研究背景
塑料薄膜可以保护食品在储存过程中免受污染，但非生物降解塑料的堆积造成了严重的环境污染问题，所以可生物降解薄膜成为研究的重点。淀粉因其资源丰富，价格低廉，无毒且可生物降解，被用作生产可生物降解薄膜的原料。其中，木薯淀粉是生产淀粉膜的优良材料。然而，淀粉膜也存在亲水性强和机械性能差等缺点。
天竺葵精油（GEO）在食品工业中具有广泛的应用。GEO对湿疹和脚气病具有特异性治疗作用。GEO的主要成分是酚类，其抗菌活性与酚类（特别是类黄酮）密切相关。添加GEO可能会影响薄膜的物理和化学性质。因此，本研究将不同浓度的GEO（0.5，1和2%）添加到成膜溶液中，探讨GEO对木薯淀粉基薄膜理化性质的影响，以及评估与GEO结合的薄膜的抗菌活性。
2022年5月11日，齐鲁工业大学食品科学与工程学院崔波课题组在Frontiers in Nutrition（IF=6.576）杂志上在线发表了“Antimicrobial Activity, Microstructure, Mechanical, and Barrier Properties of Cassava Starch Composite Films Supplemented With Geranium Essential Oil”的研究论文。将不同浓度的GEO（0.5，1和2%）添加到成膜溶液中，以甘油为增塑剂，并采用浇铸法制备木薯淀粉基薄膜。此外，对薄膜的理化性质和抗菌活性进行探究。
实验路线
（1）浇铸法制备薄膜
（2）测量添加不同浓度GEO的木薯淀粉基薄膜的厚度
（3）测定制备薄膜的水分含量（MC）
（4）测量制备薄膜的溶解度
（5）水蒸气渗透仪测定木薯淀粉基薄膜的水蒸气渗透性
（6）色度计测定木薯淀粉基薄膜的颜色
（7）测试制备薄膜的机械性能
（8）测定添加GEO的木薯淀粉基薄膜的抗菌活性
（9）原子力显微镜（AFM）观察所制备薄膜的表面特征
研究结果
1. 薄膜的物理特性
与对照相比，添加GEO可以增加薄膜的厚度，并且薄膜的厚度随着GEO浓度的增加而增加。木薯淀粉基薄膜的水分含量随着GEO浓度的增加而增加，原因可能是GEO在木薯淀粉基薄膜中形成多孔结构，导致制备的薄膜中的水分含量增加。随着GEO浓度的增加，所制备的薄膜的溶解度逐渐增加，这可能是由于木薯淀粉基薄膜在实验过程中破裂，这减少了水在制备的薄膜中的插入。
水蒸气渗透率（WVP）是影响食品包装材料质量的关键因素之一。木薯淀粉基薄膜的WVP值随着GEO浓度的增加而降低，原因是随着GEO浓度的增加，木薯淀粉中的直链淀粉和油形成脂质复合物（V形结晶），这增加了木薯淀粉膜的致密性，致使WVP值降低。
表 1 GEO辅助木薯淀粉基膜的物理特性
2. 机械性能
添加GEO使木薯淀粉基薄膜的拉伸强度（TS）降低，而断裂伸长率（EAB）增加，并且随着GEO浓度的增加，TS逐渐降低，EAB逐渐增加。原因可能是GEO的添加导致在制备的薄膜中形成不连续的基质，这往往会降低聚合物之间的内力，最终降低TS并增加所制备薄膜的EAB。
表 2 添加GEO的木薯淀粉薄膜的拉伸强度和断裂伸长率
3. AFM
添加GEO后木薯淀粉基薄膜的Rq和Ra值在5 × 5和10 × 10 μm的扫描范围内均有所增加，说明添加GEO可以提高制备的薄膜的表面粗糙度，且粗糙度随着GEO浓度的增加而增加。可能与油滴和干燥过程中油滴积聚引起的表面不规则有关。
图 1 木薯淀粉基薄膜的典型原子力显微镜(AFM)图像
表 3 木薯淀粉基薄膜的AFM粗糙度参数
4. 微生物活性
与没有GEO的薄膜相比，用GEO制备的薄膜具有更强的抗菌性能。因此，所制备的薄膜可用作合适的天竺葵油载体。革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌和单核细胞增多性李斯特菌）的抑菌作用大于革兰氏阴性菌（大肠杆菌）。随着GEO浓度的增加，木薯淀粉基薄膜的抗菌作用越来越强。精油可以破坏细胞膜，进一步消耗细胞内容物，达到抑菌效果。
表 4 木薯淀粉基膜对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的抗菌活性
5. 光学特性
随着GEO浓度的增加，木薯淀粉膜（L）的亮度连续下降，原因可能是添加GEO导致所制备薄膜表面的光折射发生变化。随着GEO浓度的增加，所制备薄膜的红度指数（a）降低，黄度指数（b）持续增加。原因可能是GEO本身的颜色与木薯淀粉基薄膜混合，这导致制备的薄膜发生变化。随着GEO浓度的增加，木薯淀粉膜的ΔE逐渐增加，与未改性膜相比差异显著（p < 0.05）。
表 5 木薯淀粉基薄膜的颜色参数(L*，a*，b*)
小结
含GEO的木薯淀粉基薄膜的抗拉强度低于未改性薄膜的抗拉强度，断裂伸长率高于对照膜。GEO的加入改变了木薯淀粉基薄膜的柔韧性。GEO的加入改变了所制备薄膜的水蒸气透过率和光学性质。随着GEO浓度的增加，木薯淀粉基薄膜的粗糙度逐渐增加。此外，添加GEO的薄膜表现出良好的抗菌活性，其对革兰氏阳性菌的抑菌效果高于革兰氏阴性菌。随着GEO浓度的增加，木薯淀粉膜的L值和a值降低，而b值和ΔE值增加。
通讯作者介绍：崔波，男，齐鲁工业大学食品科学与工程学院二级教授，博士生导师，山东省食品科学重点学科带头人，国家粮油技术研发分中心主任，生物基材料与绿色造纸国家重点实验室副主任。科研成果获得国家、省、市各级科技奖励12项。
三黍项目
