納米抗菌劑在食品中的應用研究進展

路玲，李莉，羅自生

(浙江大學 生物系統工程與食品科學學院，浙江 杭州,310058)

納米技術是20世紀80年代末期崛起并正在迅猛發展的新型前沿高技術，涉及現代物理學、化學、生物學、醫學、材料科學、信息科學、能源科學和先進制造科學，是一門高度交叉學科。納米技術是研究在納米尺度(通常指1～100 nm)下材料的性質和應用。利用納米技術可以使人類認識與改造物質世界的手段和能力延伸到原子和分子。在納米尺度下，物質具有量子尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等特點[1]，展現出與宏觀尺度下物質的物理、化學、光學、力學、生物學等不同或宏觀不具備的特性。目前，納米科技已經對世界產生了深遠影響，形成了大量的科技和產業成果，促使材料、能源、環境、微電子、生物和醫藥等產業領域發生了重大變革。

1 納米技術在食品行業的興起

納米技術在農業、食品等領域有巨大發展前景，如納米封裝農藥、化肥、納米抗菌食品添加劑、納米乳液、食品抗菌包裝、快速探測病菌及其他污染物的納米傳感器等[2-3]，其中運用納米粒子(納米Ag、納米ZnO等)的食品抗菌膜及其他表面接觸類食品包裝能夠有效延長食品的貨架期，防止食品腐敗變質[4]。許多細菌，包括致病菌能夠在食品表面或工業設備中形成生物膜，此類生物膜對于大多數消毒滅菌方法都有抗性，因而成為食品工業中重要的污染源。運用納米形態學方法可以防止這些生物膜的產生[5]，納米表面結構可以破壞表面形態，且不需要能量供應和與其他物質的結合。然而納米級物質對于人體健康和環境的潛在風險也必須得到充分評估以確保消費者能夠接受。

2 食品接觸用抗菌納米粒子

食品抗菌膜及其他抗菌包裝可以在食品的生產、加工、貯藏過程中保持食品衛生，抑制微生物活性及防止微生物入侵。目前應用最廣泛的納米抗菌劑及其在食品中的應用如表1所示。

抗菌膜可使用納米金屬材料或金屬氧化物如Ag，具有光催化活性的納米粒子如納米TiO2、納米ZnO等。光催化作用需要光(通常是350 nm的紫外光)和活性氧來氧化或破壞細菌的組織[6]。近年來利用可見光來進行光催化作用已經有了一定的研究和發展[7-8]。可見光催化最常用的方法是染料敏化[9]，添加銅離子或引入新型材料如釩酸鉍(BiVO4)，這些材料已經成功運用到光催化型抗菌膜中。

納米技術可以改善活性包裝的機械性能和熱力學性能，更好地保障食品的質量與安全。在生物聚合物中添加納米化黏土可提高其機械性能，可用來制備可生物降解的環保食品包裝。在抗菌膜中添加生物活性分子和納米抑菌粒子也可以防止食品的氧化和降解。備受關注的新型包裝材料納米纖維素[10]與其他納米粒子如光催化劑混合可制備抗菌膜，作為控釋抗菌劑的載體；天然納米抗菌物質如納米化肉桂酸對大腸桿菌表現出很強的抗菌活性[11]。納米粒子具有特殊物化特征，將其與成膜基質復合能夠改善單一抗菌膜的機械性能。納米技術的抗菌作用也常用于醫療領域[12]。食品包裝膜常用的納米粒子有納米TiO2[8-9]、納米SiO2[13]、納米CaCO3[9]、納米山梨酸、納米Ag等。

表1 主要納米抗菌劑及其在食品中的使用情況Table 1 The main nano antibacterial agents and their use in food

抗菌納米粒子分為3種基本類型：金屬及金屬氧化物納米粒子、天然納米抗菌物質、碳基納米粒子[14]。多種多樣的納米粒子具有獨特的物化性質，比表面積大，具備高效抗菌活性。這些納米粒子與微生物細胞的作用機制有：(1)活性氧的光催化產物破壞微生物細胞成分；(2)破壞細菌細胞壁或細胞膜；(3)阻斷跨膜的電子轉移；(4)抑制酶活性和DNA的合成。新型的高效納米抗菌劑及納米抗菌材料應用前景十分廣泛，根據現有的研究我們應進一步探索其抗菌活性的影響機制。

3 納米抗菌劑

3.1 納米Ag

金屬及金屬氧化物納米粒子的抗菌性已有大量研究[15]，如Ag、TiO2、ZnO、Fe3O4等。其中納米Ag因其突出的抗菌活性而成為應用最廣泛的高效抗菌劑[16]，在食品、醫藥、紡織品領域都有應用。銀是一種對微生物有強毒性的元素，因其具有廣譜抗菌性，市場上許多產品都有對銀的使用。銀一般以離子或金屬形式存在。納米Ag材料比一般金屬銀具有更強的抗菌性能，因為其體積小，比表面積大，更易穿過細胞壁和細胞膜進入細胞質中。據研究三角形或截斷形的粒子的殺菌能力比桿形和圓形的粒子更強[17]。銀離子的抗菌機制主要是：銀離子會與細菌的細胞壁、細胞膜中蛋白質的含硫和磷的基團作用，使之失去細胞活性并使蛋白質凝集；銀離子在膜帶負電的部位會導致原生質體穿孔，細胞內物質外流以致細胞死亡。一些銀離子穿透細胞膜進入細胞質中，破壞細菌的蛋白質和核酸。納米Ag一旦進入細胞，就會攻擊細菌的DNA和呼吸酶，影響遺傳物質的復制和細胞分裂，并最終使細胞死亡。生物可降解包裝中加入Ag可以增強其抗菌性和抗污染性能。納米Ag粒子的形態學特征會間接影響Ag+的釋放，因此通過操控氧氣，粒子的大小、形狀和包裝類型可以調節 Ag+的釋放從而控制其抗菌能力。納米Ag的抗菌力取決于許多因素，如幾何形狀、表面積、氧化情況、附聚行為、表面電荷和表面官能團等，釋放介質的鹽度、其他分子的存在、溫度、光照、氧氣也都會影響納米Ag的活性。

制備納米Ag微粒可以通過電化學、化學、熱分解、微波照射、紫外線照射等方法。目前，納米Ag粒子主要是基于濕化學還原法來制備，這些方法可以有效控制納米Ag離子的大小和形狀，但也存在一些問題，如膠體穩定劑的使用，產物不純等。CAVALIERE等[18]首次運用超聲波束沉積法來制備了納米Ag薄膜。

納米Ag材料已經被加入到淀粉、瓊脂、芭蕉粉、明膠中，還與氧化石墨烯共同作用，幾乎可以抑制100%細菌的侵襲。納米Ag粒子對許多致病菌包括病毒、真菌及多種細菌如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和沙門氏菌都有高效的抑制作用[19]。HOSSEINI等[20]對比了含納米Ag材料的抗菌包裝和不含納米Ag的抗菌包裝對于雙鉤對蝦的抗菌效果，研究結果表明納米Ag微粒有助于減少微生物數量，延長對蝦的貨架期。KANMANI等[21]的研究結果證實含納米Ag的明膠納米抗菌膜對于食源性致病菌表現出很強的抗菌活性，能夠有效延長食品貨架期，保持食品質量安全，在活性食品包裝領域有很大應用前景。除較強的抗菌性外，納米Ag還可以吸收魚、肉類滲出的液體和水分，使其保持新鮮的外觀[22]。納米Ag對于膜的物理性能也有一定影響，LI等[23]將納米Ag及納米TiO2加入到聚交酯聚乳酸膜中，經檢測膜的抗拉強度和彈性系數略有降低，斷裂伸長率提高。納米Ag粒子也可用來抑制生物被膜的形成，許多研究已經表明其具備很強的抗生物被膜活性，但其中精密的作用機制尚待研究。銀改性光催化劑不僅可以作為增效抗菌劑，而且還能夠作用于對銀具有抗性的微生物，這種材料在有光和黑暗的條件下都具有抗細菌和抗病毒活性[24]。

殼聚糖與納米Ag復合成膜不僅增強膜的抗菌性還能增強金屬粒子的穩定性，殼聚糖-銀納米材料可以通過化學、熱力學、γ射線、紫外線、電化學方法制得。殼聚糖-銀納米抗菌材料的抗菌活性隨納米Ag微粒數量的增加而增強[25]。因此抗菌材料的納米級表面結構能夠吸附的納米Ag微粒的數量對其抗菌性能至關重要[26]。LATIF等[27]研究了固液2種形態的殼聚糖-銀納米抗菌劑的抗菌效果，結果表明抗菌劑為固態時，其直接與微生物接觸抗菌，而抗菌劑以液態形式作用時可以在瓊脂平板上分散開來因而表現出更強的抗菌能力。研究結果顯示，用檸檬酸鈉作為銀的還原劑制備殼聚糖-銀納米微粒比用其他還原劑表現出更強的抗菌能力。此外殼聚糖與纖維素的共價連接也能夠提高抗菌劑的抗菌性。

納米Ag對于食源性致病菌具有很強的抑菌活性，有研究顯示納米Ag抗菌膜的抗菌效率高達98%，即使膜浸泡在去離子水中7 d，這個比率仍不會下降，且納米Ag抗菌膜的作用機制是抑制細胞生物活性，對死細胞不產生作用[28]；但納米Ag作為抗菌劑也尚有一些不足，KERNBERGER-FISCHER等[29]研究了納米Ag對豬肉的保鮮抗菌作用，結果表明納米Ag對于豬肉上生長的細菌沒有明顯作用。且目前其安全性還不能得到保證，納米Ag會通過各類產品釋放而透過生物膜與蛋白質等大分子結合，還會引發生物細胞生成活性氧，產生細胞毒性，據研究，1.0 mg/L的納米Ag會產生明顯的細胞毒性。此外，納米Ag易聚合、Ag+釋放不易控制等缺點也限制了它的應用[25]。

3.2 納米ZnO

納米級的ZnO具有廣譜高效抗菌性及紫外吸收性能，在抑制微生物生長和抑制生物被膜形成方面具有巨大潛力，不同于納米Ag， 目前納米ZnO精確的抗菌機制尚不十分清楚[30]。一些研究已經證實ROS(活性氧簇，包括H2O2、 O2-、·OH等)的形成是其主要的抗菌機制[31]，其他抗菌機制也有報道如納米ZnO與細胞膜作用導致微生物表面的破壞[32]，其釋放的Zn+也具有抗菌性，隨溫度升高，納米鋅粒子的遷移率升高，微波處理也可以促進鋅粒子的遷移。一些因素會影響納米ZnO的抗菌活性如體積[33]、表面積、濃度、pH或其他抗菌劑的存在等。ZnO相對廉價且高效，對多種微生物都有抑制作用，包括致病菌如肺炎桿菌、李斯特菌，沙門氏菌 ，變異鏈球菌，乳桿菌，大腸桿菌，霉菌等，且對人體細胞無毒性。ZnO還被美國食品及藥物管理局列入GRAS(generally recognized as safe)材料，可作為食品添加劑使用，是納米抗菌劑中安全性相對較高的種類。許多研究已經證實納米ZnO對革蘭氏陽性菌的抗菌活性比革蘭氏陰性菌強，這可能是由于其細胞膜結構的不同。納米ZnO在水中性質不穩定，因此制造商會使用一些表面修飾劑來提高納米ZnO的穩定性。

納米ZnO被廣泛應用于多種商品如食品、紡織品、藥物中，可以醋酸鋅作為前體物質經共沉淀作用在有機溶劑或水中人工制備[34]，目前其商業化生產主要有兩種方法:機械化學加工和物理氣相合成[35]。OUN等[36]制備了以角叉膠為基質材料的功能性水凝膠及干膠膜，其中加入金屬納米粒子：ZnO、CuO及兩者的混合物，加入KCl作為交聯劑以增強凝膠的抗拉強度，納米粒子的加入會減弱角叉凝膠的透明度，降低膜的紫外光透過率，還會使角叉膠膜的溶脹率從2 980%增長到3 535%，研究表明含納米ZnO的角叉膠膜對食源性致病菌如大腸桿菌、李斯特菌等具有很強的抗菌能力。匡衡峰等[37]的研究表明納米ZnO能很好地融入殼聚糖基體中，能改善殼聚糖膜內部結晶，并能提高復合膜的抑菌圈效果，且低濃度復合膜抑菌圈效果更明顯。LI等[30]的研究顯示添加ZnO的聚亞安酯包裝膜具有顯著的抗菌性能，且相比單一聚亞安酯膜其抗摩擦能力和抗拉強度都有所增強。LI等[38]將納米ZnO加入低密度聚乙烯包裝中用于桃子的保鮮，實驗結果表明該包裝可以形成低O2，高CO2的氣體環境，有利于桃子的保鮮，同時增強其耐凍性。

3.3 納米TiO2

納米TiO2具有廣譜、高效的抗菌性和防紫外線、超親水親油、化學性質穩定等多種特性，其抑菌性能尤為顯著，是目前研究較為廣泛的無機納米粒子，此外，TiO2也已被美國食品和藥物管理局批準用于人類食物中并且混合在食物接觸材料中。1977年FRANK和BARD首次將TiO2用于含氰化物的水的純化，此后TiO2被廣泛應用，包括大氣和水污染的控制系統。

與其他納米抗菌劑相比，當被紫外線照射時，TiO2表現出很強的光催化氧化性。TiO2的光催化抗菌性是指它在暴露于近紫外區射線和長波紫外線時能促進活性氧簇(ROS)的形成，活性氧簇破壞細菌的細胞膜、DNA和其他大分子物質。摧毀細菌細胞有2個階段，第一個階段是氧化作用破壞細胞壁，單細胞仍能存活，隨著光催化作用的進行，TiO2粒子引發的氧化將會徹底殺死細胞 。動力學數據顯示細胞壁的破壞發生在20分鐘內，接著細胞膜和細胞內物質會被進一步破壞。納米TiO2還具有與光催化活性氧簇無關的抗菌機制，但這種機制還未被充分研究。微生物滅活受很多因素影響，如TiO2的濃度、微生物類型、光的強度和波長、羥基化作用強度、pH、溫度、氧容量、ROS的保留時間等。研究表明納米TiO2對于不同微生物的抗菌效率為大腸桿菌>綠膿桿菌>金黃色葡萄球菌>屎腸球菌>白色念珠菌，其抗菌效率的不同主要取決于細胞膜/壁的復雜度和強度。不同微生物對于光催化的敏感度不同：病毒>革蘭氏陰性菌>革蘭氏陽性菌>酵母>絲狀真菌。TiO2的光催化抗菌性具有很強的殺菌潛力，與金屬或金屬氧化物混合后可提高其可見光吸收率，從而提高在紫外光照射下的光催化活性。

在TiO2中加入Ag可顯著提高抗菌活性[39]。有研究表明溫度升高可以促進納米鈦粒子的遷移，更好地發揮其抗菌性。納米TiO2與殼聚糖進行復合還可具備雙效抗菌性；ZHANG等[7]在殼聚糖中加入納米TiO2微粒制備的殼聚糖-TiO2抗菌膜對于食源性致病菌表現出很強的抗菌活性，是具有廣闊前景的食品包裝材料。利用電子顯微鏡觀察到納米TiO2微粒可以均勻分散到殼聚糖基質中，納米TiO2可提高復合膜的親水性和機械性能，降低可見光透光率，復合膜可在12 h內殺滅所有大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌和黑曲霉。 XING等[40]研究了聚乙烯-TiO2納米抗菌膜的抗菌性能及物理性能，研究結果表明經過紫外光照射后抗菌膜的抗菌性能有一定提升，即紫外光照射60 min后可殺滅89.3%的大腸桿菌和95.2%的金黃色葡萄球菌，與純聚乙烯膜相比，納米TiO2的添加增強了膜的抗拉強度和延展率，其耐環境變化的能力也有所增強，水蒸氣透過率從18.1 g/(m2·24 h)增加到24.6 g/(m2·24 h) 。LI等[41]研究了納米TiO2改性低密度聚乙烯包裝對草莓采后質量和抗氧化能力的影響，結果表明其對草莓菜后質量和抗氧化活性的益處主要是由于ROS和抗氧化酶的作用。納米TiO2改性 LDPE 薄膜有利于保持草莓的貯藏品質，其作為草莓保鮮包裝具有潛在的應用前景[42]。同樣的包裝也可用于太平洋白蝦[43]、山核桃[44]等的保鮮，可保持其品質，延長貨架期。

3.4 納米MgO

納米MgO廉價易得，具備生物兼容性，是極具發展前景的抗菌劑。氧化鎂的光催化活性比納米TiO2弱得多，納米MgO不需要光照就可以有效的殺菌，且物理吸附作用強，不易變色。與納米ZnO類似，目前認為MgO表面的活性氧如超氧離子是其具備抗菌能力的主要因素之一[15]。也有研究認為MgO的抗菌機理是MgO極易水合，在表面形成Mg(OH)2，溶液中的溶解氧通過單電子還原反應生成活性氧離子(02-)，而02-在堿性環境中具有化學穩定性，高濃度的02-得以存在于MgO表面。因此，強氧化性的02-破壞細菌膜壁的肽鍵結構，從而殺滅細菌。納米MgO表面存在邊、角位置和其他的反應缺陷位置，從而具有高表面集中的反應“表面離子”，由于具有較高的表面反應活性，可以吸附鹵素形成納米MgO/X2加合物，在保持了鹵素高的化學和生物活性的同時，還具備了新的物理化學性能，并比氣體更加安全和便于貯存，可用以制備新復合材料。納米MgO與鹵素的加合物能迅速殺死、抑制細菌、霉菌、芽孢以及病毒。是由于加合物為正電勢，和負電勢的細菌電荷相反，造成納米粒子和鹵素的加合物與微生物細胞相互吸引，進而殺死細菌和芽孢。

以納米鎂化合物改性殼聚糖涂膜，能改善涂膜的力學性能和透O2、CO2性能，還可增強其抗菌性能。鎂化合物納米粉體表面的活性基團與殼聚糖作用，導致殼聚糖的FormⅠ晶型減少，FormⅡ晶型發生改變。添加 Mg2(OH)3Cl 納米片和納米 MgO 顆粒后，殼聚糖復合涂膜的力學性能增強，透濕性能減弱；然而由于MgO納米棒和MgO納米小球在涂膜中存在團聚現象，所以導致殼聚糖與納米粉體不能很好結合，涂膜內產生空隙甚至裂縫，涂膜機械性能下降及透濕性能增強。添加納米 MgO 顆粒對殼聚糖涂膜的透O2、CO2性能改良效果最佳[45]。

3.5 納米CaCO3

納米CaCO3具有價格低廉、無毒、無刺激性、色澤好、白度高等優點，其作為塑料填充超細級物質，在改變制品性能方面有特殊效果，因而在食品行業也有較為廣泛的應用。研究表明，將納米CaCO3助劑加入到殼聚糖保鮮膜中可顯著抑制多酚氧化酶和過氧化物酶的活性，延緩鮮切甘蔗[46]的褐變，延長其貨架期。納米CaCO3改性聚乙烯膜對2 ℃下楊梅果實貯藏品質和生理具有積極作用，相對于普通聚乙烯膜，更有利于在包裝袋內更快的形成低O2和高CO2的環境，保持楊梅果實品質[47]。徐曉玲等[48]用硬脂酸改性納米CaCO3，將其作為助劑添加到殼聚糖中，可延緩枇杷硬度和酸度的下降，減少34%的水分損失。

3.6 納米化山梨酸

山梨酸是一種雙重不飽和脂肪族直鏈單羧酸，是一種安全性較高的酸性防腐劑，廣泛應用于食品、飼料、醫藥、煙草及化妝品等行業。山梨酸常用于肉類食品的抗菌保鮮，納米化處理后可改善其物化性能，提高抗菌效率。納米山梨酸對于作用環境有一定的選擇性，在酸性條件下，山梨酸能夠很好地抑制霉菌、酵母菌以及好氧菌的生長，起到防腐作用；同時，納米山梨酸的抗菌機理不同于其他幾種抗菌劑，其雙烯鍵同食品中的微生物酶的琉基結合形成共價鍵，使琉基失去活力，從而抑制微生物的繁殖，達到對食品防腐保鮮的作用[49]。但山梨酸水溶性差，實際應用中一般將其制備成鉀鹽，以方便溶解及添加，真正具有抑菌作用的是未解離的山梨酸分子，這是在中性或弱堿性食品中添加山梨酸鉀不能發揮防腐保鮮作用的根本原因。為此，以食用山梨酸為原料，制備一種不依賴使用環境值、同時具有良好水溶性的納米化山梨酸乳劑具有重要的意義。武陶等[50]將山梨酸作為被包封活性物質，通過離子凝膠法制成山梨酸殼聚糖納米粒，用于肉品的保鮮，克服了山梨酸水溶性差的缺點，同時具備一定的緩釋特性，研究表明山梨酸納米防腐顆粒的最優制備工藝為殼聚糖質量濃度1 mg/mL、三聚磷酸鈉質量濃度0.5 mg/mL、交聯時間30 min、山梨酸質量濃度1 mg/mL，該條件下山梨酸顆粒平均粒徑為337.2 nm，包封率為74.3%。

4 結論與展望

納米科技在食品領域應用前景十分廣闊，將納米抗菌粒子用作食品抗菌劑加入到食品抗菌膜中可顯著提高抗菌膜的抗菌性能和某些機械性能如透光性、抗拉強度等。但納米抗菌劑的研究應用也存在一些挑戰，如安全問題，納米Ag和納米TiO2都具有一定程度的毒性，與食品的長時間接觸可能會對人體健康產生負面影響，如銀富集到較高濃度時對人體和哺乳動物有較大危害，會伴隨呼吸進入線粒體、胚胎以及肝臟和循環系統等；納米抗菌劑的某些抗菌機制也未被充分研究，如納米粒子如何與DNA、蛋白質等物質相互作用等。多種抗菌劑結合使用或與可降解的生物大分子物質如殼聚糖、纖維素等復合制備的多效抗菌膜成為當前研究熱點，納米抗菌劑的智能化應用也將成為進一步研究方向。