QUV和Q-SUN模擬太陽光照對ZnO納米粒子塗層抗菌性能的影響

摘要

使用聚乙烯(PE)薄膜覆蓋，研究了加速和輻射對含ZnO納米粒子的塗層的抗菌性能的影響。研究結果表明，甲基羥丙基纖維素(MHPC)塗層不影響金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢杆菌、大腸杆菌、綠膿杆菌或白色念珠菌細胞的生長。含有ZnO納米顆粒的MHPC塗層抑製了細菌菌株的生長，並減少了白色念珠菌菌株的數量。加速老化測試Q-SUN和QUV照射不影響納米ZnO塗層對金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢杆菌和大腸杆菌的抗菌效果。Q-SUN輻照降低了含有納米顆粒的MHPC塗層對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塗層。

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開始受到更多的關(guan) 注，因為(wei) 它在食品包裝係統中用作抗細菌的控製劑。它可以確保消費者的微生物食品安全，並對延長產(chan) 品保質期具有不可估量的價(jia) 值。活性材料與(yu) 食品之間的接觸能夠改變食品的成分或其周圍的氣氛，這代表了一種抑製食品表麵微生物生長的活性包裝係統。氧化鋅(ZnO)納米顆粒已被開發為(wei) 抗微生物劑，用於(yu) 活性食品包裝係統，作為(wei) 被美國食品和藥物管理局(USFDA，21CFR182.8991)視為(wei) 安全(GRAS)的五種不同鋅化合物之一。氧化鋅納米顆粒對革蘭(lan) 氏陽性菌和革蘭(lan) 氏陰性菌以及耐高溫、高壓、耐酵母和黴菌的孢子具有殺菌作用。氧化鋅納米顆粒已經使用傳(chuan) 統的摻入方法(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。在抗菌包裝的應用中，納米顆粒也被引入聚合物塗層中。大量研究表明，包裝在含有ZnO納米顆粒(在聚合物基質內(nei) )的薄膜中的食品，或者與(yu) 含有ZnO納米顆粒的塗層一起使用的食品，其保質期會(hui) 增加。與(yu) 對照版本相比，使用含有納米顆粒的包裝，切片小麥麵包的保質期從(cong) 3天延長到35天。所有活性塗層在15天內(nei) 減少了切片麵包中酵母和黴菌的數量，並進一步提高了活性塗層的抗菌性能，在15天內(nei) 沒有真菌生長。含有納米氧化鋅的薄膜表現出優(you) 異的抗菌活性，並被製成生肉包裝袋。所製備的小袋顯示出對生肉中微生物的顯著抑製作用，這是由於(yu) 它們(men) 在4℃下儲(chu) 存至第六天時完全抑製了微生物的生長。

聚乙烯(PE)因其柔韌性、透明性、熱穩定性和低成本而廣泛用於(yu) 食品包裝。為(wei) 了產(chan) 生抗菌性能，PE膜可以覆蓋含有ZnO納米粒子的活性塗層。一般來說，活性包裝材料應該在儲(chu) 存過程中起到抑製細菌、酵母和黴菌生長的作用，以延長食品的保質期。這意味著塗層應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的一部分，約占太陽總輻射的8-9%。它會(hui) 導致材料的物理機械性能、光學性能和抗菌性能下降。在塗層載體(ti) 中引入對紫外線敏感的活性物質會(hui) 導致塗層在紫外線老化後失活。在塗層載體(ti) 中引入抗紫外線的活性物質，或添加具有屏蔽性能的物質，可以防止塗層在紫外線老化後失活。納米技術的快速發展導致了ZnO納米顆粒在塗料中的應用，以提高這種塗料的性能，而不顯著影響其透明度。此外，納米粒子已經引起了極大的興(xing) 趣，並且作為(wei) 改進防腐蝕性能的試劑的塗料應用的發展已經增加，特別是作為(wei) 紫外線吸收劑。結果表明，與(yu) 其他有機紫外吸收劑相比，ZnO納米顆粒在紫外輻射下表現出優(you) 異的化學穩定性。納米顆粒的應用可以改善任何相應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其自身的抗菌性能。

本研究的目的是研究太陽光照對ZnO粒子的影響，在QUV紫外老化箱和Q-SUN氙燈老化箱中對含有ZnO納米粒子的塗層進行抗菌性能測試。

2.結果

2.1抗菌性能

該研究的結果表明，MHPC塗層對金黃色葡萄球菌細胞的生長沒有影響，如先前的研究所示。含納米氧化鋅的MHPC塗層抑製了金黃色葡萄球菌的生長。加速Q-SUN和UV-A輻照不影響納米ZnO塗層的抗菌性能。在沒有納米粒子的MHPC塗層的情況下，使用QUV照射的薄膜的細菌細胞的數量增加了(圖1)。金黃色葡萄球菌的數量從(cong) 2.53 × 103增加到3.90×103(CFU/毫升)。統計分析顯示，細菌細胞數量的增加不顯著(p > 0.05)。

蠟狀芽孢杆菌對含有納米ZnO的活性塗層的敏感性分析如圖2所示。這項研究的結果表明，MHPC塗層沒有抗菌活性。蠟狀芽孢杆菌細胞對含有ZnO納米顆粒的塗層表現出敏感性。Q-SUN和QUV輻射並沒有降低納米ZnO塗層的抗菌性能。觀察到用UV-A照射的MHPC塗層的細菌細胞數量增加。活細胞數之間的差異是顯著的，如鄧肯試驗所證實的(p < 0.01)。

研究結果表明，MHPC塗層對大腸杆菌細胞的生長沒有影響。這些結果被先前的研究證實了。在與(yu) 含有ZnO納米顆粒的MHPC塗層接觸24小時後，沒有觀察到細菌細胞的生長。正如下麵所強調的[圖3]，加速的Q-SUN和QUV輻射對納米ZnO塗層抗菌性能的影響也沒有被發現。統計分析表明，大腸杆菌細胞數之間差異不顯著(p > 0.05)。

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

該研究的結果表明，與(yu) 未覆蓋的PE膜相比，MHPC塗層不影響白色念珠菌細胞的生長。含有ZnO納米顆粒的MHPC塗層減少了活細胞的生長。經測定，白色念珠菌細胞數從(cong) 1.23 × 104 (K)和1.42 × 104 (MHPC)下降到1.88×103(CFU/毫升)。Duncan試驗證實，納米ZnO對(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。結果表明，鋅能有效地抑製白色念珠菌的生長。似乎納米顆粒的大小和形狀在抗微生物活性中起著至關(guan) 重要的作用。微生物細胞中的細胞膜包含直徑以納米計的孔。考慮到納米粒子比微生物的孔小，它們(men) 具有無障礙穿過細胞膜的獨特性質。加速QUV輻射對納米ZnO塗層的抗菌性能沒有影響(圖5)。鄧肯試驗證實了這一點(p > 0.05)。還注意到白色念珠菌細胞數量的對數減少。對於(yu) 用Q-UV照射的納米粒子的塗層，觀察到活細胞數量的減少。結果表明，Q-UV輻射具有明顯的影響，降低了塗層的抗菌性能。抗菌活性顯著下降(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輻射對塗層的影響。影響吸收峰和帶位置的性質是薄膜的結構、化學成分和形態。該研究的結果表明，在QUV照射(K1)和Q-SUN照射(K2)之後，沒有發現PE膜(K)的化學組成和形態的差異。結果表明，加速輻照對聚乙烯薄膜樣品沒有影響。也沒有觀察到QUV輻射對含有ZnO納米顆粒(Zn1)的MHPC (MHPC1)或MHPC塗層的影響。具有ZnO納米顆粒(Zn2)的MHPC塗層(MHPC)、Q-SUN輻照的MHPC塗層(MHPC2)和Q-SUN輻照的MHPC塗層如圖6所示。在FT-IR光譜中觀察到四個(ge) 區域，延伸在(1)從(cong) 3600到3200cm-1的範圍之間；(2)範圍從(cong) 3200到2800cm-1；(3)範圍從(cong) 1800到1600cm-1，以及(4)範圍從(cong) 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(yu) 吸收峰的一致性。或者，可以在2913.35、2846.12和1462.07cm-1處觀察到CH3-CH2誘導吸收峰。顯示了不同的峰特性，範圍從(cong) 1800cm-1到1600cm-1。在MHPC塗層的情況下，沒有觀察到1727.00cm-1的峰。注意到Q-太陽照射的MHPC塗層的該峰的存在，由C=O雙鍵模擬。已經清楚地證明，加速的Q-SUN輻照改變了MHPC層的化學成分。對於(yu) Q-SUN輻照的含有ZnO納米顆粒的MHPC塗層，沒有觀察到1727.00cm-1峰。人們(men) 很容易認為(wei) ，納米氧化鋅屏蔽了MHPC層，使其免受Q-SUN的輻射。El-Feky O.M .等人指出了這一結論，他們(men) 將ZnO納米顆粒用作紙張上油畫塗料的添加劑，以保護它們(men) 免受紫外線輻射。

2.3.掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡(SEM)是應用廣泛的表征基質形狀、大小、形態和孔隙率的技術。圖7顯示了包含ZnO納米顆粒的塗層的SEM圖像。SEM圖像顯示ZnO納米顆粒均勻分布在整個(ge) 塗層表麵。沒有觀察到對照塗層和輻射塗層之間的差異。

3.討論

納米氧化鋅(ZnO)顆粒表現出許多優(you) 點，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，氧化鋅納米顆粒對細菌、酵母、黴菌具有高度特異性毒性，並且對人體(ti) 細胞無毒。El-Feky O.M .等人將ZnO納米粒子引入紙張上的油畫塗層，這可以保護它們(men) 免受紫外線老化和微生物的攻擊。關(guan) 於(yu) 抗真菌活性，ZnO納米顆粒對一些真菌菌株，如黃曲黴、黑曲黴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塗料，以覆蓋包裝材料。已經表明，當沒有觀察到菌株生長時，活性塗層表現出對金黃色葡萄球菌和大腸杆菌細胞的抗微生物活性。本研究的目的是研究含納米氧化鋅的MHPC塗層對蠟狀芽孢杆菌、綠膿杆菌和白色念珠菌的抗菌性能。紫外老化對抗菌性能的影響以及ZnO納米顆粒保護其自身生存能力的能力也被檢測。以前的研究和Venkatesan R .等人指出了這些結果，他們(men) 指出，含有ZnO納米顆粒的薄膜在殺死革蘭(lan) 氏陰性大腸杆菌和革蘭(lan) 氏陽性金黃色葡萄球菌細胞方麵具有高活性。納米ZnO塗層對大腸杆菌和萎縮性芽孢杆菌均有抗菌活性。Aysa N.H .顯示了ZnO納米顆粒對銅綠假單胞菌的抗微生物特性。研究結果表明，革蘭(lan) 氏陽性菌和革蘭(lan) 氏陰性菌對含有ZnO納米顆粒的非輻照塗層的敏感性沒有任何差異。此處顯示的結果與(yu) Sharma D .等人報道的結果不可比，Sharma d .等人對大腸杆菌的抗菌活性比對金黃色葡萄球菌的抗菌活性更強。Sinha R .等人和Zhang H .等人指出，ZnO納米顆粒的納米毒性對革蘭(lan) 氏陰性菌比對革蘭(lan) 氏陽性菌更明顯。Esmailzadeh H .等人和Gandhi R.R .等人獲得了相反的結果，他們(men) 指出革蘭(lan) 氏陽性菌比革蘭(lan) 氏陰性菌對ZnO納米顆粒更敏感。很容易認為(wei) 革蘭(lan) 氏陽性菌比革蘭(lan) 氏陰性菌對ZnO納米顆粒更敏感是由於(yu) 細胞膜結構的差異。革蘭(lan) 氏陰性菌的細胞膜由脂質、蛋白質和脂多糖組成，而革蘭(lan) 氏陽性菌不含脂多糖，不能提供有效的保護。此外，小尺寸的ZnO納米顆粒還可以滲透到細菌細胞中，並與(yu) 細胞內(nei) 的DNA和RNA分子結合，以阻止基因組複製。ZnO納米粒子抗菌活性的機製主要基於(yu) 水和氧形成活性氧(ROS ),這破壞了細菌膜的完整性——盡管也提出了其他機製。

4.材料和方法

4.1.材料

本研究中使用的試驗微生物獲自DSMZ萊布尼茨研究所(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen)的保藏物。菌株由美國典型培養(yang) 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、蠟狀芽孢杆菌ATCC 14579、大腸杆菌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(lan) )用作塗層載體(ti) 。氧化鋅AA 44899，(~70 nm)用作活性物質。為(wei) 了驗證任何塗層的抗微生物性能，使用了TSB、TSA和Sabouraud培養(yang) 基(默克，達姆施塔特，德國)。根據Merck方案製備所有培養(yang) 基(根據製造商的說明稱量所有培養(yang) 基，懸浮在1000 mL蒸餾水中，並在121℃高壓滅菌15分鍾)。

4.2.塗層製備及抗菌性能分析

(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。該混合物用於(yu) 覆蓋PE膜，以獲得不含任何活性物質的塗層。

(2)將0.082克ZnO納米顆粒引入50毫升水中。作為(wei) 第一步，使用磁力攪拌器(450 rpm)將混合物混合1小時。接下來，對混合物進行超聲處理(超聲處理參數:周期:0.5；幅度:20%；時間:10分鍾)，同時，如上所述製備第二混合物(將4g MHPC溶於(yu) 50 mL中)。將ZnO納米顆粒溶液引入到MHPC混合物中並進行超聲處理(超聲處理參數:周期:0.5；幅度:20%；時間:10分鍾)。

使用Unicoater 409 (Erichsen，Hemer，Germany)在25℃的溫度下用直徑為(wei) 40 μm的輥覆蓋聚乙烯(PE)膜。塗層在50℃的溫度下幹燥10分鍾。獲得每1 m2PE 1.6g MHPC層。活性塗層包含0.032g ZnO AA 44，899顆粒/1 m2PE膜。沒有被覆蓋的PE膜是對照樣品(K)。具有MHPC塗層的PE膜也被用作對照樣品(MHPC)。

將薄膜樣品切成正方形(3厘米× 3厘米)。根據ASTM E 2180-01標準測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加速老化測試儀(yi) (QUV/spray，Q-LAB)和1.5 W/m2的Q-SUN加速氙測試室(Q-SUN Xe-2型，Q-LAB)中，並照射24小時。

4.4.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的分辨率下操作，進行四次掃描。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。