山梨酸钾与双乙酸钠复配形式在包装纸上的应用
时间：2015-05-15 19:06:53 来源： 点击量：
汤树海 段华伟
（广东壮丽彩印股份有限公司 广东 汕头 515064）
摘要：以山梨酸钾、双乙酸钠作为抗菌功能成分，采用复配的形式制得抗菌包装纸，并测试对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和黄曲霉三种常见的食品污染菌的抗菌防霉效果。试验结果表明，山梨酸钾与双乙酸钠复配制得的抗菌包装纸对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和黄曲霉均有明显的抗菌防霉效果；在抗菌功能成分含量为7‰、山梨酸钾和双乙酸钠的复配比例为7:3时对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率达到70%以上，对黄曲霉的抗菌率达到90%以上。
关键字：山梨酸钾、双乙酸钠、包装纸、抗菌防霉性能
0 引言
随着人们生活水平的不断提高，对自身的健康与周围的环境卫生质量越来越重视，然而生活中各种有害微生物却无处不在，在一定环境下就能通过生长繁殖破坏包装内的产品，人们接触食用这些受微生物污染的产品便会引发各种疾病，危害人们的健康，因此提供安全有保障的食品包装成为众多科研人员研究的热点。食品抗菌包装是使用对人体安全的抗菌剂制得抗菌包装材料从而保护食品在储存、运输、销售的过程中免受微生物的侵扰，延长食品的货架期，促进消费者的购买欲望，从而增加销售量。所指抗菌剂是自身具有杀灭或抑制微生物生长功能的物质，是研究的重中之重。目前人们对抗菌剂的研究与开发相当火热，但是可应用到食品包装较为安全的抗菌剂却为数不多。
防腐剂属于抗菌剂，是一种能延长食品的保存期而使用的食品添加剂，主要作用是抑制食品中微生物的生长繁殖，常用的有山梨酸钾、双乙酸钠、山梨酸等。山梨酸钾是国际粮农组织和卫生组织推荐的高效安全的防腐保鲜剂，具有抑制大肠埃希氏菌、霉菌和酵母菌等菌种的生长作用，广泛应用于食品、饮料、烟草、农药、化妆品等行业。双乙酸钠是一种安全、高效的抗菌保鲜剂，对黄曲霉、黑根霉等常见霉菌和细菌的抑菌效果好，被联合国卫生组织定为“零”毒性物质，目前在世界发达国家已普遍使用。山梨酸钾与双乙酸钠均具备杀灭或抑制微生物生长功能，由于其安全性高，对人体危害小，能延长食品的保质期，因此已广泛应用于食品中。
光油是一种用于包装材料表面装饰工艺的涂料，起装饰和保护作用。上光油已成为包装印刷产品的重要加工手段之一，主要有UV上光、水性上光等，其中UV光油是目前世界公认节能环保产品。因上光油多用于食品及药品的包装印刷，其抗菌性无疑显得十分重要。据调查显示，目前市场上所售的光油绝大部分不具备抗菌性能。基于此本研究以山梨酸钾与双乙酸钠作为抗菌功能成分，将其以复配形式添加到光油，制得具有协同抗菌功能强的光油，然后通过涂布的方式在包装纸上涂布一层抗菌光油，并测试其抗菌性能。通过不断调整山梨酸钾与双乙酸钠的复配比例，筛选出抗菌防霉性能强的比例配方，以期为进一步研究食品抗菌包装提供一种借鉴或参考的方法。
1 材料与方法
1.1实验主要材料
1号防腐剂：山梨酸钾，纯度为≧98%，市售产品；
2号防腐剂：双乙酸钠，纯度为≧98%，市售产品。
1.2主要仪器与设备
微量光度计（BLW40）、ATP-荧光法微生物快速检测仪（Lumitester-PD-20）、黄曲霉毒素测定仪（EAB1-95型）、电子分析天平（JF2004型）、实验型多用分散砂磨机（SDF400）、PHS-3C型PH计、JFA-Ⅱ自动涂膜机、电热恒温培养箱（DH2500AB）、瑞智净化工作台（VD-650）、手提式压力蒸汽灭菌器（GMSX-280型）、数显式电热恒温干燥箱(101-OA)、冷柜（BD/BC-61SM）。
1.3实验方法
1.3.1抗菌光油的制备
抗菌光油的制备是以山梨酸钾的含量为1‰～9‰，双乙酸钠的含量为1‰～9‰，其使用量的比例之和等于1进行复配。在复配过程中设计了四种实验方案，记为a
1、a
2、b和c，具体试验设计如表1、表2和表3所示。
表1 山梨酸钾与双乙酸钠复配试验设计
| 组别 |
A:B |
A使用量（g） |
B使用量（g） |
光油（g） |
抗菌功能成分含量（‰） |
| 1-1 |
1:9 |
0.01 |
0.09 |
99.9 |
1 |
| 1-2 |
2:8 |
0.04 |
0.16 |
99.8 |
2 |
| 1-3 |
3:7 |
0.09 |
0.21 |
99.7 |
3 |
| 1-4 |
4:6 |
0.16 |
0.24 |
99.6 |
4 |
| 1-5 |
5:5 |
0.25 |
0.25 |
99.5 |
5 |
| 1-6 |
6:4 |
0.36 |
0.24 |
99.4 |
6 |
| 1-7 |
7:3 |
0.49 |
0.21 |
99.3 |
7 |
| 1-8 |
8:2 |
0.64 |
0.16 |
99.2 |
8 |
| 1-9 |
9:1 |
0.81 |
0.09 |
99.1 |
9 |
注：A为山梨酸钾，B为双乙酸钠
表2 山梨酸钾与双乙酸钠复配试验设计
| 组别 |
A:B |
A使用量（g） |
B使用量（g） |
光油（g） |
抗菌功能成分含量（‰） |
| 2-1 |
9:1 |
0.81 |
0.09 |
99.1 |
1 |
| 2-2 |
8:2 |
0.64 |
0.16 |
99.2 |
2 |
| 2-3 |
7:3 |
0.49 |
0.21 |
99.3 |
3 |
| 2-4 |
6:4 |
0.36 |
0.24 |
99.4 |
4 |
| 2-5 |
5:5 |
0.25 |
0.25 |
99.5 |
5 |
| 2-6 |
4:6 |
0.16 |
0.24 |
99.6 |
6 |
| 2-7 |
3:7 |
0.09 |
0.21 |
99.7 |
7 |
| 2-8 |
2:8 |
0.04 |
0.16 |
99.8 |
8 |
| 2-9 |
1:9 |
0.01 |
0.09 |
99.9 |
9 |
注：A为山梨酸钾，B为双乙酸钠
表3 A或B单独加入到光油中实验设计
| 组别 |
A使用量（g） |
B使用量（g） |
光油（g） |
抗菌功能成分含量（‰） |
| 3-1 |
0.1 |
0.1 |
99.9 |
1 |
| 3-2 |
0.2 |
0.2 |
99.8 |
2 |
| 3-3 |
0.3 |
0.3 |
99.7 |
3 |
| 3-4 |
0.4 |
0.4 |
99.6 |
4 |
| 3-5 |
0.5 |
0.5 |
99.5 |
5 |
| 3-6 |
0.6 |
0.6 |
99.4 |
6 |
| 3-7 |
0.7 |
0.7 |
99.3 |
7 |
| 3-8 |
0.8 |
0.8 |
99.2 |
8 |
| 3-9 |
0.9 |
0.9 |
99.1 |
9 |
注：A为山梨酸钾，B为双乙酸钠
按表1、表2和表3中山梨酸钾和双乙酸钠的比例称取相应量，加入到对应的光油中，用实验型SDF400多用分散砂磨机在转速为100～500r/min对所得混合溶液进行搅拌，搅拌时间为2～4h，并调整溶液PH值在3.0～5.5，搅拌均匀后即可得到抗菌光油。据文献[3]报道，在PH值为5.5以下山梨酸钾能有效发挥其抗菌效果，而在碱性和中性条件下抗菌效果较差。市售的光油PH一般在5.0左右，为了使抗菌剂能充分发挥其抗菌防霉效果，在制备抗菌光油的过程可适当调节光油的PH值。
1.3.2抗菌性能测试
纸类作为常用的包装材料，占包装中的50%以上，以常用白卡纸作为实验试样，根据GBT 21510-2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》和HG/T 3950-2007《抗菌涂料》，采用在24h内制得的抗菌光油进行涂布得到抗菌试样并测试对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和黄曲霉三种常见的食品污染菌的抗菌效果。具体实验步骤如下：
第一步：将上述制得的抗菌光油利用JFA-Ⅱ自动涂膜机涂布在白卡纸上，形成抗菌光油涂层；然后将涂布有抗菌光油涂层的白卡纸经过烘干通道烘干，使涂层完全固化，抗菌光油固化的涂层厚度为3～6μm，并裁成大小为50mm 50mm规格作为受检样品备用；
第二步：称取蛋白胨10g、牛肉膏5g、氯化钠5g、琼脂20g加入1000ml蒸馏水，加热溶解并调节PH值至7.2～7.4，用手提式压力蒸汽灭菌器121℃灭菌20min，用于大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和黄曲霉的培养；
第三步：称取2.83g磷酸氢二钠、1.36g磷酸二氢钾、1.0g吐温-80加入到1000g蒸馏水中，用手提式压力蒸汽灭菌器121℃灭菌20min后备用；
第四步：取菌种第三代至第八代的营养琼脂培养基斜面18～24h新鲜培养物，用5.0ml吸管3.0ml～5.0ml磷酸盐缓冲液加入斜面试管中，反复洗吹，洗下菌苔；将洗下的菌液转移至另一支试管，用振荡器混匀后用0.03mol/ml的磷酸盐缓冲液稀释至约为10
5cfu/ml作为菌液备用；
第五步：覆盖膜采用聚乙烯薄膜，尺寸为50mm
50mm，厚度为0.05mm～0.10mm；另外，对照样品取未加入抗菌剂的光油涂布的包装材料裁成50mm 50mm备用；
第六步：取对照样品与受检样品，用70%的乙醇溶液擦拭表面，5min后用无菌水擦拭，放入超净工作台自然干燥。将干燥后的对照样品和受检样品分别放入灭菌平皿中，吸取第四步制得的菌液0.2ml～0.5ml分别滴加到对照样品和受检样品的表面上，每个样品做3个平行样。用灭菌镊子夹起覆盖膜分别盖在样品表面并且铺平，不得有气泡，使菌液均匀接触到样品，并盖好平皿，放入恒温培养箱中在37℃ 1℃、相对湿度为90%条件下培养18～24h；
第七步：经接触培养18h～24h的样品，在无菌操作下将样品分别溶于9mlPBS缓冲液中，然后将处理好的悬浊液用灭菌滤纸粗滤，抽取过滤澄清无肉眼可见悬浊液体用微量光度计（BLW40）和ATP-荧光法微生物快速检测仪（Lumitester-PD-20）做菌数计数。测定受检样品的黄曲霉菌落数可用黄曲霉毒素测定仪（EAB1-95型）进行测定。
1.3.3 抗菌率的计算
参照GB/T 21510-2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》，抗菌率R按公式（1）计算：
R=[(A-B)/A]
100%
公式（1）式中：
R——抗菌率，%；
A——对照样品与受试菌接触一定时间后平均回收菌数，cfu/片；
B——受检样品与受试菌接触一定时间后平均回收菌数，cfu/片。
在“0”接触时间对照样品的菌落数应在1
10
4cfu/片~5
10
4cfu/片，对照样品经菌液接触培养后回收的菌落数不应低于菌液里菌落数的10%，否则视为试验无效。
2 结果与讨论
2.1实验结果
通过对对照样品的菌落数测试，均在规定的范围之内，试验有效，取对照样品的平均菌数为1
10
4cfu/片，以此计算受检样品对三种常见的食品污染菌的抗菌效果，得到的实验结果如图1、2、3所示：
由图1、2、3可以看出，山梨酸钾与双乙酸钠按a
1、a
2两种实验方案复配制得的抗菌包装材料对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和黄曲霉具有显著的抗菌防霉效果,在抗菌功能成分相同的条件下，对黄曲霉的抗菌效果最好。在抗菌功能成分含量为7‰，山梨酸钾和双乙酸钠的复配比例为7:3对大肠埃希氏菌的抗菌率达到71.84%、金黄色葡萄球菌的抗菌率能达到72.12%，对黄曲霉的抗菌率达到了92.05%。随着抗菌功能成分含量的增加，四种实验方案中的抗菌率不断的上升，呈正比例关系。
山梨酸钾与双乙酸钠按实验方案b、c单独使用制得抗菌包装纸对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和黄曲霉也具有抗菌防霉效果。在抗菌功能成分含量相同的条件下，山梨酸钾比双乙酸钠对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌的抗菌效果略强；而在同等条件下，双乙酸钠比山梨酸钾对黄曲霉的抗菌效果要强。随着抗菌功能成分含量的增加，两种抗菌剂对包装纸的抗菌率不断的上升，呈正比例关系。
2.2讨论
2.2.1 根据2.1实验结果而知山梨酸钾与双乙酸钠对大肠埃希氏菌、霉菌和酵母菌均有明显的抑制效果。以山梨酸钾为抗菌功能成分，是由于山梨酸钾具有抑制大肠埃希氏菌、霉菌和酵母菌等的生长作用，其抑制机理是：山梨酸钾的结构式为CH3— CH=CH—CH=CH— COOK，由于分子结构中羧基的α、β位和γ、δ位有两个双键，这两个双键产生共轭作用，使远离的羧基易产生氧化作用，且分子中的两个双键易于其它游离基结合，容易与微生物酶系统中的巯基结合，可破坏酶系，达到抑制微生物繁殖生长的目的
[1]。以双乙酸钠作为抗菌功能成分，是由于双乙酸钠是一种安全、高效的抗菌保鲜剂，对黄曲霉、黑根霉等常见霉菌和细菌的抑菌效果好。其抑菌机理是：双乙酸钠分子上右短氢键结合的双分子盐，含有可释放的40%的游离乙酸分子，能渗入微生物组织的细胞壁，干扰细胞内酶的体系而产生作用，使细胞内蛋白质变性达到抑制微生物生长的目的
[5]。以山梨酸钾、双乙酸钠为抗菌功能成分制备的抗菌光油在包装纸上形成了一层抗菌保护层，抑制了大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和黄曲霉的生长繁殖。一般来说，防腐剂对某种微生物的抗菌效果往往有强弱之分，存在性质上的局限性。为了充分发挥防腐剂在包装纸上的高效、广谱抗菌防霉性能，将两种防腐剂进行复配，取得协同作用。
2.2.2 由于光油含有一定比例的有机溶剂，而山梨酸钾与双乙酸钠均属于有机化合物，以光油作为抗菌剂分散基体，根据“结构相似者互溶”的化学原理，两种结构相似的物质可以互溶。在试验过程中，山梨酸钾与双乙酸钠加入到光油后通过搅拌后可以相容形成稳定的胶体，静置24h后无沉淀产生。于此，抗菌剂不仅可以充分发挥其抗菌防霉性能，也具有良好的印刷适性，解决了抗菌剂与分散基体的相容性问题。
2.2.3 山梨酸钾与双乙酸钠是有机抗菌剂，对温度要求高，超过一定温度范围就会分解失效。而本实验过程中采用光油作为分散基体，是由于光油在烘干过程温度在100℃以下即能达到烘干效果，而山梨酸钾与双乙酸钠分解温度分别为270℃和150℃左右，因此本研究制备的抗菌光油在烘干过程中对其抗菌性能不会造成影响。
3 结语
3.1 以山梨酸钾与双乙酸钠为抗菌功能成分按照一定比例进行复配后制得抗菌光油，然后在包装纸上涂布形成一层抗菌保护层，通过抗菌性能测试，对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和黄曲霉均有明显的抗菌防霉效果。
3.2 山梨酸钾和双乙酸钠单独使用时对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和黄曲霉亦具有一定的抗菌防霉效果。其中前者对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌要优于后者，后者对黄曲霉的抗菌效果略强于前者。在抗菌功能成分含量为7‰，山梨酸钾和双乙酸钠的复配比例为7:3对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率达到70%以上，对黄曲霉的抗菌率达到90%以上，抗菌协同见效显著。随着抗菌功能成分含量的增加，两种抗菌剂复配后所得抗菌包装纸的抗菌率不断的上升，呈正比例关系。
3.3 随着食品包装纸“迁徙”问题日益受到国内外重视，采用安全、无害的山梨酸钾与双乙酸钠作为包装纸的抗菌剂，可以有效减少出现食品“迁徙”问题时对人体造成危害。因此，以山梨酸钾与双乙酸钠为抗菌功能成分制得的抗菌包装纸，不仅能有效防止有害微生物对食品侵袭和污染，而且可以适当减少食品中防腐剂的添加量，为食品抗菌包装提供了一种更安全、更有效的方法，有利于保障人体的健康。
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