[0001] 本发明属于包装材料技术领域，涉及一种高承载生物基双层活性包装膜及其制备方法。

[0002] 功能性包装是有效解决果蔬产后品质保持的重要措施，尤其是采用生物可降解材料研发的包装材料更具优势。一方面其具有良好的相容性、透气性和力学性能，另一方面，其完全可降解的特性不仅不会污染环境，反而可以改良土壤。同时，为了延长果蔬的货架期，将抗菌物质或其他活性物质加入到包装膜中或吸附于膜表面，用于保证在特定食品基质和气调包装系统中保持抗菌性能。

[0003] 目前，采用多材共混技术研制的生物基活性包装得到一定推广，这对改善环境及缓解资源压力颇具意义，但共混工艺对基材生物相容特性和生产技术具有较为苛刻的要求。目前，生物基薄膜主要通过壳聚糖、乳清蛋白、玉米醇溶蛋白、生物脂类等天然材料为基材，通过延流、模压等方法制备成具有一定网络结构的大分子生物包装材料，进一步通过负载活性成分以改善包装保鲜特性。然而，不同基材共混极易发生分子排斥现象，造成基质共混不均并降低单一基材成膜效果，同时难以发挥单一基材优势。此时，双层成膜工艺可充分利用不同基材特性从而提高包装应用价值。

[0004] 羟丙基甲基纤维素作为一种水溶性纤维素衍生物，具备良好的力学特性，是提高包装承载能力的优选材料，但其极易吸湿溶胀，因此有必要对羟丙基甲基纤维素膜进行改进。麦谷蛋白分子间通过二硫键相互连接，具有良好的成膜、黏弹及吸湿特性，但力学性能较差。

[0030] 本发明公开了一种高承载生物基双层活性包装膜及其制备方法，本领域技术人员可以借鉴本发明内容，适当改进工艺参数实现。需要特别指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本发明所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

[0031] 下面结合实施例，进一步阐述本发明：

[0032] 本发明所用的材料和仪器如下：

[0033] 1.1材料

[0034] 芦丁、羟丙基甲基纤维素、(3‑氯丙基)三乙氧基硅烷：上海易恩化学技术有限公司；乙醇、丙三醇：烟台远东精细化工有限公司；麦谷蛋白：东京化成工业株式会社；碳酸钠：天津市恒兴化学试剂制造有限公司。

[0035] 1.2仪器

[0036] BSA223S电子天平：赛多利斯仪器(广州)有限公司；SHJ‑6六孔磁力搅拌水浴锅：金城晶泽实验仪器厂；UV‑1900i紫外分光光度计：日本岛津公司；DTG‑60H热重分析仪：日本岛津公司；Thermo Nicolet 5700型傅里叶红外变换光谱分析仪：美国Thermo Fisher Scientific公司；TA.XT Plus/50质构仪：英国Stable Micro Systems公司；Quanta 250扫描电子显微镜：美国FEI公司；DHG‑9053A电热恒温鼓风干燥箱：上海齐欣科学仪器有限公司。

[0037] 1.3数据处理

[0038] 所有实验结果为三次的平均值，以平均值±标准差表示。方差系数平均值之间的显著差异用Tukey HSD post hoc检验，使用SPSS进行单因素方差分析。不同样本间数据用小写字母表示差异显著(p<0.05)。

[0039] 实施例1：加芦丁的双层膜制备方法

[0040] 外层膜(纤维素膜)溶液制备方法：称取4.5g羟丙基甲基纤维素、1.6g甘油溶于150mL乙醇溶液(乙醇20mL，水130mL)中。在85℃水浴中持续搅拌20min，在25℃静置。

[0041] 内层膜溶液制备方法：称取麦谷蛋白6g、甘油2g，溶于0.5g/L Na2CO3溶液中，定容至200mL。在85℃水浴中持续搅拌30min，搅拌初期加入0.5mL(3‑氯丙基)三乙氧基硅烷，放置冷却至室温。称取0.1g芦丁用少量(5‑10mL)乙醇溶解，加入上述麦谷蛋白膜液中，在45℃水浴中持续搅拌15min。静置至室温，制得负载芦丁的内层膜溶液。

[0042] 制备双层膜时，先将上述内层膜溶液120mL浇注到24×24cm的亚克力培养皿中，放于恒温恒湿箱(温度45℃、相对湿度40％)干燥12h。将100mL外层膜液倒入上方，放于恒温恒湿箱温度45℃、相对湿度40％直至烘干，揭膜备用。

[0043] 对比例1：纤维素膜

[0044] 称取4.5g羟丙基甲基纤维素、1.6g甘油溶于150mL乙醇溶液(乙醇20mL，水130mL)中。在85℃水浴中持续搅拌20min，在25℃静置。将100mL纤维素膜液浇注到24×24cm的亚克力培养皿中，放置于恒温恒湿箱(温度45℃、相对湿度40％)12h干燥。

[0045] 对比例2：(不加芦丁)

[0046] 外层膜溶液的制备与实施例1一致。

[0047] 内层膜溶液制备方法：称取6g麦谷蛋白、2g甘油溶于200mL 0.5g/L Na2CO3溶液中，在85℃水浴中持续搅拌30min，搅拌初期加入0.5mL(3‑氯丙基)三乙氧基硅烷，放置冷却至室温。

[0048] 制备双层膜时，先将120mL内层膜溶液倒入24×24cm的亚克力培养皿中，放置恒温恒湿箱(温度45℃、相对湿度40％)12h。将100mL外层膜液倒入上方放于恒温恒湿箱温度45℃、相对湿度40％直至烘干，揭膜备用。

[0049] 一、膜外观观察、微观形态扫描电镜观察、机械性能、水蒸气透过性、二氧化碳透过率测定

[0050] 1、膜外观

[0051] 如图1所示。通过对薄膜直观图像观察，发现纤维素膜在室温环境下会自发形成卷曲记忆。这是由于纤维素膜在失水过程中会收缩而导致卷曲。然而，采用双层包装可以有效改善这一现象，使得包装不易自发卷曲，并更容易人为改变其包装形态。这种特性能够赋予双层包装广泛适用于各种包装场景的普遍性。

[0052] 2、膜厚度的测定及其微观形态

[0053] 利用螺旋测微仪对膜的厚度进行测量，在待测膜上随机取5个点分别测量其厚度，计算平均值即为膜厚度，结果准确到0.001mm。结果如图2所示，固体基料添加量的累积导致了薄膜厚度增加，纤维素膜、不加芦丁双层膜及加芦丁双层膜的厚度分别为0.0938mm、2
0.1318mm及0.1384mm。将薄膜切成4mm的方形片，铺在附有导电凝胶的铝头平台上，真空喷金后，置于电子扫瞄镜下拍摄薄膜的平面和横截面图像。结果表明，纤维素膜的内外表面均呈现出平整光滑的微观形态。进一步通过纤维素膜的截面图像可以发现，单纯纤维素能够形成致密结构而不产生多余空腔。在混入麦谷蛋白内层包装后，可明显改变其内表面结构并增加粗糙度，从而具备防滑特性。同时，麦谷蛋白的吸湿能力能够进一步调节包装内环境湿度，并降低外层纤维素膜与水蒸汽的直接性接触，利于维持包装承载特性。但通过观察截面扫描电镜图像可见内外层之间存在贴合缝隙，这是由于不同基材之间生物相容性差异导致分子排斥现象所致，影响双层之间有效粘附。然而，在麦谷蛋白内层基质中添加芦丁后，进一步改变了包装内层微观形态并提高了粗糙度，进一步增强了双层膜之间黏附界面的连接程度，有效预防了层间剥离问题。同时，芦丁能够有效提高包装抗氧化特性，从而在改善膜基质间生物相容特性的同时，进一步改善包装活性功效，使得芦丁在活性双层包装制备中发挥协同优势。

[0054] 3、机械性能测试

[0055] 参照《GB/T 1040.3—2006》的方法测试包装膜的拉伸强度。结果表明，纤维素膜具有优良力学特性，其拉伸强度为30.035MPa，展现出卓越包装特性。当麦谷蛋白内层中未添加芦丁时降低了薄膜的力学性能。进一步研究发现，在麦谷蛋白内层基质中引入芦丁后，相较于不含芦丁双层膜，加入芦丁后，双层膜一定程度上提高了拉伸强度，这说明芦丁可以影响麦谷蛋白空间结构，并最终提高包装材料的机械性能，这是继芦丁活性功效之后的附加优势(表1)。

[0056] 表1三种膜阻隔及机械性能测试结果

[0057]

[0058] 4、水蒸气透过性及二氧化碳透过率测定

[0059] 参照《GB/T 30412—2013》的方法测试复合膜的水蒸气透过系数(WVP,Water Vapor Permeability)。根据GB/T1038‑2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法‑压差法》测定CO2透过率。结果表明，添加芦丁双层膜显著(p<0.05)提高了水蒸气及CO2的阻隔能力，在保持包装内部水分含量及气调环境方面具有优势，利于形成高CO2低O2的内部气调环境，最终延长果蔬保鲜期(表1)。

[0060] 二、含芦丁的双层活性包装膜的热重分析、红外光谱和抗氧化能力测定[0061] 1、热重分析

[0062] 采用DTG‑60H热重分析仪对膜(10‑15mg)进行热重分析。薄膜样品被放置在铂盘‑1中，以10℃min 的速率从40℃加热到660℃。薄膜在不同温度下的失重情况用函数表示。结果表明，在热重曲线上观察到所有薄膜升温过程中产生三个明显特征峰(图3)。第一个特征峰出现在70℃至100℃之间，主要反映了聚合物结构中水分子的蒸发损失。因此，在该温度范围内，包装材料减轻了重量。第二个特征峰位于200‑280℃范围内，重量减轻主要是由于膜基质分解和增塑剂挥发引起。尤其是纤维素单层膜在此阶段表现出较差的热稳定性，并且遭受最严重的加热损失。然而，在纤维素单层膜中引入麦谷蛋白内层后，可以显着改善其热稳定性，这表明双层包装在高温贮藏环境中具有更好应用潜力。第三个特征峰位于300‑
400℃范围内，在该阶段重量减轻主要是由共混膜中有机分子逐渐分解为无机残留物形成灰份所致。值得注意的是，添加芦丁对包装材料的热稳定性影响不大，这说明芦丁并不会改变双层包装材料本身成膜特性。

[0063] 2、红外光谱分析

[0064] 利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了薄膜各组分之间的相互作用。每个样品的‑1FTIR光谱记录在红外光谱上，在400‑4,000cm 的波长范围内进行32次扫描，分辨率为4cm‑1 ‑1
。结果表明，复合膜的红外光谱均呈现出一系列的特征图谱(图4)。波长在3359cm 左右的吸收峰与羟基基团数量和位置有关，由羟基的伸缩振动引起，它与N—H伸缩振动合并在同‑1
一区域。在1652cm 附近的吸收峰是由于酰胺键的存在和N—H伸缩振动，随着麦谷蛋白内层的混入，该波长下的吸收峰变得更为尖锐，这是由于麦谷蛋白中自身存在的酰胺基团导致的。当进一步添加芦丁时，此处伸缩振动峰进一步发生增强，说明芦丁的载入会改变膜基质之间的分子相互作用。羟基酰胺带对蛋白质二级结构的变化较为敏感，随着麦谷蛋白的混‑1
入使得分子间发生非共价相互作用，相关的1652cm 位置的峰强度增强，蛋白酰胺带振动增‑1
强。波长在800‑1200cm 之间出现峰值代表聚合物主链高度耦合的C—C—O，C—OH和C—O—‑1
C拉伸模式。通过添加芦丁使得1015cm 左右吸收峰强度的降低，这很可能是由于芦丁和膜基材之间的相互作用(氢键、疏水相互作用)导致的。

[0065] 3、抗氧化能力的测定

[0066] 采用ABTS法测定膜的抗氧化能力。结果如图5所示，包装膜具有一定的抗氧化性能，能在保鲜过程中起到很好的贮藏效果。纤维素膜几乎没有抗氧化能力，双层膜均显现出一定的抗氧化能力。一方面，麦谷蛋白自身结构特性就具备一定的抗氧化能力；另一方面，通过负载芦丁，双层膜的ABTS清除率显著提高(p<0.05)，这说明芦丁的有效释放起到的抗氧化效果，其有效清除率在90％以上。同时，活性膜中芦丁的化学性质保持稳定，加芦丁双层膜可以有效保持其抗氧化活性。综上，添加芦丁后，薄膜的抗氧化能力得到有效改善。

[0067] 三、生物基负载芦丁双层活性膜对圣女果保鲜品质相关指标测定

[0068] 本发明考察了普通商业保鲜膜(聚乙烯材质)、不添加芦丁的双层膜和添加芦丁双层膜对圣女果表观特性的影响。利用商业保鲜膜、不加芦丁双层膜以及加芦丁双层膜进行圣女果保鲜实验。将圣女果装载至1.5L的亚克力圆形容器中，每个容器中放置0.5kg圣女果果实，用不同薄膜对圆形容器进行顶端密封。每种包装膜设置4组平行处理，每间隔3d随机取样一次，共测试12d。

[0069] 1、样品表观特性

[0070] 三个处理分别于0、3、6、9、12天分别观察。结果如图6所示，不添加芦丁的双层膜以及商业保鲜膜在贮藏第3d时就开始发生了腐烂现象，商业保鲜膜在第6d已基本全部腐烂。而添加芦丁双层膜直到第9d才出现表皮皲裂的现象，直至第12d才出现腐烂。以上结果说明芦丁双层活性膜可有效抑制圣女果病原菌的侵染，延长货架期。

[0071] 2、硬度的测定

[0072] 采用质构仪测定圣女果硬度。选用直径为4mm的探针，以1mm s‑1的速率穿刺圣女果，穿刺深度为10mm。结果表明，随着贮藏时间的延长，各处理组圣女果硬度均呈逐渐下降的趋势。到第12d贮藏期末，添加芦丁双层膜的圣女果硬度下降47.9％，低于商业保鲜膜的81.8％。因此，与商业保鲜膜相比，添加芦丁双层膜可显著抑制圣女果硬度的下降(图7A)。

[0073] 3、腐败率的测定

[0074] 采用计数法测量腐败率，计算公式如下：腐败率(％)＝腐败个数/总数×100％。结果表明，与商业保鲜膜相比，双层膜在贮藏前期可有效抑制圣女果腐烂率的上升，其中6d时显著性差异最大；此后双层膜包装的圣女果腐烂率也迅速上升，然而添加芦丁的双层膜腐烂率一直低于未添加芦丁双层膜，12d时腐烂率分别为50％与78.04％。因此，添加芦丁的双层膜可有效延缓圣女果的腐败(图7B)。

[0075] 4、失重率的测定

[0076] 通过称量贮藏前后圣女果的质量，以其变化量占贮藏前质量的百分比来计算失重率。结果表明，各处理组失重率在贮藏过程中呈现上升趋势，商业保鲜膜包装的圣女果失重率的上升速率明显高于双层膜包装。在贮藏12d后，商业保鲜膜比2种双层膜包装的果实失重率分别增加了3.9％与4.2％。这是因为双层膜具有良好的气体阻隔作用，一定程度延缓了圣女果的呼吸作用，同时有效的降低了果实水分蒸腾速率，降低了其失水的速率(图7C)。

[0077] 5、总体感官评价指数测定

[0078] 由一个由10名训练有素的评委组成的小组按照如下表2所示方法对色泽、硬度、异味、香气以及总体可接受度进行评估(表2)。结果表明，随着贮藏时间的延长，不同保鲜膜包装的圣女果感官品质在贮藏过程中呈下降趋势(图7D)。其中商业保鲜膜的保鲜效果最差，感官评分由98.2分下降到9.8分。其次是不添加芦丁的双层膜；而添加芦丁的双层膜体现了良好的保鲜性能，贮藏12d后的感官评分为49.8分。造成良好保鲜效果的原因主要有以下两点，一是双层膜本身具有保持包装内部气调环境方面的优势，延缓水分流失；另外，外源芦丁的加入提高了膜内环境的抗氧化能力，减少了微生物侵染造成腐烂。

[0079] 表2总体感官评价标准

[0080]

[0081]

[0082] 实施例2：加芦丁的双层膜制备方法

[0083] 外层膜(纤维素膜)溶液制备方法：称取4.5g羟丙基甲基纤维素、1.5g甘油溶于150mL乙醇溶液(乙醇20mL，水130mL)中。在85℃水浴中持续搅拌20min，在25℃静置。

[0084] 内层膜溶液制备方法：称取麦谷蛋白5.8g、甘油1.8g，溶于0.5g/L Na2CO3溶液中，定容至200mL。在85℃水浴中持续搅拌30min，搅拌初期加入0.45mL(3‑氯丙基)三乙氧基硅烷，放置冷却至室温。称取0.1g芦丁用少量(5‑10mL)乙醇溶解，加入上述麦谷蛋白膜液中，在45℃水浴中持续搅拌15min。静置至室温，制得负载芦丁的内层膜溶液。

[0085] 制备双层膜时，先将上述内层膜溶液120mL浇注到24×24cm的亚克力培养皿中，放于恒温恒湿箱温度45℃、相对湿度40％干燥12h。将100mL外层膜液倒入上方，放于恒温恒湿箱温度45℃、相对湿度40％直至烘干，揭膜备用。

[0086] 实施例3：加芦丁的双层膜制备方法

[0087] 外层膜(纤维素膜)溶液制备方法：称取4.5g羟丙基甲基纤维素、1.7g甘油溶于150mL乙醇溶液(乙醇20mL，水130mL)中。在85℃水浴中持续搅拌20min，在25℃静置。

[0088] 内层膜溶液制备方法：称取麦谷蛋白6.2g、甘油2g，溶于0.5g/L Na2CO3溶液中，定容至200mL。在85℃水浴中持续搅拌30min，搅拌初期加入0.55mL(3‑氯丙基)三乙氧基硅烷，放置冷却至室温。称取0.15g芦丁用少量(5‑10mL)乙醇溶解，加入上述麦谷蛋白膜液中，在45℃水浴中持续搅拌15min。静置至室温，制得负载芦丁的内层膜溶液。

[0089] 制备双层膜时，先将上述内层膜溶液120mL浇注到24×24cm的亚克力培养皿中，放于恒温恒湿箱温度45℃、相对湿度40％干燥12h。将100mL外层膜液倒入上方，放于恒温恒湿箱温度45℃、相对湿度40％直至烘干，揭膜备用。