使用QUV和Q-SUN研究太陽輻射對疏水塗層抗菌性能的影響

摘要

本研究的目的是檢測抗革蘭氏陽性菌的抗菌性能，以及覆蓋有甲基-羥丙基-纖維素(MHPC)/可可脂載體的聚乳酸(PLA)薄膜的水蒸氣特性，該載體含有E. comosa提取物作為活性物質。研究的第二個目的是評估QUV和Q-SUN老化測試對塗層的抗菌性能和阻隔特性的影響。研究結果表明，MHPC/可可脂塗層對金黃色葡萄球菌、蠟狀芽孢杆菌和萎縮芽孢杆菌的生長沒有影響。含有科摩莎提取物的MHPC/可可脂塗層減少了細菌菌株的數量。MHPC/可可脂塗層也降低了PLA的水蒸氣滲透性。結果表明，QUV紫外老化試驗箱和Q-SUN氙燈老化箱改變了含有可可脂的塗層的化學組成。盡管各層的化學組成發生了變化，但Q-SUN氙燈老化箱和QUV紫外老化箱並沒有影響到芝麻提取物塗層對金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢杆菌的抗菌性能。發現隻有使用Q-SUN氙燈老化箱照射降低了提取物對萎縮芽孢杆菌的塗層活性，盡管這種降低程度很小。

1.介紹

一般來說，活性包裝材料應該在儲存期間發揮作用，以抑製微生物生長並延長任何給定食品的保質期。這意味著塗層應該提供足夠的抗紫外線輻射能力。紫外線(UV)輻射是電磁波譜中非電離區的一部分，約占太陽總輻射的8-9%。它會導致材料的物理-機械、光學和抗菌性能退化。在塗層載體中引入對紫外線敏感的活性物質會導致塗層在紫外線老化後失活。在塗層載體中引入抗紫外線的活性物質可以防止該塗層在紫外線老化後失活。

本研究的目的是檢測抗革蘭氏陽性菌的抗微生物特性，以及覆蓋有MHPC/可可脂載體的PLA膜的水蒸氣特性，所述載體含有作為活性物質的科摩薩提取物。研究的第二個目的是評估QUV紫外老化箱和Q-SUN氙燈老化試驗箱對塗層的抗菌性能和阻隔特性的影響。

2.材料和方法

2.1.材料

本研究中使用的試驗微生物獲自DSMZ萊布尼茨研究所(德意誌微生物研究所，德國布倫瑞克)。菌株由美國典型培養物保藏中心(ATCC，馬納薩斯，弗吉尼亞州，美國)提供。本研究中使用的微生物是金黃色葡萄球菌DSMZ 346、ATCC蠟樣芽孢杆菌14579和IZT萎縮芽孢杆菌DSM 675。

2.2.提取物製劑

將E.comosa幹燥的球莖研磨成粉末，用50g 70%的含水丙酮提取5g樣品。然後將樣品在超聲水浴中保持一小時。通過加入冰將浴的溫度保持在15℃。丙酮提取物在40℃下濃縮。丙酮蒸發後，樣品通過0.2 m過濾器過濾。所得的15 g提取物用於進一步分析。

2.3加速老化測試

將未覆蓋和覆蓋的薄膜樣品分別切成矩形(23.5厘米× 7.0厘米和26.0厘米× 2.5厘米)。將樣品引入1.55 W/m2的UV-A加速老化測試儀(QUV/spray，Q-LAB，Homestead，FL，USA)和1.5 W/m2的Q-SUN加速氙測試室(Q-SUN Xe-2，Q-LAB公司)並運行測試24小時。

2.4傅裏葉紅外光譜

使用傅裏葉變換紅外光譜(Perkin Elmer分光光度計，Spectrum 100，Waltham，MA，USA)測量未覆蓋和覆蓋的薄膜樣品的傅裏葉變換紅外(FT-IR)光譜，在4cm-1的分辨率和四次掃描下操作。將薄膜樣品切成正方形(2 cm × 2 cm ),並直接放置在射線曝光階段。光譜是在650–4000cm-1的波長下記錄的。

2.5 統計分析

使用方差分析(ANOVA)以及隨後的鄧肯檢驗來確定統計顯著性。該測試用於確定細菌細胞數量之間的顯著差異。當p < 0.05時，這些值被視為顯著不同。所有分析均使用Statistica第10版(StatSoft，Kraków，波蘭)進行。

3.結果

3.1.抗菌性能

研究結果表明，含有可可脂作為疏水添加劑的MHPC塗層對金黃色葡萄球菌細胞的生長沒有影響。證明PLA膜(對照樣品)的金黃色葡萄球菌細胞數為2.1 × 105 cfu/mL。含可可脂的MHPC塗層的細菌細胞數量與對照樣品相似(4.56 × 105 cfu/mL)。Q-SUN和QUV加速老化試驗箱不影響不含球莖提取物的塗層的抗菌性能，而含有芝麻提取物的MHPC塗層抑製了金黃色葡萄球菌的生長。對於含有球莖提取物的樣品(細胞數量為3.60 × 102 cfu/mL)，觀察到金黃色葡萄球菌的數量減少了3個對數級。在之前的研究中證實了雞眼草球莖提取物對革蘭氏陽性菌的抗菌活性。統計分析表明，細菌細胞數量的減少是顯著的(p < 0.05)。加速的UV-A輻射沒有改變含有球莖提取物(3.2 × 102 cfu/mL)的塗層的抗菌性能。在Q-SUN照射的情況下(圖1)，細菌細胞的數量略有增加(5.86 × 102 cfu/mL)，後來通過鄧肯試驗證實(p > 0.05)。

k—聚乳酸(PLA)薄膜；KA——QUV紫外線老化試驗箱照射過的的聚乳酸薄膜；KQ——Q-SUN氙燈老化試驗箱照射過的的聚乳酸薄膜:MB-PLA薄膜，覆蓋有甲基-羥丙基-纖維素(MHPC)/可可脂塗層；MBA—QUV紫外線老化試驗箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層；MBQ—Q-SUN氙燈老化試驗箱照射過的聚乙烯薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層；MBE-PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層，含有25%的象牙果提取物；MBEA——QUV紫外線老化試驗箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層，含有25%的象牙果提取物；MBEQ—Q-SUN氙燈老化試驗箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層，含有25%的象牙果提取物。

蠟狀芽孢杆菌對含有蠟狀芽孢杆菌提取物的活性塗層的敏感性分析如圖2所示。將PLA膜的蠟狀芽孢杆菌的數量(1.01 × 104 cfu/mL)與覆蓋有MHPC的PLA膜的蠟狀芽孢杆菌的數量(1.14 × 104 cfu/mL)進行比較，應該說數量幾乎相同。這項研究的結果表明，含有可可脂的MHPC塗層沒有抗菌活性。Q-SUN和QUV老化試驗箱不影響不含任何球莖提取物的塗層的抗菌性能，隨後通過鄧肯試驗證實了這一點(p > 0.05)。注意到細菌數量的微小變化(低於1-log減少)。蠟狀芽孢杆菌細胞對含有芝麻提取物的塗層表現出敏感性。金黃色葡萄球菌數從1.14 × 104下降到1.84 × 102 cfu/mL (2對數下降)。統計分析表明，細菌細胞數量的減少是顯著的(p < 0.05)。Q-SUN和QUV老化試驗箱對塗層的抗菌性能影響很小。QUV老化試驗箱使含有芝麻提取物的塗層的抗菌性能失活。還觀察到用QUV老化試驗箱照射的這些塗層的細菌細胞數量增加(2.76 × 102 cfu/mL)。與QUV老化試驗箱相比，Q-SUN氙燈老化機提高了塗層的抗菌活性(1.10 × 102 cfu/mL)。活細胞數之間的差異並不顯著，這一點後來通過Duncan檢驗得到了證實(p > 0.05)。

K—PLA薄膜；KA——UV-A輻照過的聚乳酸薄膜；KQ——Q-SUN輻照的聚乳酸薄膜:MB—PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層；MBA—QUV紫外線老化試驗箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層；MBQ—Q-SUN氙燈老化試驗箱照射過的聚乙烯薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層；MBE-PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層，含有25%的象牙果提取物；MBEA——QUV紫外線老化試驗箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層，含有25%的象牙果提取物；MBEQ—Q-SUN氙燈老化試驗箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層，含有25%的象牙果提取物。

該研究的結果表明，用可可脂塗覆的MHPC對萎縮性芽孢杆菌細胞生長的降低沒有影響。還觀察到，與未覆蓋塗層的PLA膜(4.34 × 104 cfu/mL)相比，細菌細胞的數量(5.44 × 105 cfu/mL)增加了。這很容易讓人想到，萎縮芽孢杆菌可能會利用缺乏活性物質的包被作為碳源。應該補充的是，活細胞的增加是顯著的，後來通過統計分析證實(p < 0.05)。與含有5.44 × 105至1.73 × 103 cfu/mL的E. comosa提取物的MHPC塗層接觸24小時後，細菌細胞的生長下降。如下圖所示(圖3)，加速的UV-A輻射對含有象牙果提取物的塗層的抗菌性能的影響也沒有被注意到。在Q-SUN老化箱的情況下，觀察到與未照射的樣品相比，活細胞的數量從1.73 × 103增加到1.24 × 104 cfu/mL。統計學分析表明，萎縮性芽孢杆菌細胞數之間差異不顯著(p > 0.05)。

K—PLA薄膜；KA——UV-A輻照過的聚乳酸薄膜；KQ——Q-SUN輻照的聚乳酸薄膜:MB—PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層；MBA—QUV紫外線老化試驗箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層；MBQ—Q-SUN輻照聚乙烯薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層；MBE-PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層，含有25%的象牙果提取物；MBEA——QUV紫外線老化試驗箱照射過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層，含有25%的象牙果提取物；MBEQ—Q-SUN輻照過的PLA薄膜，覆蓋有MHPC/可可脂塗層，含有25%的象牙果提取物。 3.2.紅外光譜分析。

屬於聚酯家族的PLA具有特征峰。2996.3和2946.49cm-1處的紅外(IR)光譜分別屬於–CH3模式的不對稱和對稱–CH拉伸區域。酯基的C=O伸展歸因於1747.91cm-1處的寬而強的吸收彎曲。–CH3彎曲的特征在於1451.85cm-1的峰。在1381.82和1360.06cm-1處分別觀察到–CH變形和不對稱彎曲。酯基的C=O拉伸模式出現在1266.41cm-1，不對稱C–O–C拉伸模式出現在1180.81、1127.28和1083cm-1。在1000和800cm-1的範圍內，955.57cm-1處的彎曲歸因於具有CH3搖擺模式的螺旋骨架的特征振動。在868.06(指定為非晶相)、766.57和755.32cm-1(晶相)處發現了與PLA的晶相和非晶相相關的兩個彎曲。Chu Z .等人和Seda t GL aydn r .等人證實了這些結果。

紫外輻射和Q-SUN輻射對塗層的影響可以通過使用FT-IR光譜清楚地注意到。發現影響吸收峰和彎曲位置的性質有:結構、化學成分以及薄膜或塗層的形態。研究結果表明，在QUV和Q-SUN老化箱後，PLA膜(K-PLA)的化學組成和形態沒有差異(圖4)。如圖4所示，輻照過的PLA膜的曲線類似於未輻照過的PLA膜。然而，隨著樣品的紫外線老化，1381.82、1360.06和868.06cm-1處的彎曲強度降低。這些結果得到了應峰等的證實。作者證明，PLA經不同時間的老化處理後，其特征吸收峰的位置不變，但吸收峰的強度發生了顯著的變化。Van Cong D .等人也進行了加速氣候試驗，以評價與聚(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)(EVA)/聚乳酸(PLA)共混物相比，TiO2晶型對EVA/PLA/TiO2納米複合材料降解行為的影響。FT-IR分析和熱機械性能的結果證實了樣品在加速氣候測試下的降解。樣品的降解程度取決於樣品中存在的TiO2晶型。TiO2納米粒子促進了EVA/PLA/TiO2納米複合材料的光降解，其中TiO2納米粒子混晶表現出最高的光催化活性。

MHPC的典型光譜如圖5所示。3382.15cm-1處的峰值是由–OH振動拉伸產生的。在2918.71–2850.98cm-1範圍內發現了甲基和羥丙基頻率的對稱伸縮模式，其中所有的–CH鍵同相伸縮。對稱振動主要出現在1379.29cm-1的範圍內，並暗示存在環酐。1040.36和1075.62cm-1處的譜帶用於醚C-O-C基團的伸縮振動。這些結果得到了Punitha S .等人和Dong Ch .以及其他人的證實。

結果表明，加速輻照對聚乳酸薄膜樣品沒有影響。也沒有觀察到QUV和Q-SUN老化箱對親水性MHPC的影響(圖5)。然而，隨著樣品的紫外線老化，1381.82、1360.06和868.06cm-1處的彎曲強度增加。

圖6顯示了含有可可脂的MHPC塗層(CB—MHPC)、含有可可脂的UV-A照射的MHPC塗層(CB—MHPC—UVA)和含有疏水添加劑的Q-SUN照射的MHPC塗層(CB—MHPC—QUV)。在FT-IR光譜中觀察到三個區域，範圍從(1) 3600到2400cm-1；(2) 1800至1400cm-1；和(3) 1000至650cm-1。在2851.05cm-1峰的情況下，注意到了這一點，這與O = C–H雙鍵激發的吸收一致。甘油三酯的羰基(C=O)的拉伸振動激發了1747.53cm-1峰。1254.55cm-1峰是由酯中的C-O伸縮振動激發的。或者，觀察到1600-1400cm-1範圍內的光譜峰為C=C誘導吸收峰。這些峰僅在未輻射的塗層中觀察到。UV-A和Q-SUN照射導致峰值消失。在937.89和720cm-1處顯示了不同的峰特性。在含有可可脂的MHPC塗層的情況下也觀察到這些峰。Vesela A .等人和Suparman等人證實了這些結果。Q-SUN和UV-A輻照的MHPC塗層沒有出現這些峰。已經明確證實，QUV和Q-SUN輻射改變了CB-MHPC層的化學組成。很容易認為加速輻射導致了疏水添加劑的氧化。對於含有作為疏水添加劑的可可脂和作為活性物質的象牙果提取物的MHPC塗層，獲得了類似的結果(圖7)。在FT-IR光譜中還觀察到三個區域，範圍從(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塗層的情況下，也注意到加速照射後峰的消失。這意味著加速輻射導致可可脂脂肪酸的不飽和鍵氧化。這使我們相信ZnO納米顆粒具有屏蔽性能，與E. comosa提取物相反，其不能屏蔽塗層免受加速輻射。Mizieliń sska等人表明，納米ZnO屏蔽了MHPC層，使其免受Q-SUN輻射。El-Feky O.M .等人證實了這一結論，他們使用ZnO納米顆粒作為塗料的添加劑，以防止紫外線照射。

3.2.屏障特性

研究結果表明，MHPC塗層對PLA膜的阻隔性能沒有顯著影響。如下圖所示(表1)。加速的UV-A和Q-SUN沒有改善和/或降低覆蓋有MHPC的PLA的水滲透性。可可脂作為疏水添加劑使塗層的透水率從76.88±1.24(g/(m2·h))下降到41.38±3.45(g/(m2·h))。觀察到與QUV輻射相反，QUV輻射改善了塗覆的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。應該提到的是，QUV和Q-SUN照射增加了覆蓋有MHPC的PLA的水滲透性，所述覆蓋物包含作為疏水物質的可可脂和作為活性物質的象牙果提取物。

4.討論

汙染與日俱增，環境法越來越嚴格。因此，公司需要進行轉型，以實現降低成本和良好產品質量的傳統目標，同時努力實施綠色創新技術。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是最商業化的生物可降解聚合物，顯示出許多優點。因此，已經提出了不同的方法來改善其化學-物理性能並獲得膜的抗菌性能。至於合成聚合物，其阻隔性能顯示出高的氣體和水蒸氣透過率，這使得該聚合物不適用於幾種食品包裝應用。為了改善屏障特性並激活某種抗菌效果，需要進行表麵聚合物改性，如塗層。含有活性物質的塗料可分為遷移到包裝產品中的塗料和不遷移到包裝產品中的塗料。活性化合物應該抑製導致包裝產品腐敗的微生物和病原微生物的生長。含有植物和香料提取物或精油的活性包裝具有抗許多細菌和真菌的抗微生物特性。它們的天然成分包括抗微生物酚類化合物、醛類、酮類、醇類、醚類和烴類。因為發現叢枝桉提取物對金黃色葡萄球菌、蠟狀芽孢杆菌和萎縮芽孢杆菌有活性，所以它被用作塗料中的活性物質。由於PLA膜或MHPC載體的高水蒸氣滲透性，疏水添加劑也被引入到塗層中。

研究結果表明，含有科摩莎豆提取物的MHPC/可可脂塗層減少了金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢杆菌和萎縮芽孢杆菌細胞的數量。在塗層中加入可可脂降低了PLA的水蒸氣滲透性。結果表明，QUV和Q-SUN紫外老化箱改變了含有可可脂的塗層的化學組成。還觀察到，與QUV老化箱相反，引起雙鍵氧化的QUV輻射改善了塗覆的PLA的阻隔性能。在塗層中加入象牙果提取物降低了含有可可脂的MHPC塗層的水蒸氣滲透性。值得一提的是，QUV紫外老化箱增加了覆蓋的含有白花蛇舌草提取物的PLA的水蒸氣滲透性。

盡管對各層的化學組成進行了改變，Q-SUN和QUV老化箱對E. comosa提取物塗層對金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢杆菌的抗菌性能沒有影響(與屏障特性相反)。隻有Q-SUN和QUV老化箱降低了針對萎縮性杆菌的提取物的塗層活性，但這是可以忽略的。在先前的研究中獲得了類似的結果，表明加速的Q-SUN和QUV老化箱對塗層抗金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢杆菌的抗微生物性能沒有影響。這項先前研究中使用的塗層包含ZnO納米粒子，它在輻射過程中屏蔽了活性MHPC塗層，這一點得到了作者的證實。這項工作表明，在輻射過程中，象牙果提取物不會屏蔽MHPC/可可脂塗層。雖然提取物沒有屏蔽性能，化學成分也發生了變化，但塗層仍然具有抗革蘭氏陽性菌的活性。

5.結論

食品包裝工業將會用可生物降解的材料取代不可堆肥的聚合物。應該強調的是，聚乳酸是一種可生物降解的生物聚合物，已經作為合成聚合物的良好替代物商業化。

應該強調的是，用含有可可脂的MHPC載體覆蓋PLA膜降低了生物聚合物的水蒸氣滲透性。該材料的另一個優點是其抗菌活性，這是通過將E. comosa提取物作為活性物質引入MHPC塗層中而獲得的。QUV紫外老化箱和Q-SUN氙燈老化箱改變了含有可可脂或可可脂和E. comosa提取物的塗層的化學組成。它導致塗層PLA的水蒸氣滲透性增加。應該強調的是，Q-SUN氙燈老化箱和QUV紫外老化箱對象牙果提取物塗層對金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢杆菌的抗菌性能沒有影響。

由於塗層對紫外線老化的抗性，以及由於PLA的改善的阻隔特性，塗層可用於覆蓋生物聚合物膜或盒子以獲得活性包裝材料。活性塗層可以延長食品的保質期、質量和新鮮度。