QUV和Q-SUN模擬太陽光照對(duì)ZnO納米粒子涂層抗菌性能的影響

摘要

使用聚乙烯(PE)薄膜覆蓋，研究了加速QUV和Q-SUN輻射對(duì)含ZnO納米粒子的涂層的抗菌性能的影響。研究結(jié)果表明，甲基羥丙基纖維素(MHPC)涂層不影響金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢桿菌、大腸桿菌、綠膿桿菌或白色念珠菌細(xì)胞的生長(zhǎng)。含有ZnO納米顆粒的MHPC涂層抑制了細(xì)菌菌株的生長(zhǎng)，并減少了白色念珠菌菌株的數(shù)量。加速老化測(cè)試Q-SUN和QUV照射不影響納米ZnO涂層對(duì)金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢桿菌和大腸桿菌的抗菌效果。Q-SUN輻照降低了含有納米顆粒的MHPC涂層對(duì)銅綠假單胞菌和白色念珠菌的活性。FT-IR分析清楚地表明，在Q-SUN照射期間，ZnO納米顆粒屏蔽了MHPC涂層。

1.介紹

在包裝材料中摻入活性抗微生物化合物的使用已經(jīng)開始受到更多的關(guān)注，因?yàn)樗谑称钒b系統(tǒng)中用作抗細(xì)菌的控制劑。它可以確保消費(fèi)者的微生物食品安全，并對(duì)延長(zhǎng)產(chǎn)品保質(zhì)期具有不可估量的價(jià)值。活性材料與食品之間的接觸能夠改變食品的成分或其周圍的氣氛，這代表了一種抑制食品表面微生物生長(zhǎng)的活性包裝系統(tǒng)。氧化鋅(ZnO)納米顆粒已被開發(fā)為抗微生物劑，用于活性食品包裝系統(tǒng)，作為被美國(guó)食品和藥物管理局(USFDA，21CFR182.8991)視為安全(GRAS)的五種不同鋅化合物之一。氧化鋅納米顆粒對(duì)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌以及耐高溫、高壓、耐酵母和霉菌的孢子具有殺菌作用。氧化鋅納米顆粒已經(jīng)使用傳統(tǒng)的摻入方法(例如熔融混合或溶劑澆鑄)添加到石油衍生的聚合物(例如LDPE、PP、PU或PET)中，以及添加到可生物降解的聚合物(例如PHA)中。在抗菌包裝的應(yīng)用中，納米顆粒也被引入聚合物涂層中。大量研究表明，包裝在含有ZnO納米顆粒(在聚合物基質(zhì)內(nèi))的薄膜中的食品，或者與含有ZnO納米顆粒的涂層一起使用的食品，其保質(zhì)期會(huì)增加。與對(duì)照版本相比，使用含有納米顆粒的包裝，切片小麥面包的保質(zhì)期從3天延長(zhǎng)到35天。所有活性涂層在15天內(nèi)減少了切片面包中酵母和霉菌的數(shù)量，并進(jìn)一步提高了活性涂層的抗菌性能，在15天內(nèi)沒有真菌生長(zhǎng)。含有納米氧化鋅的薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性，并被制成生肉包裝袋。所制備的小袋顯示出對(duì)生肉中微生物的顯著抑制作用，這是由于它們?cè)?℃下儲(chǔ)存至第六天時(shí)完全抑制了微生物的生長(zhǎng)。

聚乙烯(PE)因其柔韌性、透明性、熱穩(wěn)定性和低成本而廣泛用于食品包裝。為了產(chǎn)生抗菌性能，PE膜可以覆蓋含有ZnO納米粒子的活性涂層。一般來說，活性包裝材料應(yīng)該在儲(chǔ)存過程中起到抑制細(xì)菌、酵母和霉菌生長(zhǎng)的作用，以延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。這意味著涂層應(yīng)該提供足夠的抗紫外(UV)輻射性或屏蔽UV。紫外線是電磁光譜非電離區(qū)的一部分，約占太陽總輻射的8-9%。它會(huì)導(dǎo)致材料的物理機(jī)械性能、光學(xué)性能和抗菌性能下降。在涂層載體中引入對(duì)紫外線敏感的活性物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致涂層在紫外線老化后失活。在涂層載體中引入抗紫外線的活性物質(zhì)，或添加具有屏蔽性能的物質(zhì)，可以防止涂層在紫外線老化后失活。納米技術(shù)的快速發(fā)展導(dǎo)致了ZnO納米顆粒在涂料中的應(yīng)用，以提高這種涂料的性能，而不顯著影響其透明度。此外，納米粒子已經(jīng)引起了極大的興趣，并且作為改進(jìn)防腐蝕性能的試劑的涂料應(yīng)用的發(fā)展已經(jīng)增加，特別是作為紫外線吸收劑。結(jié)果表明，與其他有機(jī)紫外吸收劑相比，ZnO納米顆粒在紫外輻射下表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。納米顆粒的應(yīng)用可以改善任何相應(yīng)包裝薄膜材料的紫外線屏蔽。納米氧化鋅顆粒甚至可以保護(hù)其自身的抗菌性能。

本研究的目的是研究太陽光照對(duì)ZnO粒子的影響，在QUV紫外老化箱和Q-SUN氙燈老化箱中對(duì)含有ZnO納米粒子的涂層進(jìn)行抗菌性能測(cè)試。

2.結(jié)果

2.1抗菌性能

該研究的結(jié)果表明，MHPC涂層對(duì)金黃色葡萄球菌細(xì)胞的生長(zhǎng)沒有影響，如先前的研究所示。含納米氧化鋅的MHPC涂層抑制了金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)。加速Q(mào)-SUN和UV-A輻照不影響納米ZnO涂層的抗菌性能。在沒有納米粒子的MHPC涂層的情況下，使用QUV照射的薄膜的細(xì)菌細(xì)胞的數(shù)量增加了(圖1)。金黃色葡萄球菌的數(shù)量從2.53 × 103增加到3.90×103(CFU/毫升)。統(tǒng)計(jì)分析顯示，細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量的增加不顯著(p > 0.05)。

蠟狀芽孢桿菌對(duì)含有納米ZnO的活性涂層的敏感性分析如圖2所示。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，MHPC涂層沒有抗菌活性。蠟狀芽孢桿菌細(xì)胞對(duì)含有ZnO納米顆粒的涂層表現(xiàn)出敏感性。Q-SUN和QUV輻射并沒有降低納米ZnO涂層的抗菌性能。觀察到用UV-A照射的MHPC涂層的細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量增加。活細(xì)胞數(shù)之間的差異是顯著的，如鄧肯試驗(yàn)所證實(shí)的(p < 0.01)。

研究結(jié)果表明，MHPC涂層對(duì)大腸桿菌細(xì)胞的生長(zhǎng)沒有影響。這些結(jié)果被先前的研究證實(shí)了。在與含有ZnO納米顆粒的MHPC涂層接觸24小時(shí)后，沒有觀察到細(xì)菌細(xì)胞的生長(zhǎng)。正如下面所強(qiáng)調(diào)的[圖3]，加速的Q-SUN和QUV輻射對(duì)納米ZnO涂層抗菌性能的影響也沒有被發(fā)現(xiàn)。統(tǒng)計(jì)分析表明，大腸桿菌細(xì)胞數(shù)之間差異不顯著(p > 0.05)。

本研究表明，MHPC涂層沒有減少銅綠假單胞菌菌株的生長(zhǎng)(p > 0.05)。氧化鋅納米顆粒作為涂層的添加劑完全抑制了細(xì)菌細(xì)胞的生長(zhǎng)。從圖4中可以看出，QUV輻射沒有影響納米ZnO涂層的抗菌性能。如前所示，Q-SUN輻射降低了含有納米顆粒的MHPC涂層的活性。觀察到銅綠假單胞菌的生長(zhǎng)，但是細(xì)菌細(xì)胞的數(shù)量比沒有涂層的PE膜或沒有納米ZnO的MHPC涂層的情況減少得更多。觀察到綠膿桿菌細(xì)胞數(shù)從1.70 × 105 (K2)和1.81 × 105 (MHPC2)下降到2.75×102(CFU/毫升)(Zn2)。如統(tǒng)計(jì)分析所示，細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量的減少是顯著的(p < 0.01-K2和Zn2之間的差異；以及MHPC2和Zn2之間)。

該研究的結(jié)果表明，與未覆蓋的PE膜相比，MHPC涂層不影響白色念珠菌細(xì)胞的生長(zhǎng)。含有ZnO納米顆粒的MHPC涂層減少了活細(xì)胞的生長(zhǎng)。經(jīng)測(cè)定，白色念珠菌細(xì)胞數(shù)從1.23 × 104 (K)和1.42 × 104 (MHPC)下降到1.88×103(CFU/毫升)。Duncan試驗(yàn)證實(shí)，納米ZnO對(duì)(K) PE膜(p < 0.001)或覆蓋有MHPC的PE膜(p < 0.001)的抗菌性能的影響是顯著的。結(jié)果表明，鋅能有效地抑制白色念珠菌的生長(zhǎng)。似乎納米顆粒的大小和形狀在抗微生物活性中起著至關(guān)重要的作用。微生物細(xì)胞中的細(xì)胞膜包含直徑以納米計(jì)的孔?？紤]到納米粒子比微生物的孔小，它們具有無障礙穿過細(xì)胞膜的獨(dú)特性質(zhì)。加速Q(mào)UV輻射對(duì)納米ZnO涂層的抗菌性能沒有影響(圖5)。鄧肯試驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)(p > 0.05)。還注意到白色念珠菌細(xì)胞數(shù)量的對(duì)數(shù)減少。對(duì)于用Q-UV照射的納米粒子的涂層，觀察到活細(xì)胞數(shù)量的減少。結(jié)果表明，Q-UV輻射具有明顯的影響，降低了涂層的抗菌性能?？咕钚燥@著下降(p < 0.001)。

2.2.紅外光譜分析

使用傅立葉變換紅外(FT-IR)光譜可以清楚地注意到UV輻射和Q-SUN輻射對(duì)涂層的影響。影響吸收峰和帶位置的性質(zhì)是薄膜的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和形態(tài)。該研究的結(jié)果表明，在QUV照射(K1)和Q-SUN照射(K2)之后，沒有發(fā)現(xiàn)PE膜(K)的化學(xué)組成和形態(tài)的差異。結(jié)果表明，加速輻照對(duì)聚乙烯薄膜樣品沒有影響。也沒有觀察到QUV輻射對(duì)含有ZnO納米顆粒(Zn1)的MHPC (MHPC1)或MHPC涂層的影響。具有ZnO納米顆粒(Zn2)的MHPC涂層(MHPC)、Q-SUN輻照的MHPC涂層(MHPC2)和Q-SUN輻照的MHPC涂層如圖6所示。在FT-IR光譜中觀察到四個(gè)區(qū)域，延伸在(1)從3600到3200cm-1的范圍之間；(2)范圍從3200到2800cm-1；(3)范圍從1800到1600cm-1，以及(4)范圍從1600到1400cm-1。在3453.68cm-1峰的情況下，在O-H單鍵的刺激下，可以注意到與吸收峰的一致性?；蛘撸梢栽?913.35、2846.12和1462.07cm-1處觀察到CH3-CH2誘導(dǎo)吸收峰。顯示了不同的峰特性，范圍從1800cm-1到1600cm-1。在MHPC涂層的情況下，沒有觀察到1727.00cm-1的峰。注意到Q-太陽照射的MHPC涂層的該峰的存在，由C=O雙鍵模擬。已經(jīng)清楚地證明，加速的Q-SUN輻照改變了MHPC層的化學(xué)成分。對(duì)于Q-SUN輻照的含有ZnO納米顆粒的MHPC涂層，沒有觀察到1727.00cm-1峰。人們很容易認(rèn)為，納米氧化鋅屏蔽了MHPC層，使其免受Q-SUN的輻射。El-Feky O.M .等人指出了這一結(jié)論，他們將ZnO納米顆粒用作紙張上油畫涂料的添加劑，以保護(hù)它們免受紫外線輻射。

2.3.掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡(SEM)是應(yīng)用廣泛的表征基質(zhì)形狀、大小、形態(tài)和孔隙率的技術(shù)。圖7顯示了包含ZnO納米顆粒的涂層的SEM圖像。SEM圖像顯示ZnO納米顆粒均勻分布在整個(gè)涂層表面。沒有觀察到對(duì)照涂層和輻射涂層之間的差異。

3.討論

納米氧化鋅(ZnO)顆粒表現(xiàn)出許多優(yōu)點(diǎn)，例如低成本、紫外線阻擋性能和白色外觀。此外，許多研究表明，氧化鋅納米顆粒對(duì)細(xì)菌、酵母、霉菌具有高度特異性毒性，并且對(duì)人體細(xì)胞無毒。El-Feky O.M .等人將ZnO納米粒子引入紙張上的油畫涂層，這可以保護(hù)它們免受紫外線老化和微生物的攻擊。關(guān)于抗真菌活性，ZnO納米顆粒對(duì)一些真菌菌株，如黃曲霉、黑曲霉和白色念珠菌顯示出顯著的抗真菌活性。以前的研究表明，氧化鋅納米粒子可以引入MHPC涂料，以覆蓋包裝材料。已經(jīng)表明，當(dāng)沒有觀察到菌株生長(zhǎng)時(shí)，活性涂層表現(xiàn)出對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌細(xì)胞的抗微生物活性。本研究的目的是研究含納米氧化鋅的MHPC涂層對(duì)蠟狀芽孢桿菌、綠膿桿菌和白色念珠菌的抗菌性能。紫外老化對(duì)抗菌性能的影響以及ZnO納米顆粒保護(hù)其自身生存能力的能力也被檢測(cè)。以前的研究和Venkatesan R .等人指出了這些結(jié)果，他們指出，含有ZnO納米顆粒的薄膜在殺死革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌細(xì)胞方面具有高活性。納米ZnO涂層對(duì)大腸桿菌和萎縮性芽孢桿菌均有抗菌活性。Aysa N.H .顯示了ZnO納米顆粒對(duì)銅綠假單胞菌的抗微生物特性。研究結(jié)果表明，革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌對(duì)含有ZnO納米顆粒的非輻照涂層的敏感性沒有任何差異。此處顯示的結(jié)果與Sharma D .等人報(bào)道的結(jié)果不可比，Sharma d .等人對(duì)大腸桿菌的抗菌活性比對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌活性更強(qiáng)。Sinha R .等人和Zhang H .等人指出，ZnO納米顆粒的納米毒性對(duì)革蘭氏陰性菌比對(duì)革蘭氏陽性菌更明顯。Esmailzadeh H .等人和Gandhi R.R .等人獲得了相反的結(jié)果，他們指出革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌對(duì)ZnO納米顆粒更敏感。很容易認(rèn)為革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌對(duì)ZnO納米顆粒更敏感是由于細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的差異。革蘭氏陰性菌的細(xì)胞膜由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和脂多糖組成，而革蘭氏陽性菌不含脂多糖，不能提供有效的保護(hù)。此外，小尺寸的ZnO納米顆粒還可以滲透到細(xì)菌細(xì)胞中，并與細(xì)胞內(nèi)的DNA和RNA分子結(jié)合，以阻止基因組復(fù)制。ZnO納米粒子抗菌活性的機(jī)制主要基于水和氧形成活性氧(ROS ),這破壞了細(xì)菌膜的完整性——盡管也提出了其他機(jī)制。

4.材料和方法

4.1.材料

本研究中使用的試驗(yàn)微生物獲自DSMZ萊布尼茨研究所(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen)的保藏物。菌株由美國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心(ATCC)提供。本研究中使用的微生物是金黃色葡萄球菌菌株DSMZ 346、蠟狀芽孢桿菌ATCC 14579、大腸桿菌DSMZ 498、銅綠假單胞菌ATCC 27853和白色念珠菌DSMZ 2566。

本研究中使用了聚乙烯薄膜(A4，50微米)(KB FOLIE)。MHPC (Chempur，piekary ?l?skie，波蘭)用作涂層載體。氧化鋅AA 44899，(~70 nm)用作活性物質(zhì)。為了驗(yàn)證任何涂層的抗微生物性能，使用了TSB、TSA和Sabouraud培養(yǎng)基(默克，達(dá)姆施塔特，德國(guó))。根據(jù)Merck方案制備所有培養(yǎng)基(根據(jù)制造商的說明稱量所有培養(yǎng)基，懸浮在1000 mL蒸餾水中，并在121℃高壓滅菌15分鐘)。

4.2.涂層制備及抗菌性能分析

(1)將4克MHPC加入100毫升水中。使用磁力攪拌器(Ika)在1500 rpm下將混合物混合1小時(shí)。該混合物用于覆蓋PE膜，以獲得不含任何活性物質(zhì)的涂層。

(2)將0.082克ZnO納米顆粒引入50毫升水中。作為第一步，使用磁力攪拌器(450 rpm)將混合物混合1小時(shí)。接下來，對(duì)混合物進(jìn)行超聲處理(超聲處理參數(shù):周期:0.5；幅度:20%；時(shí)間:10分鐘)，同時(shí)，如上所述制備第二混合物(將4g MHPC溶于50 mL中)。將ZnO納米顆粒溶液引入到MHPC混合物中并進(jìn)行超聲處理(超聲處理參數(shù):周期:0.5；幅度:20%；時(shí)間:10分鐘)。

使用Unicoater 409 (Erichsen，Hemer，Germany)在25℃的溫度下用直徑為40 μm的輥覆蓋聚乙烯(PE)膜。涂層在50℃的溫度下干燥10分鐘。獲得每1 m2PE 1.6g MHPC層?；钚酝繉影?.032g ZnO AA 44，899顆粒/1 m2PE膜。沒有被覆蓋的PE膜是對(duì)照樣品(K)。具有MHPC涂層的PE膜也被用作對(duì)照樣品(MHPC)。

將薄膜樣品切成正方形(3厘米× 3厘米)。根據(jù)ASTM E 2180-01標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試未覆蓋和覆蓋薄膜的抗菌性能。

4.3. QUV和Q-SUN加速老化測(cè)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QUV加速老化測(cè)試儀(QUV/spray，Q-LAB)和1.5 W/m2的Q-SUN加速氙測(cè)試室(Q-SUN Xe-2型，Q-LAB)中，并照射24小時(shí)。

4.4.傅里葉紅外光譜

使用傅里葉變換紅外光譜(Perkin Elmer分光光度計(jì)，Spectrum 100，Waltham，MA，USA)測(cè)量未覆蓋和覆蓋的薄膜樣品的傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜，在4cm-1的分辨率下操作，進(jìn)行四次掃描。將薄膜樣品切成正方形(2 cm × 2 cm ),并直接放置在射線曝光階段。光譜是在650–4000cm-1的波長(zhǎng)下記錄的。