102(CFU/毫升)(Zn2)。如统计分析所示，细菌细胞数量的减少是显著的(p < 0.01-K2和Zn2之间的差异；以及MHPC2和Zn2之间)。

该研究的结果表明，与未覆盖的PE膜相比，MHPC涂层不影响白色念珠菌细胞的生长。含有ZnO纳米颗粒的MHPC涂层减少了活细胞的生长。经测定，白色念珠菌细胞数从1.23 × 104 (K)和1.42 × 104 (MHPC)下降到1.88×103(CFU/毫升)。Duncan试验证实，纳米ZnO对(K) PE膜(p < 0.001)或覆盖有MHPC的PE膜(p < 0.001)的抗菌性能的影响是显著的。结果表明，锌能有效地抑制白色念珠菌的生长。似乎纳米颗粒的大小和形状在抗微生物活性中起着至关重要的作用。微生物细胞中的细胞膜包含直径以纳米计的孔。考虑到纳米粒子比微生物的孔小，它们具有无障碍穿过细胞膜的独特性质。加速QUV辐射对纳米ZnO涂层的抗菌性能没有影响(图5)。邓肯试验证实了这一点(p > 0.05)。还注意到白色念珠菌细胞数量的对数减少。对于用Q-UV照射的纳米粒子的涂层，观察到活细胞数量的减少。结果表明，Q-UV辐射具有明显的影响，降低了涂层的抗菌性能。抗菌活性显著下降(p < 0.001)。

2.2.红外光谱分析

使用傅立叶变换红外(FT-IR)光谱可以清楚地注意到UV辐射和Q-SUN辐射对涂层的影响。影响吸收峰和带位置的性质是薄膜的结构、化学成分和形态。该研究的结果表明，在QUV照射(K1)和Q-SUN照射(K2)之后，没有发现PE膜(K)的化学组成和形态的差异。结果表明，加速辐照对聚乙烯薄膜样品没有影响。也没有观察到QUV辐射对含有ZnO纳米颗粒(Zn1)的MHPC (MHPC1)或MHPC涂层的影响。具有ZnO纳米颗粒(Zn2)的MHPC涂层(MHPC)、Q-SUN辐照的MHPC涂层(MHPC2)和Q-SUN辐照的MHPC涂层如图6所示。在FT-IR光谱中观察到四个区域，延伸在(1)从3600到3200cm-1的范围之间；(2)范围从3200到2800cm-1；(3)范围从1800到1600cm-1，以及(4)范围从1600到1400cm-1。在3453.68cm-1峰的情况下，在O-H单键的刺激下，可以注意到与吸收峰的一致性。或者，可以在2913.35、2846.12和1462.07cm-1处观察到CH3-CH2诱导吸收峰。显示了不同的峰特性，范围从1800cm-1到1600cm-1。在MHPC涂层的情况下，没有观察到1727.00cm-1的峰。注意到Q-太阳照射的MHPC涂层的该峰的存在，由C=O双键模拟。已经清楚地证明，加速的Q-SUN辐照改变了MHPC层的化学成分。对于Q-SUN辐照的含有ZnO纳米颗粒的MHPC涂层，没有观察到1727.00cm-1峰。人们很容易认为，纳米氧化锌屏蔽了MHPC层，使其免受Q-SUN的辐射。El-Feky O.M .等人指出了这一结论，他们将ZnO纳米颗粒用作纸张上油画涂料的添加剂，以保护它们免受紫外线辐射。

2.3.扫描电子显微镜

扫描电子显微镜(SEM)是应用广泛的表征基质形状、大小、形态和孔隙率的技术。图7显示了包含ZnO纳米颗粒的涂层的SEM图像。SEM图像显示ZnO纳米颗粒均匀分布在整个涂层表面。没有观察到对照涂层和辐射涂层之间的差异。

3.讨论

纳米氧化锌(ZnO)颗粒表现出许多优点，例如低成本、紫外线阻挡性能和白色外观。此外，许多研究表明，氧化锌纳米颗粒对细菌、酵母、霉菌具有高度特异性毒性，并且对人体细胞无毒。El-Feky O.M .等人将ZnO纳米粒子引入纸张上的油画涂层，这可以保护它们免受紫外线老化和微生物的攻击。关于抗真菌活性，ZnO纳米颗粒对一些真菌菌株，如黄曲霉、黑曲霉和白色念珠菌显示出显著的抗真菌活性。以前的研究表明，氧化锌纳米粒子可以引入MHPC涂料，以覆盖包装材料。已经表明，当没有观察到菌株生长时，活性涂层表现出对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌细胞的抗微生物活性。本研究的目的是研究含纳米氧化锌的MHPC涂层对蜡状芽孢杆菌、绿脓杆菌和白色念珠菌的抗菌性能。紫外老化对抗菌性能的影响以及ZnO纳米颗粒保护其自身生存能力的能力也被检测。以前的研究和Venkatesan R .等人指出了这些结果，他们指出，含有ZnO纳米颗粒的薄膜在杀死革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌细胞方面具有高活性。纳米ZnO涂层对大肠杆菌和萎缩性芽孢杆菌均有抗菌活性。Aysa N.H .显示了ZnO纳米颗粒对铜绿假单胞菌的抗微生物特性。研究结果表明，革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌对含有ZnO纳米颗粒的非辐照涂层的敏感性没有任何差异。此处显示的结果与Sharma D .等人报道的结果不可比，Sharma d .等人对大肠杆菌的抗菌活性比对金黄色葡萄球菌的抗菌活性更强。Sinha R .等人和Zhang H .等人指出，ZnO纳米颗粒的纳米毒性对革兰氏阴性菌比对革兰氏阳性菌更明显。Esmailzadeh H .等人和Gandhi R.R .等人获得了相反的结果，他们指出革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对ZnO纳米颗粒更敏感。很容易认为革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对ZnO纳米颗粒更敏感是由于细胞膜结构的差异。革兰氏阴性菌的细胞膜由脂质、蛋白质和脂多糖组成，而革兰氏阳性菌不含脂多糖，不能提供有效的保护。此外，小尺寸的ZnO纳米颗粒还可以渗透到细菌细胞中，并与细胞内的DNA和RNA分子结合，以阻止基因组复制。ZnO纳米粒子抗菌活性的机制主要基于水和氧形成活性氧(ROS ),这破坏了细菌膜的完整性——尽管也提出了其他机制。

4.材料和方法

4.1.材料

本研究中使用的试验微生物获自DSMZ莱布尼茨研究所(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen)的保藏物。菌株由美国典型培养物保藏中心(ATCC)提供。本研究中使用的微生物是金黄色葡萄球菌菌株DSMZ 346、蜡状芽孢杆菌ATCC 14579、大肠杆菌DSMZ 498、铜绿假单胞菌ATCC 27853和白色念珠菌DSMZ 2566。

本研究中使用了聚乙烯薄膜(A4，50微米)(KB FOLIE)。MHPC (Chempur，piekary ?l?skie，波兰)用作涂层载体。氧化锌AA 44899，(~70 nm)用作活性物质。为了验证任何涂层的抗微生物性能，使用了TSB、TSA和Sabouraud培养基(默克，达姆施塔特，德国)。根据Merck方案制备所有培养基(根据制造商的说明称量所有培养基，悬浮在1000 mL蒸馏水中，并在121℃高压灭菌15分钟)。

4.2.涂层制备及抗菌性能分析

(1)将4克MHPC加入100毫升水中。使用磁力搅拌器(Ika)在1500 rpm下将混合物混合1小时。该混合物用于覆盖PE膜，以获得不含任何活性物质的涂层。

(2)将0.082克ZnO纳米颗粒引入50毫升水中。作为第一步，使用磁力搅拌器(450 rpm)将混合物混合1小时。接下来，对混合物进行超声处理(超声处理参数:周期:0.5；幅度:20%；时间:10分钟)，同时，如上所述制备第二混合物(将4g MHPC溶于50 mL中)。将ZnO纳米颗粒溶液引入到MHPC混合物中并进行超声处理(超声处理参数:周期:0.5；幅度:20%；时间:10分钟)。

使用Unicoater 409 (Erichsen，Hemer，Germany)在25℃的温度下用直径为40 μm的辊覆盖聚乙烯(PE)膜。涂层在50℃的温度下干燥10分钟。获得每1 m2PE 1.6g MHPC层。活性涂层包含0.032g ZnO AA 44，899颗粒/1 m2PE膜。没有被覆盖的PE膜是对照样品(K)。具有MHPC涂层的PE膜也被用作对照样品(MHPC)。

将薄膜样品切成正方形(3厘米× 3厘米)。根据ASTM E 2180-01标准测试未覆盖和覆盖薄膜的抗菌性能。

4.3. QUV和Q-SUN加速老化测试

将未覆盖和覆盖的薄膜样品分别切成矩形(23.5厘米× 7.0厘米和26.0厘米±2.5厘米)。将样品引入1.55 W/m2的QUV加速老化测试仪(QUV/spray，Q-LAB)和1.5 W/m2的Q-SUN加速氙测试室(Q-SUN Xe-2型，Q-LAB)中，并照射24小时。

4.4.傅里叶红外光谱

使用傅里叶变换红外光谱(Perkin Elmer分光光度计，Spectrum 100，Waltham，MA，USA)测量未覆盖和覆盖的薄膜样品的傅里叶变换红外(FT-IR)光谱，在4cm-1的分辨率下操作，进行四次扫描。将薄膜样品切成正方形(2 cm × 2 cm ),并直接放置在射线曝光阶段。光谱是在650–4000cm-1的波长下记录的。