细菌纤维素(BC)具有高持水性、高聚合度、非炎性、生物可降解和生物相容性等特性[1-2],可作为可降解食品包装材料[3]。许艺馨[3]利用壳聚糖(CS)、BC和姜黄素(Cur)制备出了一系列的复合膜材料(CSn-BC-Cur),结果表明,在模拟食品脂肪体系中,该复合薄膜显示出良好的抗氧化活性,是高脂肪含量食品的良好活性包装材料。

CS主要是从甲壳动物中提取的可降解阳离子生物聚合物[4-5],具有广谱抗菌性[6-7]。因此,CS被广泛应用于食品包装、生物医药、环境安全等领域。本课题组以纳米细菌纤维素(nBC)、曲酸(KA)和姜黄素(CUR)为基材,制备出了具有一定保鲜效果的复合膜(CS/nBC/KA/CUR)材料,在食品抑菌抗氧化活性包装材料的开发领域具有一定潜在价值[8]。吴正国[9]制备了CS基固定化纳米银复合抗菌材料——CS/纳米银复合薄膜,改善了CS复合膜的微观结构和力学性能,提高了复合膜的阻隔性。Liu等[10]等研究了丁香酸的加入对CS-丁香酸薄膜的物理性能、机械性能和抗菌活性的影响,结果表明,此类复合膜材料表现出良好的水蒸气阻隔性能和良好的机械性能,丁香酸的加入更有助于延长食品保质期。

白藜芦醇是一种多酚类化合物,作为一种天然抗氧化剂,具有良好的清除自由基和抗氧化活性。在实际应用中,白藜芦醇的水溶性和稳定性较差,容易被氧化,因此其生物利用度低,进而限制了其广泛应用。包合技术指将一种分子包嵌于另一种分子的空穴结构内形成包合物的技术。环糊精包合工艺是环状糊精将分子全部或者部分包裹于其中而形成的一类非键化合物的制备技术[11]。Shi等[12]选用有抗真菌能力的柠檬精油(LEO)制备LEO@β环糊精包合物(β-CD-IC)用于黑莓保鲜。研究结果显示,在4 ℃和25 ℃的贮存条件下,LEO@β-CD的腐烂率分别为14.84%和37.04%,重量损失分别减少了4.80%和10.08%。

由于单一成分的CS膜材料在阻隔性能和机械性能等方面仍存在一些缺陷,因此有较多的研究工作主要集中在如何提高上述两种性能方面,而采用包合技术,在保护白藜芦醇活性的基础上,制备同时兼具机械性能和保鲜活性的CS基复合膜材料,目前鲜有相关报道。基于此,本研究拟将结构和功能特性相近的BC与CS进行复合,以提高CS的阻隔性能和机械性能,并通过添加经环状糊精包合的白藜芦醇作为活性物质,制备细菌纤维素-壳聚糖/环状糊精-白藜芦醇包合物复合膜(BC-CS/RESn),进一步研究该复合膜的阻隔性能、机械性能、抗氧化活性和抑菌性等,旨在增强单一CS膜材料的性能,提高白藜芦醇的生物利用度,同时进行功能性生物复合膜的水产保鲜实验,以期为安全、绿色环保的食品包装材料的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

CS(MW=800 kDa, 脱乙酰度:85%～90%),浙江金科药业股份有限公司;BC,桂林奇宏科技有限公司;环状糊精(分析纯)、白藜芦醇(纯度95%),上海麦克林生化技术有限公司;还原铁粉(化学纯),北京伊诺凯科技有限公司;甘油(分析纯)、溴化钾(分析纯)、氯化钠(分析纯)、无水硫酸钙(化学纯)、颗粒活性炭(分析纯)、营养琼脂和氧化镁(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;DPPH(2,2’-二苯基-1-苦味酸)(纯度98%),上海源叶生物科技有限公司;营养肉汤,青岛高科技工业园海博生物技术有限公司;罗非鱼,江苏无锡华润万家超市;大肠杆菌(Escherichia coli,E.coli)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,S.aureus),江南大学食品加工技术实验室。

1.2 仪器与设备

HJ-6型多头磁力加热搅拌器,江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;TA. XTPlus型物性分析仪,英国SMS公司;IS10型傅里叶红外光谱仪(FTIR),美国Nicolet公司;D2 PHASER型X射线衍射仪,德国布鲁克AXS有限公司;TGA2型热重分析仪,梅特勒-托利科技(中国)有限公司;SU8100型冷场发射扫描电子显微镜,日本株式会社日立制作所。

1.3 实验方法

1.3.1 复合膜BC-CS的制备

取质量分数为10%的BC分散液置于烧杯中,用高速均质机进行均质分散处理(25 000 r/min, 3 min),取分散液置于冰水浴中进行超声分散。取一定量的CS溶于质量分数为1%的乙酸溶液中,将其与BC分散液混合后,加入质量分数为15%的甘油、均质,于室温下进行超声脱气,即可得BC-CS膜液。取50 mL膜液采用溶液浇铸法缓慢倒入方形器皿(10 cm×10 cm)内,在烘箱内40 ℃烘干成BC-CS。

1.3.2 复合膜BC-CS/RESn的制备

将1 g白藜芦醇加入20 mL的体积分数95%乙醇中,通过磁力搅拌器混匀,得到50 mg/mL的白藜芦醇溶液后,滴加到100 mL质量分数为1%的环状糊精溶液中进行反应。用0.45 μm的微孔滤膜过滤,将滤液浓缩后冷冻干燥,得到固体粉末状的环状糊精-白藜芦醇包合物(RES)。再将该包合物配制成质量分数分别为5%、10%、15%、20% 的溶液后,分别添加到1.3.1节制备的BC-CS膜液中,均质后于室温下超声脱气,即可得BC-CS/RESn膜液。取50 mL不同膜液采用溶液浇铸法缓慢倒入方形器皿(10 cm×10 cm)内,在烘箱内40 ℃烘干成膜,分别记为BC-CS/RES～BC-CS/RES4。

1.3.3 复合膜结构观察

1.3.3.1 红外光谱测定

将BC-CS和BC-CS/RESn裁剪成2 cm×2 cm的正方形片进行FTIR测定,每个红外光谱(4 000～600 cm-1)进行32次扫描,分辨率为4.0 cm-1。

1.3.3.2 X射线衍射光谱测定

将BC-CS和BC-CS/RESn分别裁剪成3 cm×3 cm的正方形片进行X射线衍射(XRD)测定。采用配备有Cu、Ka射线源(λ=0.154 nm)的X射线衍射仪在40 kV和100 mA下测量。扫描范围为5～50°,扫描速率为4°/min,扫描步长为 0.052°/步。

1.3.4 复合膜阻隔性能测定

1.3.4.1 水蒸气透过率测定

参照GB/T 21529—2008对BC-CS和BC-CS/RESn的水蒸气透过率(WVTR)进行测定[13]。在称量瓶(瓶口直径4 cm)内放入3 g无水硫酸钙以保证相对湿度为0,用薄膜对瓶口进行密封后放入底部装有饱和硫酸钾溶液(相对湿度97%)的干燥皿中。WVTR计算见式(1)。

(1)

式(1)中,m0为样品初始质量,g;mt为24 h恒重后样品质量,g;S为称量瓶瓶口面积,cm2。

1.3.4.2 氧气渗透率测定

根据文献[14]测定复合膜的氧气渗透率(OP)。在称量瓶(瓶口直径3 cm)内放入氯化钠、活性炭和还原铁粉构成的脱氧剂(质量比=1.5∶1.0∶0.5),用薄膜对瓶口进行密封操作后放入底部装有饱和氯化钡溶液的干燥皿中。OP计算见式(2)。

(2)

式(2)中,m2为恒重后样品质量,g;m1为样品初始重量,g;S为称量瓶瓶口面积,cm2;t为样品达到恒重的时间,h。

1.3.5 复合膜物理性能测定

1.3.5.1 水分含量测定

将BC-CS和BC-CS/RESn分别裁剪成3 cm×3 cm 的正方形片后称质量(m3),放于105 ℃烘箱内干燥24 h后取出称质量(m4),水分含量(MC)计算方法见式(3)。

(3)

1.3.5.2 水溶性测定

参考Moalla等[15]的方法并略加修改。将BC-CS和BC-CS/RESn分别裁剪成3 cm×3 cm的正方形片后放入105 ℃烘箱内干燥24 h后取出称重(m5),放入蒸馏水中复水24 h后,再次干燥称重(m6),按式(4)计算薄膜的水溶性(WS)。

(4)

1.3.5.3 厚度测定

使用测量精度为0.001 mm的千分尺在膜样品上随机选择8个位置,测量膜的厚度。

1.3.6 复合膜机械性能测定

参照ASTM 标准方法D882[16]对复合膜的机械性能进行分析。将BC-CS和BC-CS/RESn分别裁剪成1 cm×5 cm的条状,用千分尺测量条状上随机5个点的厚度并取平均值。用物性分析仪(TA)测定薄膜机械性能,仪器两端夹具初始距离为20 mm,拉伸速度为0.5 mm/s。

1.3.7 复合膜热稳定性测定

精确称量0.03 g的BC-CS和BC-CS/RESn放入热重分析仪后,在氮气中进行热稳定性(TGA)分析,加热速率为10 ℃/min,温度为30～700 ℃。

1.3.8 复合膜抗氧化活性测定

1.3.8.1 DPPH自由基清除能力测定

参考Sukati等[17]的方法并略加调整,测定BC-CS和BC-CS/RESn在模拟食物环境(体积分数95%乙醇体系)对自由基的清除效果。将100 mg薄膜置于装有10 mL 95%乙醇溶液的试管内,25 ℃振荡(100 r/min),分别取振荡1 h和24 h后的提取液进行抗氧化活性测定。取3 mL提取液和1 mL DPPH溶液(0.2 mmol/L)混合均匀后在暗处反应30 min,测定517 nm处吸光度,计算DPPH自由基清除率[式(5)]。以3 mL 95%乙醇代替提取液与1 mL DPPH溶液混合为对照组。

DPPH自由基清除率

(5)

式(5)中,A0为空白对照组的吸光度,Ax为样品的吸光度。

1.3.8.2 铁离子还原能力测定

根据文献[3]的方法并稍加修改。将2.0 mL的膜样上清液与5.0 mL磷酸盐缓冲液(0.2 mol/L,pH值为 6.6)和5.0 mL质量分数为1%的铁氰化钾溶液混合。将混合物置于50 ℃的水浴中加热20 min后,迅速冷却至室温。在混合物中加入5.0 mL质量分数为10%的三氯乙酸后,10 000 r/min 离心取上清液2.5 mL,用2.5 mL蒸馏水和0.5 mL质量分数为0.1%的三氯化铁在黑暗中混匀静置10 min后,测定700 nm处吸光度。

1.3.9 抑菌能力测定

大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别用摇瓶培养法在37 ℃下活化24 h后,取0.1 mL的菌液均匀涂抹于营养琼脂培养基板表面,取膜样(直径1.5 cm,紫外光灯下灭菌30 min)置于营养琼脂培养基板中央,37 ℃培养12 h。复合膜抑菌能力计算方法见式(6),抑菌直径至少测量3次。

(6)

式(6)中,I为抑菌区直径,cm;D为抑菌区外径,cm;d为抑菌区内径,cm。

1.3.10 鱼片保鲜实验

1.3.10.1 鱼片pH值测定

取新鲜的罗非鱼,切成大小均匀的鱼片(4 cm×3 cm×1.5 cm),随机分为4组,分别记为PE膜、BC-CS、BC-CS/RESn、空白组。各组均置于4 ℃冰箱中贮藏,并于0、2、4、6、8 d取5 g切碎的罗非鱼样品,加入40 mL去离子水后进行均质处理,待静置 30 min 后过滤,用pH计测定滤液的pH值。

1.3.10.2 鱼片挥发性盐基氮测定

参考GB 5009.228—2016的半微量定氮法并进行修改,将经预处理的鱼片与100 mL去离子水混合并均质1 min。离心后,使用自动凯氏定氮仪将 5 mL 上清液与等体积的质量分数为1% 的氧化镁溶液蒸馏5 min。将馏出物转移到含有20 mL硼酸溶液的锥形烧瓶中,然后使用0.01 mol/L 盐酸标准溶液进行滴定,并用几滴溴甲酚绿和甲基红(体积比 5∶1)作为指示剂。挥发性盐基氮(TVB-N)值以每100 g鱼片中质量计。

1.4 数据处理

所有实验平行进行3次,结果用平均值±标准差表示。使用SPSS数据统计软件进行统计分析,邓肯多重比较(P<0.05)用于显著差异分析。

2 结果分析

2.1 复合膜结构表征

2.1.1 红外光谱分析

复合膜的红外光谱分析结果见图1。与BC-CS相比,添加RES的复合膜的—OH伸缩振动峰从3 666 cm-1向更低波段偏移,说明RES的—OH可能通过形成氢键与双层膜中的多糖基质发生了分子间相互作用。5种复合膜在1 419.352 cm-1附近共同出现的吸收峰属于CS甲基和亚甲基中C—H键的面内弯曲振动。1 068.371 cm-1处为C—O键向低波长数的伸缩振动。此外,BC-CS/RESn的峰强度随着RES的添加量的升高而增强,在RES添加量为20%时(BC-CS/RES4)达到最大,可能此时少量RES未被包埋,发生了明显的聚集从而影响BC-CS/RESn的相容性。总体看来,复合膜FT-IR光谱没有检测到官能团的明显变化,表明氢键和范德华力等非共价相互作用和物理缠绕是各组分结合的主要驱动力。

2.1.2 X射线衍射分析

各组复合膜的X射线衍射图谱分析结果见图2。BC-CS中没有尖锐的强衍射峰,只有在2θ=18.33°处存在一个比较宽的衍射峰。添加RES后,BC-CS/RESn分别在8.75°和11.66°出现了显著的RES特征峰,并且在11.77°处的衍射峰随着RES的增加先增强后减弱。结果表明,BC-CS/RESn中的RES发生了明显的结晶。

2.2 复合膜的阻隔性能分析

薄膜材料的阻隔能力会影响包装食品的货架期[18]。若透水性较强,环境中的水分会影响食品的物理、化学性质及微生物的变化;较低的水蒸气透过率可阻断食品与周围环境的水分交换。复合膜的水蒸气透过率和氧气渗透率见图3。由图3可知,对于BC-CS/RESn,随着RES添加量的增大,复合膜的氧气渗透率呈现先降低后升高的趋势;而复合膜的水蒸气透过率呈现逐渐降低趋势。添加质量分数为20%的RES时,复合膜水蒸气透过率为(6.74±0.02) g/(m2·24 h),RES添加量为15%时,氧气渗透率为(0.85±0.03) g/(m2·s)。Liu等[19]以不同分子量的CS为基材,制备了复合膜材料CSn-BC-Cur,结果表明,Cur的添加使得体系阻隔性能得到改善,当添加一定质量分数的Cur(0.5%)时,复合膜的水蒸气透过率为(10.08±0.23) g/(m2·24 h)。与CSn-BC-Cur相比,本研究制备的复合膜水蒸气阻隔性能较好。这可能是由于Cur和RES的特性不同,造成不同复合膜材料的水蒸气阻隔性有所区别。本研究中,添加不同量的RES的复合膜阻隔性能差异并不明显,不会在很大程度上改变复合膜氧气渗透率和水蒸气透过率。

2.3 复合膜物理性能分析

复合膜的厚度、水分含量和水溶性直接影响其物理、化学和机械性能[20],也是复合膜适用性的重要检测指标之一,例如水溶性的高低,直接决定复合膜材料的应用范围和使用场景[21]。复合膜BC-CS、BC-CS/RESn的厚度、水分含量和水溶性见表1。由于添加的RES比较均匀地分散在BC-CS中,不同薄膜间厚度无明显差异。但是复合膜的水分含量和水溶性随着RES添加量的增大而减少,在添加了质量分数为20%的RES后,BC-CS/RES4比BC-CS的水分含量和水溶性分别降低了22.62%和44.99%。这是由于白藜芦醇具有较好的疏水性,减少了复合膜与分子结合的可能性。因为BC和CS的水溶性较差,经过24 h浸泡后,BC-CS仍然能够保留完整的形态和一定的机械强度。

2.4 复合膜机械性能分析

膜材料良好的机械性能使食品在运输、储存过程中能够承受一定的外部应力,所以机械性能是评估包装材料质量的重要参数之一。BC-CS和BC-CS/RESn的机械性能见图4。由图4可知,随着RES添加量的增大,复合膜的拉伸强度(TS)和断裂伸长率(EB)先升高后降低。添加质量分数为10%的RES时,RES能够最好地被包埋和均匀分散在基质中,因此具有较好的机械性能,其拉伸强度为(81.64±0.14) MPa,断裂伸长率为(27.83±3.40)%。当RES添加量为15%和20%时,未被BC包埋的RES发生聚集,以晶体的形式分布在BC-CS层中,其强疏水性削弱了多糖间的相互作用并增大了空隙,导致膜结构变得疏松,降低了断裂伸长率和拉伸强度,这一结论与XRD的结果一致。与刘锦渊等[22] 制备的丁香酚/咖啡酸-介孔二氧化硅纳米粒复合膜(EG/CA-MSN)的机械性能(TS最高为18.86 MPa,EB最高为30.45%)相比,本研究制备的复合膜的TS和EB均有较好的提升。

2.5 复合膜热稳定性分析

BC-CS/RESn的热稳定性可通过其在高温下的质量损失情况和降解速率反映(图5)。由图5可知,热重曲线表示复合膜在热分解过程中的质量损失和最大降解温度(Tmax)。添加RES后,复合膜质量损失降低,但是在RES质量分数为5% 时效果不明显;而且聚合物的热降解峰并没有随着RES添加量的增加而发生明显偏移,说明RES并没有对复合膜的热稳定性造成很大影响。前2个热降解峰出现在70～95 ℃和168～195 ℃处,分别为复合膜中水分的蒸发和甘油的分解导致的[23]。添加了RES的复合膜在260 ℃左右开始失重,这与白藜芦醇的性质吻合,同时也与Liao等[24] 报道的CS/聚赖氨酸接枝细菌纤维素膜的热稳定性比较接近,在70～180 ℃和180～300 ℃表现出显著的重量损失,在约260 ℃ 显示出额外的重量损失。

2.6 复合膜抗氧化性分析

2.6.1 DPPH自由基清除能力分析

活性包装材料中所含的活性物质可能会释放到食品中或食品附近的环境中,以达到延长食品保质期和保持或改善食品质量的目的[25]。复合膜的DPPH自由基清除率见图6。由图6可知,与未添加RES的对照组相比,随着RES含量的增加,活性复合膜清除能力逐渐增强。当RES添加含量为20%时DPPH清除率最好,1 h后DPPH清除率为21.28%;24 h后DPPH清除率为69.97%,与未添加RES的复合膜相比,提高了13.31倍。本研究制备的BC-CS/RESn清除DPPH自由基的能力提高了很多,原因在于白藜芦醇本身具有较强的抗氧化能力,而且能够均匀地包埋在BC-CS基质中,从而提升了复合膜对DPPH自由基的清除能力。与Liu等[19]制备的复合膜相比(57%),本研究制备的复合膜清除DPPH自由基能力有显著提升。

2.6.2 铁离子还原能力分析

通常铁还原能力测定被用于植物多酚抗氧化能力的研究[26]。RES向羟自由基提供氢离子,终止自由基的链反应,减少或消除自由基引起的氧化损伤。BC-CS和BC-CS/RESn的铁离子还原能力见图7。由图7可知,添加RES的复合膜具有较好的铁离子还原能力,当RES添加量为20%时,薄膜抗氧化能力最高(吸光度达0.118),铁离子还原能力比对照组提高了49.99%,原因可能是羟自由基与体系内剩余的游离氨基间相互作用形成了稳定自由基。RES添加后,复合膜体系稳定均匀,各分子间连接紧密,可以充分发挥抗氧化性能。本研究结果与Liu等[24]的结果相似。

2.7 复合膜抑菌活性分析

BC-CS/RESn中的CS和RES都具有良好的抑菌活性,复合膜抑菌结果见图8。由图8可知,复合膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长均有抑制作用,RES添加量为20%时,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌能力比对照组分别提高了4.65倍和2.42倍。添加RES能显著提高复合膜的抑菌活性,且与RES添加量呈正相关。相比较而言,对金黄色葡萄球菌的抑菌效果更好。与Zhou等[27]制备的含茶多酚的BC-CS复合膜的抑菌效果相似。这可能是因为大肠杆菌的细胞壁含有脂多糖,使得细胞壁对RES具有更强的抗性。RES主要是通过破坏细胞通透性,引发代谢紊乱,从而导致细菌死亡。

2.8 复合膜对贮藏期间鱼片保鲜效果的影响

2.8.1 对鱼片pH值的影响

死鱼的肌肉变化经历不同的阶段,引发不同的生化反应,因此,鱼类的pH值可以显示出一定的规律,是鱼类新鲜度评价的重要指标[28]。冷藏初期pH值的降低主要是由于鱼类糖原的降解和二氧化碳的产生以及细菌的无氧呼吸;随后,由于细菌繁殖以及内源蛋白酶的分解,pH值升高[29]。复合膜对贮藏期间鱼片pH值的影响见图9。由图9可知,第0天时鱼片pH值为6.64;第2天时BC-CS/RES3与空白组相比,pH值降低了16.22%,其他3组复合膜pH值相差不大;第4天PE膜的pH值变化最大,上升到了7.31;第6天pH值变化缓慢;第8天时,BC-CS/RES3组与空白组、PE膜组和BC-CS组相比,pH值分别降低13.61%、9.27%、3.82%,从而得出结论,BC-CS/RES3的保鲜效果最好。这与Moosavi-Nasab等[30]制备的CS/聚乙烯-生姜精油复合活性膜的结果相似。

2.8.2 对鱼片TVB-N值的影响

TVB-N值是由于贮藏期间,鱼片蛋白在酶和细菌的作用下分解产生挥发性碱性含氮物质(如氨和胺)而产生的,可用于鱼类腐败的评价。复合膜对贮藏期间鱼片TVB-N值的影响见图10。由图10可知,第0天鱼片的TVB-N值为5.12 mg/100 g;第2天BC-CS/RES3与空白组相比,TVB-N值低了39.12%,其他3组膜TVB-N值相差不大;第8天时BC-CS/RES3组与空白组、PE膜组和BC-CS组相比,TVB-N值分别降低52.92%、38.91%、17.98%。这是由于BC-CS/RES3中添加白藜芦醇增强了抑菌活性,减缓了微生物诱导的蛋白质分解。与Zhou 等[27]制备的含茶多酚的BC-CS复合膜(第14天TVB-N值比对照组降低了27.63%)相比,BC-CS/RES3减少腐败的能力更强。

3 结 论

本研究将BC与CS进行复合,并讨论了RES的添加量对BC-CS/RESn理化性能的影响。BC-CS/RESn表现出良好的功能特性且存在着分子间相互作用。当RES添加量为10%时,复合膜具有较佳的机械性能[拉伸强度(81.64±0.14) MPa,断裂伸长率(27.83±3.40)%]。当添加质量分数为15%的RES时,复合膜的氧气渗透率较佳,为(0.85±0.03) g/(m2·s)。RES质量分数为20%时,复合膜表现出较佳的水蒸气透过率[(6.74±0. 02) g/(m2·24 h)]。同时,BC-CS/RESn表现出良好的抗氧化和抑菌性能,当添加量为20%时,24 h后的DPPH自由基清除能力和铁离子还原能力分别提高了13.31倍和49.99%,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌能力分别提高了4.65倍和2.42倍。本研究制备的BC-CS/RESn可有效延缓冷藏鱼片的氧化,有望作为食品保鲜材料应用于食品包装中。

参考文献：

[1] 刘晓丽, 郭曹羽, 林锴立, 等. 壳聚糖基抑菌抗氧化活性复合膜的制备及其性能研究[J]. 轻工学报, 2023, 38(4): 27-36.LIU X L, GUO C Y, LIN K L, et al. Preparation and properties of chitosan-based antibacterial and antioxidative composite films[J]. Journal of Light Industry, 2023, 38(4): 27-36.

[2] MUIRURI J K, YEO J C C, ZHU Q, et al. Bacterial cellulose: recent advances in biosynthesis, functionalization strategies and emerging applications[J]. European Polymer Journal, 2023, 199: 112446.

[3] 许艺馨. 壳聚糖接枝细菌纤维素活性复合膜的制备及应用[D]. 无锡: 江南大学, 2022.XU Y X. Preparation and application of chitosan grafted bacterial cellulose active composite membrane[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2022.

[4] XU Y X, LIU X L, JIANG Q X, et al. Development and properties of bacterial cellulose, curcumin, and chitosan composite biodegradable films for active packaging materials[J]. Carbohydrate Polymers, 2021, 260: 117778.

[5] BARIK M, BHAGYARAJ G V S, DASH K K, et al. A thorough evaluation of chitosan-based packaging film and coating for food product shelf-life extension[J]. Journal of Agriculture and Food Research, 2024, 16: 101164.

[6] MUJTABA M, MORSI R E, KERCH G, et al. Current advancements in chitosan-based film production for food technology: a review[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2019, 121: 889-904.

[7] LATIF S, AHMED M, AHMED M, et al. Development of Plumeria alba extract supplemented biodegradable films containing chitosan and cellulose derived from bagasse and corn cob waste for antimicrobial food packaging[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 266(Pt 1): 131262.

[8] AHMAD N, WEE C E, WAI L K, et al. Biomimetic amphiphilic chitosan nanoparticles: synthesis, characterization and antimicrobial activity[J]. Carbohydrate Polymers, 2021, 254: 117299.

[9] 吴正国. 壳聚糖基固定化纳米银复合抗菌材料的绿色构建及应用[D]. 广州: 华南理工大学, 2019.WU Z G. Green construction and application of chitosan-based immobilized nano-silver composite antibacterial material[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2019.

[10] LIU J, LIU S, WU Q Q, et al. Effect of protocatechuic acid incorporation on the physical, mechanical, structural and antioxidant properties of chitosan film[J]. Food Hydrocolloids, 2017, 73: 90-100.

[11] CID-SAMAMED A, RAKMAI J, MEJUTO J C, et al. Cyclodextrins inclusion complex: Preparation methods, analytical techniques and food industry applications[J]. Food Chemistry, 2022, 384: 132467.

[12] SHI C, FANG D L, XIA S Q, et al. Preparation and characterization of lemon essential oil@β-cyclodextrin inclusion for blackberry postharvest preservation[J]. Food Control, 2023, 154: 109979.

[13] 国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 塑料薄膜和薄片水蒸气透过率的测定 电解传感器法: GB/T 21529—2008[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

[14] MÜLLER K, SCHEUERER Z, FLORIAN V, et al. Comparison of test methods for oxygen permeability: optical method versus carrier gas method[J]. Polymer Testing, 2017(63): 126-132.

[15] MOALLA S, AMMAR I, FAUCONNIER M L, et al. Development and characterization of chitosan films carrying Artemisia campestris antioxidants for potential use as active food packaging materials[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 183: 254-266.

[16] ASTM. Standard test method for tensile properties of thin plastic sheeting: D882-02[S]. Pennsylvania, USA: ASTM International, 2002.

[17] SUKATI S, KHOBJAI W. Total phenolic content and DPPH free radical scavenging activity of young turmeric grown in southern Thailand[J]. Applied Mechanics and Materials, 2019, 886: 61-69.

[18] FENG X, WANG W Y, CHU Y F, et al. Effect of cinnamon essential oil nanoemulsion emulsified by OSA modified starch on the structure and properties of Pullulan based films[J]. LWT, 2020, 134: 110123.

[19] LIU X L, XU Y X, LIAO W Y, et al. Preparation and characterization of chitosan/bacterial cellulose composite biodegradable films combined with curcumin and its application on preservation of strawberries[J]. Food Packaging and Shelf Life, 2023, 35: 101006.

[20] CAZN P, VELZQUEZ G, VZQUEZ M. Characteri-zation of bacterial cellulose films combined with chitosan and polyvinyl alcohol: evaluation of mechanical and barrier properties[J]. Carbohydrate Polymers, 2019, 216: 72-85.

[21] TAN W Q, DONG F, ZHANG J J, et al. Physical and antioxidant properties of edible chitosan ascorbate films[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2019, 67(9): 2530-2539.

[22] 刘锦渊, 刘晓丽, 夏文水. 负载丁香酚的改性纳米粒对玉米醇溶蛋白膜性能的影响[J]. 食品科学技术学报, 2023, 41(5): 123-135.LIU J Y, LIU X L, XIA W S. Effects of modified nanoparticles loaded with eugenol on properties of zein films[J]. Journal of Food Science and Technology, 2023, 41(5): 123-135.

[23] PEREIRA P F, ANDRADE C T. Optimized pH-responsive film based on a eutectic mixture-plasticized chitosan[J]. Carbohydrate Polymers, 2017, 165: 238-246.

[24] LIAO W Y, LIU X L, ZHAO Q, et al. Physicochemical, antibacterial and food preservation properties of active packaging films based on chitosan/ε-polylysine-grafted bacterial cellulose[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2023, 253: 127231.

[25] SAURAJ, KUMAR S U, KUMAR V, et al. pH-responsive prodrug nanoparticles based on xylan-curcumin conjugate for the efficient delivery of curcumin in cancer therapy[J]. Carbohydrate Polymers, 2018, 188: 252-259.

[26] JAWED A, SHARMA S, GOLDER A K, et al. Plant-polyphenol-mediated synthesis of iron oxide nanomaterials for heavy metal removal[M]∥New Trends in Removal of Heavy Metals from Industrial Wastewater. Amsterdam: Elsevier, 2021: 115-129.

[27] ZHOU X Y, LIU X L, WANG Q, et al. Antimicrobial and antioxidant films formed by bacterial cellulose, chitosan and tea polyphenol-Shelf life extension of grass carp[J]. Food Packaging and Shelf Life, 2022, 33: 100866.

[28] CHEN X N, LAN W Q, XIE J. Characterization of active films based on chitosan/polyvinyl alcohol integrated with ginger essential oil-loaded bacterial cellulose and application in sea bass (Lateolabrax japonicas) packaging[J]. Food Chemistry, 2024, 441: 138343.

[29] EHSANI A, HASHEMI M, AFSHARI A, et al. Effect of different types of active biodegradable films containing lactoperoxidase system or sage essential oil on the shelf life of fish burger during refrigerated storage[J]. LWT-Food Science and Technology, 2020, 117: 108633.

[30] MOOSAVI-NASAB M, SHAD E, ZIAEE E, et al. Biodegradable chitosan coating incorporated with black pepper essential oil for shelf life extension of common carp (Cyprinus carpio) during refrigerated storage[J]. Journal of Food Protection, 2016, 79(6): 986-993.

Construction and Application of Bacterial Cellulose- Chitosan-Resveratrol Composite Film

DOU Heying, WANG Xiaoqing, SUN Xin, FENG Anqi, SUN Tianyu, DILIMULATI·Dihumaer, LIU Xiaoli*

(School of Food Science and Technology/ State Key Laboratory of Food Science and Resources/Collaborative Innovation Center of Food Safety and Quality Control in Jiangsu Province, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Abstract：In order to develop natural bio-based composite film materials with good preservation effects, bacterial cellulose (BC) and chitosan (CS), which have similar structural and functional properties, were used as the basis to composite cyclodextrin-resveratrol inclusion compound (RES), and finally bacterial cellulose-chitosan/cyclodextrin-resveratrol inclusion composite film (BC-CS/RESn) was obtained. The effects of RES addition (0, 5%, 10%, 15%, 20%) on the physicochemical and functional properties of BC-CS/RESn were investigated. The Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray diffraction results showed that there were non-covalent interactions such as hydrogen bonding and van der Waals forces between RES and BC-CS, and the addition of RES improved the mechanical and barrier properties of the composite films. The tensile strength of the composite film was (81.64±0.14) MPa, and the elongation at break was (27.83±3.40) % when the addition of RES was 10%. The oxygen permeability of the BC-CS/RES3 could reach (0.85±0.03) g/(m2·s) when the addition of RES was 15%. The water vapor permeability of the BC-CS/RES4 was the best at 20% RES addition, which was (6.74±0.02) g/(m2·24 h). The addition of RES gave the composite film good antioxidant and bacteriostatic properties, in which the DPPH radical scavenging capacity of the composite film with 20% RES addition increased by 13.31 times after 24 h, and the ferric iron reduction capacity increased by 49.99%, and the antibacterial ability of the composite film against Escherichia coli and Staphylococcus aureus increased by 4.65 times and 2.42 times, respectively. When the composite film was applied to the preservation of refrigerated fish fillets, the accumulation of volatile basic nitrogen during storage was effectively delayed. Therefore, the BC-CS/RESn had potential application value in aquatic preservation.

Keywords：bacterial cellulose; chitosan; resveratrol; cyclodextrin; composite film; fish fillet

中图分类号：TS206.4

文献标志码：A

doi：10.12301/spxb202400290

文章编号：2095-6002(2025)01-0137-10

引用格式：窦荷影,王晓庆,孙欣,等. 细菌纤维素-壳聚糖-白藜芦醇复合膜的构建及其应用[J]. 食品科学技术学报,2025,43(1):137-146.

DOU Heying,WANG Xiaoqing,SUN Xin,et al. Construction and application of bacterial cellulose-chitosan-resveratrol composite film[J]. Journal of Food Science and Technology, 2025,43(1):137-146.

收稿日期：2024-04-29

基金项目：海南省重点研发项目(ZDYF2022XDNY335)。

Foundation：Hainan Key R&D Projects(ZDYF2022XDNY335).

第一作者：窦荷影,女,本科生,研究方向为食品加工与保鲜。

*通信作者：刘晓丽,女,副研究员,博士,主要从事食品化学及大分子结构与功能方面的研究。

(责任编辑：张逸群)