可食性抗菌膜研究進展

成淑君，余 倩，劉 悅

（仲愷農業工程學院 輕工食品學院，廣東廣州 510225）

0 引言

食品在貯藏過程中會發生大量的物理、化學反應和微生物污染。由于環境或加工因素（暴露于光、濕度、溫度等），食物中蛋白質、脂質、碳水化合物和水等營養成分逐漸流失，并會發生腐敗變質。食品的腐敗變質是一個復雜的生物化學反應過程，涉及食品內酶的作用、污染微生物的生長和代謝，但主要是微生物的作用。食品的腐敗變質通常伴隨著發黏、變酸和變臭；發黏這一現象通常在以碳水化合物為主的食品發生較多，變酸在碳水化合物和乳制品中較為常見，變臭是由于蛋白質類被腐敗菌類利用分解產生有機胺、氨氣、硫化氫等，他們都會產生一系列的刺鼻氣味[1]。變質的食物會對人體產生很多危害，一些糧食作物會被霉菌污染，這些霉菌會在生長的時候產生毒素，會讓人引起不良反應或中毒甚至死亡，可見食物腐敗變質對人體健康危害較大。

合適的包裝可以減緩惡化速度，從而延長食物的保質期。以往食品包裝較多都是采用一些化學合成的塑料制品，具有很好的機械性能，能夠滿足人們日常生活的需要，且價格便宜，因此在市面上大量使用。但這些塑料制品很難降解，會對生態環境造成嚴重損失。為了讓這一問題得到改善，可以采取一些可食性的物質來替代這些塑料包裝，可食性物質具有無毒、無害、易降解的特點。傳統上的食品包裝材料會傾向于選擇避免與食物發生反應。然而，近年來，各種各樣的包裝和方法已被用于與食物互動，以提供理想的效果，它是通過改變食品包裝的環境條件，通過包裝材料作為傳送活性物質的載體，控釋和緩釋抗菌劑、抗氧化劑和酶類等活性物質，讓其于食物表面直接接觸，調控活性物質的釋放速率，達到抑制微生物的生長或阻止食品環境因素導致腐敗，使食品的貨架壽命的延長、產品的安全性得到改善[2]。

1 薄膜的分類

在抗菌膜中，膜是抗菌物質的載體，根據可食性膜的成膜物質，可以把膜分成三大類：膠體、脂類和復合材料。膠體包括蛋白質和多糖，如淀粉、海藻酸、纖維素衍生物、殼聚糖和瓊脂；脂類包括蠟、酰基甘油和脂肪酸；復合材料包含水膠體成分和脂質。膠片或涂層材料的選擇在很大程度上取決于其所需要的功能，并與他們的功能相適應。

1.1 膠體類薄膜

膠體是一種分散質粒子直徑介于粗分散體系和溶液之間的一類分散體系，這是一種高度分散的多相不均勻體系，可以穩定存在，并且顆粒以一種有序的結構包裝，在成膜過程中與干燥方向一致[3]。

1.1.1 蛋白質膜

目前常用于蛋白質膜制備上的是植物蛋白,如大豆蛋白質、花生蛋白和葵花蛋白分離物，其次是酪蛋白、乳清蛋白、玉米醇溶蛋白及小麥谷蛋白黏膠質等和其他蛋白，還有卵白蛋白和魚肌肉蛋白等[4]。蛋白質成膜機理是在加熱過程中蛋白質與蛋白質之間相互作用，形成一種蛋白質膜的網狀結構，在膜的網絡結構中主要共價鍵是二硫鍵、氫鍵和疏水鍵。這些鍵的形成需要經過加熱，因為加熱使蛋白質的三維結構發生了改變，讓疏水基團和疏水的側鏈暴露了出來。在干燥的過程中，水分開始向外遷移，分子之間形成新的二硫鍵，從而形成具有穩定網絡結構的蛋白膜，強度取決于二硫鍵和疏水相互作用的強弱[5]。翁武銀等人[6]采用魚皮明膠制蛋白膜時發現，當水分活度小于0.33時，膠蛋白膜在常溫下可以處于玻璃態，機械性質能夠保持穩定；水分活度超過0.44后，膜的玻璃化轉變溫度起始點低于25℃，膜的斷裂伸長率上升，拉伸強度出現顯著下降。當水分活度達到0.92時，膜甚至開始溶解變成溶膠。對于魚皮明膠蛋白膜的改性，發現戊二醛的添加會使明膠分子發生交聯反應，反應更易在高分子成分之間發生[7]。

1.1.2 淀粉類薄膜

淀粉是一種價格低廉、親水性良好的生物可降解的一種膜材料。淀粉的成膜性能主要由物料體系中淀粉所占的比例和直鏈淀粉的含量決定。對天然淀粉進行化學改性（如酯化、交聯等）可以提高淀粉的成膜性、改善淀粉膜的機械性，可以使柔韌性、阻水性增加[8]，在王程等人[9]的研究中也證實這一觀點，隨著交聯程度的提高，淀粉膜的抗拉強度逐漸增高，斷裂延伸率和透光率逐漸下降。隨著酯化程度的提高，淀粉膜的斷裂延伸率和透光率逐漸增高，同時抗拉強度降低。劉鵬飛等人[10]曾發現在淀粉膜中添加甘油淀粉糊各特征值黏度會降低，熱穩定性增高，老化趨勢減弱，膜的斷裂伸長率升高，抗拉強度下降，斷裂伸長率增大，水蒸氣透過率上升。淀粉膜的應用十分廣泛，在肉制品海鮮制品、果蔬食品都有應用實例。

1.1.3 海藻酸類薄膜

海藻類植物經過相應的加工處理，可以提取獲得海藻酸材料，價格低廉、普遍易得。海藻酸纖維作為可再生纖維，具有良好的生物降解性且與人體有良好的相容性，止血抗菌、綠色無害，開發利用價值大[11-15]。海藻酸是從褐藻類植物中提取獲得的線性共聚物，由α-L-古洛糖醛酸和β-D-甘露糖醛酸片段連接組成，而β-D-甘露糖醛酸片段是主要的藻酸鹽成分，無味無毒甚至可食用，所以是一種綠色友好型材料。海藻酸有很多親水基團，根據相似相溶原理，它也可以溶于水[16]。

現階段使用比較廣泛的海藻酸鹽是海藻酸鈉。海藻酸鈉與海藻酸一樣有著安全無毒的特點，具有良好的生物相容性和生物降解性，常用于食品行業的穩定劑和增稠劑。現階段海藻酸鈉-苯乳酸共混膜在食品領域已有應用于水果的保鮮研究，涂膜處理可以延緩櫻桃的褐變反應，櫻桃保持色澤，并且可明顯延緩硬度的下降，保持果實的口感，抑制可溶性固形物含量的下降，保持果實的風味[17]。焦欣欣[18]采用溶液共混法制備5種以海藻酸鈉-明膠為成膜基質的不同體系的共混膜，表明5種共混膜都具有良好的光屏蔽性能、水蒸氣阻隔性能、低水溶性和水蒸氣透過性等物理特性，并且pH值的改變和添加鞣花酸的含量也會對膜的物理性質發生改變。

1.1.4 纖維素及其衍生物薄膜

纖維素是自然界中含量最多的有機物，它主要是通過光合作用合成。纖維素不僅存在于植物中，在某些細菌也有纖維素，并且人們還在進行研究[19]。纖維素是一種天然的高分子化合物，它是D-葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵鏈接而成的[20]，其結構具有2個明顯的特點：①每一個葡萄糖單體都有3個羥基，羥基為極性基團，并且這3個基團都為游離基團，很容易產生分子內和分子間作用力極強的氫鍵；②纖維素纖維的復雜聚集態結構和高結晶度[21-22]。有研究發現由 H2SO4/Na2SO4的凝固浴體系得到的纖維素膜為致密均勻的微孔結構，力學性能較好。周永輝[23]將纖維素與殼聚糖復合，所得到的纖維素膜和纖維素-殼聚糖復合膜的表面均一且平滑，不具顆粒結構和孔洞結構。纖維素溶液和纖維素-殼聚糖溶液一進入到乙醇-水凝固浴中間就發生了相轉移，就形成了致密而非疏松的膜結構。同時證實這2種生物材料良好的相容性。

纖維素衍生物是纖維素通過化學手段將其改性，添加一些其他的化學基團。常見的纖維素衍生物有醋酸纖維素、纖維素硝酸酯、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素和羧甲基纖維素等。一般水溶性纖維素衍生物，如常見的CMC，HEC等，因為自身分子結構缺少與親水基團相匹配的疏水性基團，而且分子量高，所以其表面活性很難提升。因此，提高水溶性纖維素衍生物的表面活性，探討結構與性能的關系，會成為人們關注的熱點[24]。

1.1.5 殼聚糖薄膜

殼聚糖是一種從甲殼類或多種真菌中提取的天然陽離子多糖。甲殼素是地球上含量僅次于纖維素的一種天然高分子化合物，廣泛存在于節肢動物、軟體動物、環節動物、原生動物、腔腸動物及真菌和藻類的細胞壁中，自然界每年生物合成甲殼素將近1×108t[25]。目前，殼聚糖及其改性膜的應用研究工作主要集中在超濾膜、反滲透膜、滲透蒸發膜、透析膜、氣體分離膜、膜法保鮮、離子交換膜及醫學用膜等領域[26-27]。趙宏霞等人[28]用不同干燥的方法制備殼聚糖膜，并對其微觀結構和微觀力學特性進行了觀察，發現干燥條件對其結構及性能有很大影響，真空干燥和遠紅外干燥改善了膜材料的表面平整度，遠紅外干燥殼聚糖膜的黏附力顯著大于自然風干殼聚糖膜和真空干燥殼聚糖膜，而遠紅外殼聚糖膜的楊氏模量則低于自然風干殼聚糖膜和真空干燥殼聚糖膜。任東文等人[29]發現傅里葉紅外分析法可用來作為分析殼聚糖降解過程的一種快捷有效的方法，還發現殼聚糖混合膜中中脫乙酰度殼聚糖組分含量與混合膜材料的脫乙酰度呈線性關系。

1.1.6 瓊脂

瓊脂又稱為瓊膠、凍粉、洋菜，從石花菜及其他紅藻類植物中提取出來的復雜的水溶性多聚糖[30]。瓊脂由瓊脂糖和瓊脂果膠2個部分組成，前者有膠凝功能，后者沒有膠凝功能，在瓊脂制作過程中隨著工藝流程漸漸被除去。瓊脂安全無毒，可以降解，具有良好的增稠性、保形性、膠凝性、穩定性、成膜性，不僅用于培養基的制備，在食品工業、日用化工、醫療衛生等領域也有著廣泛的應用。程文健等人[31]將瓊脂加到麥芽糊精基膜里，發現瓊脂-麥芽糊精共混膜的黏度大小主要取決于瓊脂的質量分數，當質量分數小于3%時，容易流延成膜。M Letendre等人[32]研究發現，脂能使蛋白質薄膜的機械強度和阻濕性能提高。范閩光等人[33]也證實了瓊脂的添加可以改善膜的機械性，當加入瓊脂時，膜的抗張強度提高，伸長率下降，透水系數先降低后增加。

1.2 脂類薄膜

脂類化合物包括中性脂類甘油酯、甘油酯、脂肪酸和蠟，是長鏈單氫醇和脂肪酸的酯類。脂質添加到食品涂料中，以傳遞疏水性。在可食用的薄膜中，脂類的加入主要利用他的疏水性，膜具有一定的防水能力。此外添加到膜里的脂類的結構、飽和度、鏈長、物理狀態、晶體形狀和維數，以及脂質都會對薄膜的功能特性產生影響。

1.2.1 蠟

蠟屬于非極性脂類，難溶于水，疏水性很高，可溶于一些有機溶劑。常用于制膜的蠟包括蜂蠟、棕櫚蠟等。

蜂蠟又稱蜜蠟，蜂巢就是由此構成的。蠟是由蜜蜂（工蜂）腹部4對蠟腺分泌出來的蠟。蜜蜂將液態蠟質由蠟腺分泌到蜂體的鏡膜上凝結成蠟鱗。蠟鱗為白色不透明且呈不規則的五角形[34]。蜂蠟的應用范圍很廣，在化妝品、醫藥和果蔬保鮮中都有應用。趙凱等人[35]用蜂蠟涂膜臺灣青棗，發現蜂蠟涂膜可以明顯控制果實的失水、降低呼吸強度、延緩可溶性固形物和可滴定酸含量的下降速率，貯藏15 d，好果率接近 70%，顯著高于沒有涂膜保鮮的青棗。現有研究表明，蜂蠟以固體小顆粒的狀態分散于大豆蛋白膜中，能夠提高大豆蛋白膜的抗張強度、氧氣透過率、阻水性能和表面接觸角，降低水蒸氣透過率和斷裂延伸率[36]。棕櫚蠟是一種由多種化合物組成的混合物，主要包含有長鏈醇類、脂肪酸及脂類等。因為棕櫚蠟自身的疏水性，把它適當添加在薄膜中可以提高薄膜阻濕性能，張丹等人[37]將抗菌劑和棕櫚蠟乳液微粒通過共價鍵的方式結合起來，使其結合作用力變強，這種新型的棕櫚蠟乳液微粒具有水蒸氣阻隔和抗菌的雙重功效，有很大的發展前景。棕櫚蠟在果蔬采后保鮮中應用也很廣泛，巴西棕櫚蠟防護處理均能夠顯著抑制油桃和李子果實的病害發生[38]。

1.2.2 單甘酯

單甘酯別名為單硬脂酸甘油酯，單甘脂其物理性質為白色或淡黃色蠟狀固體，無臭，無味，溶于乙醇、苯、丙酮、礦物油、脂肪油等熱的有機溶劑，不溶于水，但在強烈攪拌下可分散于熱水中呈乳濁液，在農用大棚膜的生產中，流滴劑的主要原料是單甘酯。在復合涂膜中加入單甘脂，可使膜的持水性和透光率有所提高[39]。劉玉兵等人[40]用山葡萄籽做微膠囊的時候，單甘脂具有乳化劑的作用，讓山葡萄籽油可以于水溶性壁材相容。親水性單甘脂具有良好的保水性，把它和抗菌劑復合，這種復合保鮮劑用在豬肉保鮮上可以減少汁液的流失，還能延緩冷卻肉中腐敗菌的生長[41]。

1.3 復合材料

基于蛋白質和多糖薄膜的透濕透氧性很好，但由于蛋白和多糖的親水性好，使得它們對水蒸發的抵抗能力是有限的。脂質膜提供良好的保濕屏障，但也有弱點，如薄膜表面的針孔和裂紋、無黏附性、不均勻性、蠟質的味道等。所以，現在新取向為復合膜，既滿足多糖膜和蛋白膜所具有的優點同時也有脂類膜的優點，將兩者的比例進行調節，形成人們所要的膜。將淀粉和聚羥基脂肪酸酯復合并加入一定的增塑劑，該復合膜的機械強度有了很大的提升[42]。

2 抗菌劑的種類

抗菌劑就是在抗菌膜中起著抑制微生物生長的物質。自然環境里的微生物數量很多，種類也很多，對應不同的微生物，所用的抗菌劑也不同。總的來說抗菌劑分為無機抗菌劑、有機抗菌劑和天然抗菌劑三大類[43]。

2.1 無機抗菌劑

無機抗菌劑有2類。一類是金屬（如銀、銅、鋅）或者其離子負載到一些多孔材料的制劑，在這些金屬里，銀的抗菌效果最好。其殺菌原理是金屬接觸到菌體之后，會使蛋白質變性，讓微生物生理功能受到破壞，從而導致菌體死亡。菌體也是細胞結構，它有細胞膜，細胞膜是帶負電的，而金屬離子是帶正電的，正負電會讓二者相互吸引，產生力的作用，這個力會讓金屬離子穿透微生物的細胞膜，直接接觸到微生物的蛋白質，金屬離子會與蛋白質的巰基結合，使得蛋白質結構發生改變，從而影響到微生物合成酶的活性和DNA的合成，最終導致微生物死亡。此抗菌劑是通過載體的緩釋進行抗菌而且載體及金屬對身體沒有毒害作用，具有耐久性和安全性高的特點。不足之處就是銀離子很容易被氧化，氧化后會影響到顏色[44]。鄧平曄等人[45]制作了一種負載銀的抗菌膜，此抗菌膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有很好的抗菌作用。

另一類是被光子激活的半導體氧化物（如TiO2，ZnO，ZrO2等），這種抗菌劑的加入會使材料表面附著金屬，可以催化活性中心激活吸附在材料表面的空氣或水中的氧氣，會產生很強具有氧化還原能力羥自由基和活性氧中心，破壞微生物的正常生理達到抑菌能力。研究表明，無機納米TiO2粒子的加入可以大大改善膜的抑菌能力[46]。此抗菌劑對病毒效果也很好，納米Cu2+/TiO2抗菌膜對H9N2病毒具有顯著的滅活效應，在黑光燈強度為0.5 mW/cm2、黑光燈照射時間為2.5 h、病毒量為0.1 mL時，H9N2病毒的滅活率達到了100%[47]。

2.2 有機抗菌劑

大多數有機抗菌劑都是采用化學方法合成的，具有抗菌活性成分都是陽離子基團，具有耐熱性差、毒性大等特點，使其應用受到一定范圍的限制[48]。主要包括季銨鹽類、雙胍類、醇類、酚類、有機胺類、砒啶類、異噻唑啉酮類等[49]。季銨鹽類可以破壞微生物的細胞膜，讓蛋白質變性、細胞結構受到破壞。胍及其衍生物具有強堿性，而細菌一般帶負電荷，可以通過電場力的作用細胞壁和細胞膜上的負電荷由于分布不均而變形，造成物理性破裂，使細胞中的水、蛋白質等物質溢出，產生“細菌溶體”現象而死亡[50]。Kourai[51]早在 1995年就有講到季銨鹽抗菌劑，發現季銨鹽中引入不飽和烷基時要比引入甲基時的抗菌效果好很多。

2.3 天然抗菌劑

天然抗菌劑是人們從植物或動物中提取的，包括殼聚糖、溶菌酶、細菌素和一些提取物等。天然抗菌劑相比那些化學合成的來講會比較綠色環保，人們對它會更關注。

2.3.1 殼聚糖

殼聚糖作為天然的抗菌物質，目前對它的抗菌機理有2種：①殼聚糖可以成膜，讓物質與外界隔離，形成一種天然的保護屏障；②殼聚糖可以浸入細胞里面，吸收細胞里面含有陰離子的物質，使細胞不能正常生理活動，從而死亡[52]。

2.3.2 溶菌酶

溶菌酶是一種堿性蛋白質，在酸性環境下，溶菌酶對熱的穩定性很強，在pH值為3.0，溫度96℃條件下加熱處理15 min仍然可以保持87%的活性。溶菌酶廣泛存在于鳥類、家禽的蛋清中和哺乳動物的淚液、唾液、血漿、乳汁、胎盤，以及體液、組織細胞內，其中在蛋清中含量最豐富（約0.3%）[53]。溶菌酶的抑菌機理是主要通過切斷細胞壁肽聚糖中的N-乙酰胞壁酸（NAG） 和N-乙酰葡萄糖胺（NAM）之間的β-1,4糖苷鍵，使細胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，導致細胞壁破裂，細菌裂解[54]。

2.3.3 細菌素

細菌素的來源主是細菌產生的小的抗菌肽，具有一定的殺菌和抑菌作用。細菌素的合成會受到環境的影響。細菌素最早在大腸桿菌中發現有一種物質可以抑制其他的菌類生長，并且稱它為大腸菌素[55]。細菌素有一定的特異性，且每種細菌可以產生多種細菌素[56-57]。現有研究表明，乳酸菌細菌素是通過細胞膜上的孔殺傷靶細胞，使細胞壁合成變成障礙[58]。細菌素的作用模式一般分2類，一類為能量依賴性的，一類為非能量依賴性的。前者在于可以細胞膜上的電位吸附細菌的細胞表面，讓細胞自溶死亡；后者可以使受體蛋白位于敏感菌細胞膜上并形成親水通道，使細胞膜破裂[59]。細菌素的應用也很廣泛，在食品防腐、醫藥、動物保健醫療和人類疾病防治等方面都有很重要的應用。

2.3.4 提取物類

中藥材的提取液和一些調味品還有精油類都有較好的抗菌作用。在關于中藥材提取物中，發現黃連、黃芩、丹參等藥物對大腸桿菌抑菌作用，連翹對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌，苦參對金黃色葡萄球菌、鏈球菌，錦草、紅花對金黃色葡萄球菌有較好的抑制作用[60]。中藥抗細菌病毒作用機理較為復雜，是多種作用綜合結果，一是中藥具有直接的抗菌、抗病毒作用；二是調節機體自身免疫功能，去抵抗病原微生物作用；三是通抗氧化、清除自由基作用[61]。有研究表明，花椒精油對大腸桿菌有較強的抑制效果。一些植物精油的抗菌效果也非常好，迷迭香和檸檬草的精油單方及混合復方對表皮葡萄球菌和金黃色葡萄球菌均有很強的機制作用[62]。

3 結語

抗菌膜的未來發展方向一定是綠色友好型的，要與跟社會發展的方向保持一致。現階段抗菌膜在果蔬上的應用，大部分是用于采后貯藏保鮮，關于抗菌膜在果蔬采前保果上的應用還不多見。將抗菌膜運用于田間保果技術，可以減緩果蔬的病害問題，提前對果蔬病害進行防御，做到防患于未然。抗菌膜在采前保果上的應用與采后保鮮有一定的區別，要考慮果實田間生長的問題及復雜的外界環境，因此在未來的研究中，可以將抗菌膜應用于果蔬采前保果。