摘要

本研究的目的是检测抗革兰氏阳性菌的抗菌性能，以及覆盖有甲基-羟丙基-纤维素(MHPC)/可可脂载体的聚乳酸(PLA)薄膜的水蒸气特性，该载体含有E. comosa提取物作为活性物质。研究的第二个目的是评估QUV和Q-SUN老化测试对涂层的抗菌性能和阻隔特性的影响。研究结果表明，MHPC/可可脂涂层对金黄色葡萄球菌、蜡状芽孢杆菌和萎缩芽孢杆菌的生长没有影响。含有科摩莎提取物的MHPC/可可脂涂层减少了细菌菌株的数量。MHPC/可可脂涂层也降低了PLA的水蒸气渗透性。结果表明，QUV紫外老化试验箱和Q-SUN氙灯老化箱改变了含有可可脂的涂层的化学组成。尽管各层的化学组成发生了变化，但Q-SUN氙灯老化箱和QUV紫外老化箱并没有影响到芝麻提取物涂层对金黄色葡萄球菌和蜡状芽孢杆菌的抗菌性能。发现只有使用Q-SUN氙灯老化箱照射降低了提取物对萎缩芽孢杆菌的涂层活性，尽管这种降低程度很小。

1.介绍

一般来说，活性包装材料应该在储存期间发挥作用，以抑制微生物生长并延长任何给定食品的保质期。这意味着涂层应该提供足够的抗紫外线辐射能力。紫外线(UV)辐射是电磁波谱中非电离区的一部分，约占太阳总辐射的8-9%。它会导致材料的物理-机械、光学和抗菌性能退化。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可以防止该涂层在紫外线老化后失活。

本研究的目的是检测抗革兰氏阳性菌的抗微生物特性，以及覆盖有MHPC/可可脂载体的PLA膜的水蒸气特性，所述载体含有作为活性物质的科摩萨提取物。研究的第二个目的是评估QUV紫外老化箱和Q-SUN氙灯老化试验箱对涂层的抗菌性能和阻隔特性的影响。

2.材料和方法

2.1.材料

本研究中使用的试验微生物获自DSMZ莱布尼茨研究所(德意志微生物研究所，德国布伦瑞克)。菌株由美国典型培养物保藏中心(ATCC，马纳萨斯，弗吉尼亚州，美国)提供。本研究中使用的微生物是金黄色葡萄球菌DSMZ 346、ATCC蜡样芽孢杆菌14579和IZT萎缩芽孢杆菌DSM 675。

2.2.提取物制剂

将E.comosa干燥的球茎研磨成粉末，用50g 70%的含水丙酮提取5g样品。然后将样品在超声水浴中保持一小时。通过加入冰将浴的温度保持在15℃。丙酮提取物在40℃下浓缩。丙酮蒸发后，样品通过0.2 m过滤器过滤。所得的15 g提取物用于进一步分析。

2.3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UV-A加速老化测试仪(QUV/spray，Q-LAB，Homestead，FL，USA)和1.5 W/m2的Q-SUN加速氙测试室(Q-SUN Xe-2，Q-LAB公司)并运行测试24小时。

2.4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的分辨率和四次扫描下操作。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。

2.5 统计分析

使用方差分析(ANOVA)以及随后的邓肯检验来确定统计显著性。该测试用于确定细菌细胞数量之间的显著差异。当p < 0.05时，这些值被视为显著不同。所有分析均使用Statistica第10版(StatSoft，Kraków，波兰)进行。

3.结果

3.1.抗菌性能

研究结果表明，含有可可脂作为疏水添加剂的MHPC涂层对金黄色葡萄球菌细胞的生长没有影响。证明PLA膜(对照样品)的金黄色葡萄球菌细胞数为2.1 × 105 cfu/mL。含可可脂的MHPC涂层的细菌细胞数量与对照样品相似(4.56 × 105 cfu/mL)。Q-SUN和QUV加速老化试验箱不影响不含球茎提取物的涂层的抗菌性能，而含有芝麻提取物的MHPC涂层抑制了金黄色葡萄球菌的生长。对于含有球茎提取物的样品(细胞数量为3.60 × 102 cfu/mL)，观察到金黄色葡萄球菌的数量减少了3个对数级。在之前的研究中证实了鸡眼草球茎提取物对革兰氏阳性菌的抗菌活性。统计分析表明，细菌细胞数量的减少是显著的(p < 0.05)。加速的UV-A辐射没有改变含有球茎提取物(3.2 × 102 cfu/mL)的涂层的抗菌性能。在Q-SUN照射的情况下(图1)，细菌细胞的数量略有增加(5.86 × 102 cfu/mL)，后来通过邓肯试验证实(p > 0.05)。

k—聚乳酸(PLA)薄膜；KA——QUV紫外线老化试验箱照射过的的聚乳酸薄膜；KQ——Q-SUN氙灯老化试验箱照射过的的聚乳酸薄膜:MB-PLA薄膜，覆盖有甲基-羟丙基-纤维素(MHPC)/可可脂涂层；MBA—QUV紫外线老化试验箱照射过的PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层；MBQ—Q-SUN氙灯老化试验箱照射过的聚乙烯薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层；MBE-PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层，含有25%的象牙果提取物；MBEA——QUV紫外线老化试验箱照射过的PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层，含有25%的象牙果提取物；MBEQ—Q-SUN氙灯老化试验箱照射过的PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层，含有25%的象牙果提取物。

蜡状芽孢杆菌对含有蜡状芽孢杆菌提取物的活性涂层的敏感性分析如图2所示。将PLA膜的蜡状芽孢杆菌的数量(1.01 × 104 cfu/mL)与覆盖有MHPC的PLA膜的蜡状芽孢杆菌的数量(1.14 × 104 cfu/mL)进行比较，应该说数量几乎相同。这项研究的结果表明，含有可可脂的MHPC涂层没有抗菌活性。Q-SUN和QUV老化试验箱不影响不含任何球茎提取物的涂层的抗菌性能，随后通过邓肯试验证实了这一点(p > 0.05)。注意到细菌数量的微小变化(低于1-log减少)。蜡状芽孢杆菌细胞对含有芝麻提取物的涂层表现出敏感性。金黄色葡萄球菌数从1.14 × 104下降到1.84 × 102 cfu/mL (2对数下降)。统计分析表明，细菌细胞数量的减少是显著的(p < 0.05)。Q-SUN和QUV老化试验箱对涂层的抗菌性能影响很小。QUV老化试验箱使含有芝麻提取物的涂层的抗菌性能失活。还观察到用QUV老化试验箱照射的这些涂层的细菌细胞数量增加(2.76 × 102 cfu/mL)。与QUV老化试验箱相比，Q-SUN氙灯老化机提高了涂层的抗菌活性(1.10 × 102 cfu/mL)。活细胞数之间的差异并不显著，这一点后来通过Duncan检验得到了证实(p > 0.05)。

K—PLA薄膜；KA——UV-A辐照过的聚乳酸薄膜；KQ——Q-SUN辐照的聚乳酸薄膜:MB—PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层；MBA—QUV紫外线老化试验箱照射过的PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层；MBQ—Q-SUN氙灯老化试验箱照射过的聚乙烯薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层；MBE-PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层，含有25%的象牙果提取物；MBEA——QUV紫外线老化试验箱照射过的PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层，含有25%的象牙果提取物；MBEQ—Q-SUN氙灯老化试验箱照射过的PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层，含有25%的象牙果提取物。

该研究的结果表明，用可可脂涂覆的MHPC对萎缩性芽孢杆菌细胞生长的降低没有影响。还观察到，与未覆盖涂层的PLA膜(4.34 × 104 cfu/mL)相比，细菌细胞的数量(5.44 × 105 cfu/mL)增加了。这很容易让人想到，萎缩芽孢杆菌可能会利用缺乏活性物质的包被作为碳源。应该补充的是，活细胞的增加是显著的，后来通过统计分析证实(p < 0.05)。与含有5.44 × 105至1.73 × 103 cfu/mL的E. comosa提取物的MHPC涂层接触24小时后，细菌细胞的生长下降。如下图所示(图3)，加速的UV-A辐射对含有象牙果提取物的涂层的抗菌性能的影响也没有被注意到。在Q-SUN老化箱的情况下，观察到与未照射的样品相比，活细胞的数量从1.73 × 103增加到1.24 × 104 cfu/mL。统计学分析表明，萎缩性芽孢杆菌细胞数之间差异不显著(p > 0.05)。

K—PLA薄膜；KA——UV-A辐照过的聚乳酸薄膜；KQ——Q-SUN辐照的聚乳酸薄膜:MB—PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层；MBA—QUV紫外线老化试验箱照射过的PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层；MBQ—Q-SUN辐照聚乙烯薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层；MBE-PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层，含有25%的象牙果提取物；MBEA——QUV紫外线老化试验箱照射过的PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层，含有25%的象牙果提取物；MBEQ—Q-SUN辐照过的PLA薄膜，覆盖有MHPC/可可脂涂层，含有25%的象牙果提取物。 3.2.红外光谱分析。

属于聚酯家族的PLA具有特征峰。2996.3和2946.49cm-1处的红外(IR)光谱分别属于–CH3模式的不对称和对称–CH拉伸区域。酯基的C=O伸展归因于1747.91cm-1处的宽而强的吸收弯曲。–CH3弯曲的特征在于1451.85cm-1的峰。在1381.82和1360.06cm-1处分别观察到–CH变形和不对称弯曲。酯基的C=O拉伸模式出现在1266.41cm-1，不对称C–O–C拉伸模式出现在1180.81、1127.28和1083cm-1。在1000和800cm-1的范围内，955.57cm-1处的弯曲归因于具有CH3摇摆模式的螺旋骨架的特征振动。在868.06(指定为非晶相)、766.57和755.32cm-1(晶相)处发现了与PLA的晶相和非晶相相关的两个弯曲。Chu Z .等人和Seda t GL aydn r .等人证实了这些结果。

紫外辐射和Q-SUN辐射对涂层的影响可以通过使用FT-IR光谱清楚地注意到。发现影响吸收峰和弯曲位置的性质有:结构、化学成分以及薄膜或涂层的形态。研究结果表明，在QUV和Q-SUN老化箱后，PLA膜(K-PLA)的化学组成和形态没有差异(图4)。如图4所示，辐照过的PLA膜的曲线类似于未辐照过的PLA膜。然而，随着样品的紫外线老化，1381.82、1360.06和868.06cm-1处的弯曲强度降低。这些结果得到了应峰等的证实。作者证明，PLA经不同时间的老化处理后，其特征吸收峰的位置不变，但吸收峰的强度发生了显著的变化。Van Cong D .等人也进行了加速气候试验，以评价与聚(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)(EVA)/聚乳酸(PLA)共混物相比，TiO2晶型对EVA/PLA/TiO2纳米复合材料降解行为的影响。FT-IR分析和热机械性能的结果证实了样品在加速气候测试下的降解。样品的降解程度取决于样品中存在的TiO2晶型。TiO2纳米粒子促进了EVA/PLA/TiO2纳米复合材料的光降解，其中TiO2纳米粒子混晶表现出最高的光催化活性。

MHPC的典型光谱如图5所示。3382.15cm-1处的峰值是由–OH振动拉伸产生的。在2918.71–2850.98cm-1范围内发现了甲基和羟丙基频率的对称伸缩模式，其中所有的–CH键同相伸缩。对称振动主要出现在1379.29cm-1的范围内，并暗示存在环酐。1040.36和1075.62cm-1处的谱带用于醚C-O-C基团的伸缩振动。这些结果得到了Punitha S .等人和Dong Ch .以及其他人的证实。

结果表明，加速辐照对聚乳酸薄膜样品没有影响。也没有观察到QUV和Q-SUN老化箱对亲水性MHPC的影响(图5)。然而，随着样品的紫外线老化，1381.82、1360.06和868.06cm-1处的弯曲强度增加。

图6显示了含有可可脂的MHPC涂层(CB—MHPC)、含有可可脂的UV-A照射的MHPC涂层(CB—MHPC—UVA)和含有疏水添加剂的Q-SUN照射的MHPC涂层(CB—MHPC—QUV)。在FT-IR光谱中观察到三个区域，范围从(1) 3600到2400cm-1；(2) 1800至1400cm-1；和(3) 1000至650cm-1。在2851.05cm-1峰的情况下，注意到了这一点，这与O = C–H双键激发的吸收一致。甘油三酯的羰基(C=O)的拉伸振动激发了1747.53cm-1峰。1254.55cm-1峰是由酯中的C-O伸缩振动激发的。或者，观察到1600-1400cm-1范围内的光谱峰为C=C诱导吸收峰。这些峰仅在未辐射的涂层中观察到。UV-A和Q-SUN照射导致峰值消失。在937.89和720cm-1处显示了不同的峰特性。在含有可可脂的MHPC涂层的情况下也观察到这些峰。Vesela A .等人和Suparman等人证实了这些结果。Q-SUN和UV-A辐照的MHPC涂层没有出现这些峰。已经明确证实，QUV和Q-SUN辐射改变了CB-MHPC层的化学组成。很容易认为加速辐射导致了疏水添加剂的氧化。对于含有作为疏水添加剂的可可脂和作为活性物质的象牙果提取物的MHPC涂层，获得了类似的结果(图7)。在FT-IR光谱中还观察到三个区域，范围从(1) 3600到2400cm-1；(2) 1600至1400cm-1；和(3) 1000至650cm-1。在包含活性提取物的涂层的情况下，也注意到加速照射后峰的消失。这意味着加速辐射导致可可脂脂肪酸的不饱和键氧化。这使我们相信ZnO纳米颗粒具有屏蔽性能，与E. comosa提取物相反，其不能屏蔽涂层免受加速辐射。Mizieliń sska等人表明，纳米ZnO屏蔽了MHPC层，使其免受Q-SUN辐射。El-Feky O.M .等人证实了这一结论，他们使用ZnO纳米颗粒作为涂料的添加剂，以防止紫外线照射。

3.2.屏障特性

研究结果表明，MHPC涂层对PLA膜的阻隔性能没有显著影响。如下图所示(表1)。加速的UV-A和Q-SUN没有改善和/或降低覆盖有MHPC的PLA的水渗透性。可可脂作为疏水添加剂使涂层的透水率从76.88±1.24(g/(m2·h))下降到41.38±3.45(g/(m2·h))。观察到与QUV辐射相反，QUV辐射改善了涂覆的PLA的阻隔性能。向包衣中加入科摩莎提取物降低了含有可可脂的MHPC包衣的透水性。应该提到的是，QUV和Q-SUN照射增加了覆盖有MHPC的PLA的水渗透性，所述覆盖物包含作为疏水物质的可可脂和作为活性物质的象牙果提取物。

4.讨论

污染与日俱增，环境法越来越严格。因此，公司需要进行转型，以实现降低成本和良好产品质量的传统目标，同时努力实施绿色创新技术。需要用天然和可生物降解的材料如聚乳酸代替合成聚合物。PLA是最商业化的生物可降解聚合物，显示出许多优点。因此，已经提出了不同的方法来改善其化学-物理性能并获得膜的抗菌性能。至于合成聚合物，其阻隔性能显示出高的气体和水蒸气透过率，这使得该聚合物不适用于几种食品包装应用。为了改善屏障特性并激活某种抗菌效果，需要进行表面聚合物改性，如涂层。含有活性物质的涂料可分为迁移到包装产品中的涂料和不迁移到包装产品中的涂料。活性化合物应该抑制导致包装产品腐败的微生物和病原微生物的生长。含有植物和香料提取物或精油的活性包装具有抗许多细菌和真菌的抗微生物特性。它们的天然成分包括抗微生物酚类化合物、醛类、酮类、醇类、醚类和烃类。因为发现丛枝桉提取物对金黄色葡萄球菌、蜡状芽孢杆菌和萎缩芽孢杆菌有活性，所以它被用作涂料中的活性物质。由于PLA膜或MHPC载体的高水蒸气渗透性，疏水添加剂也被引入到涂层中。

研究结果表明，含有科摩莎豆提取物的MHPC/可可脂涂层减少了金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌和萎缩芽孢杆菌细胞的数量。在涂层中加入可可脂降低了PLA的水蒸气渗透性。结果表明，QUV和Q-SUN紫外老化箱改变了含有可可脂的涂层的化学组成。还观察到，与QUV老化箱相反，引起双键氧化的QUV辐射改善了涂覆的PLA的阻隔性能。在涂层中加入象牙果提取物降低了含有可可脂的MHPC涂层的水蒸气渗透性。值得一提的是，QUV紫外老化箱增加了覆盖的含有白花蛇舌草提取物的PLA的水蒸气渗透性。

尽管对各层的化学组成进行了改变，Q-SUN和QUV老化箱对E. comosa提取物涂层对金黄色葡萄球菌和蜡状芽孢杆菌的抗菌性能没有影响(与屏障特性相反)。只有Q-SUN和QUV老化箱降低了针对萎缩性杆菌的提取物的涂层活性，但这是可以忽略的。在先前的研究中获得了类似的结果，表明加速的Q-SUN和QUV老化箱对涂层抗金黄色葡萄球菌和蜡状芽孢杆菌的抗微生物性能没有影响。这项先前研究中使用的涂层包含ZnO纳米粒子，它在辐射过程中屏蔽了活性MHPC涂层，这一点得到了作者的证实。这项工作表明，在辐射过程中，象牙果提取物不会屏蔽MHPC/可可脂涂层。虽然提取物没有屏蔽性能，化学成分也发生了变化，但涂层仍然具有抗革兰氏阳性菌的活性。

5.结论

食品包装工业将会用可生物降解的材料取代不可堆肥的聚合物。应该强调的是，聚乳酸是一种可生物降解的生物聚合物，已经作为合成聚合物的良好替代物商业化。

应该强调的是，用含有可可脂的MHPC载体覆盖PLA膜降低了生物聚合物的水蒸气渗透性。该材料的另一个优点是其抗菌活性，这是通过将E. comosa提取物作为活性物质引入MHPC涂层中而获得的。QUV紫外老化箱和Q-SUN氙灯老化箱改变了含有可可脂或可可脂和E. comosa提取物的涂层的化学组成。它导致涂层PLA的水蒸气渗透性增加。应该强调的是，Q-SUN氙灯老化箱和QUV紫外老化箱对象牙果提取物涂层对金黄色葡萄球菌和蜡状芽孢杆菌的抗菌性能没有影响。

由于涂层对紫外线老化的抗性，以及由于PLA的改善的阻隔特性，涂层可用于覆盖生物聚合物膜或盒子以获得活性包装材料。活性涂层可以延长食品的保质期、质量和新鲜度。