植物多酚-蛋白質復合抗菌膜研究進展

王啟明，唐瑜婉，楊雅軒，唐宇，李富華,2，趙吉春,2，明建,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(西南大學，食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

1 抗菌膜概述

1.1 抗菌包裝膜

抗菌包裝膜是膜基質與抗菌劑結合的活性包裝形式，在包裝薄膜中添加抗菌劑，達到食品抗菌、保鮮作用效果[5]。在諸多膜體系中，蛋白膜是重要的形式之一。近年來，加入抗菌劑的包裝膜在改進包裝食品的保存方面取得了顯著進展，抗菌膜允許抗菌劑遷移到膜表面，并在食物暴露期間，在其表面產生持續的抗菌效果(如圖1所示[6])。目前，蛋白復合抗菌膜在食品中的應用備受關注，成為研究熱點。KASHIRI等[7]以玉米醇溶蛋白膜作為香芹素和百里香酚的載體，發現該膜可用于巴氏消毒奶的保存。

A-包裝前噴涂/涂層;B-包裝后噴涂/涂層; C-并入包裝;D-包裝中的化學固定圖1 活性物質在抗菌包裝系統中的遷移[6]Fig.1 Migration of active substance in antimicrobial packing systems

1.2 蛋白膜的主要特點

根據蛋白質的來源，可以分為大豆分離蛋白膜、小麥面筋蛋白膜、乳清蛋白膜、玉米醇溶蛋白膜等，其特點及應用見表1。

表1 蛋白膜的特點及應用Table 1 The characteristics and applications of protein film

1.3 蛋白膜成膜機理及方式

1.3.1 成膜機理

蛋白膜一般是以蛋白質、多糖、脂質等為原料制備而成的，比多糖膜表現出更低的O2和CO2滲透率，機械性能也優于多糖基和脂肪基膜[16]。蛋白質的二級、三級和四級結構導致了分子在不同位置的各種相互作用，包括共價與非共價相互作用，如圖2所示[17]。

圖2 蛋白質與食品組分間相互作用示意圖[17]Fig.2 Schematic diagram of interactions between proteins and food ingredients

蛋白質的成膜機理比較復雜。在沒有多酚化合物存在的情況下，蛋白質成膜機制主要通過氫鍵和疏水相互作用以及S—S鍵來穩定[18]。多酚化合物存在時，可能包含多種途徑的交聯方式：(1)酚的二酚結構可被氧化成鄰醌，然后與另一醌反應形成二聚體；(2)鄰醌與肽的氨基側基反應，然后用第二個氨基進一步氧化以交聯相鄰鏈；(3)鄰醌可以與另一種鄰醌反應形成二聚體并將2條鏈連接在一起[18]。

影響蛋白膜成膜因素較多，主要有酸堿性條件、溫度和化學試劑等。這些因素會破壞蛋白質分子內亞基結構，打斷二硫鍵，使蛋白質分子伸展，暴露疏水基團，形成新的二硫鍵，影響分子間相互作用[19]。有研究表明，蛋白質膜液在堿性(pH 10)條件下，蛋白質分子伸展，蛋白質分子間產生SH/S—S反應，增強膜的交聯性；在等電點附近，蛋白質易沉降，難以成膜[20]。成膜過程中溫度的影響也較大，若干燥溫度過低，分子熱運動慢，不利于蛋白質分子空間結構展開，難以形成穩定薄膜；溫度過高，溶劑蒸發過快，蛋白質還未充分交聯反應就被固定下來，膜表面粗糙不均勻且脆性高[21]。此外，化學試劑(如增塑劑)可以增加蛋白質分子自由體積，促進聚合物鏈流動性，影響成膜性[22]。因此，蛋白質分子的適度變性是成膜的先決條件，強化分子間的作用力，適當的處理條件可使形成的膜網狀結構更為致密。

1.3.2 成膜方式

蛋白膜的成膜方式主要有2種：

隨著醫學技術的發展，鼻內窺鏡手術已經成為目前鼻科學領域治療慢性鼻竇炎鼻息肉的主要方法。如何選擇鼻腔填塞物也是該手術重要的技術組成部分。以往我院都使用凡士林油紗條進行鼻腔內填塞，雖然能起到壓迫止血作用，但卻存在頭痛、鼻腔脹痛、鼻腔不通氣和抽取時易出血等不足。2009年8月，我院鼻科采取PVF醫用海綿對部分鼻內鏡手術患者進行術腔填塞止血，效果顯著，現報道如下。

(1)溶液澆鑄成膜。根據蛋白質的分散性和溶解性，改變溶液pH使其遠離等電點，使蛋白質構象打開，然后將溶液傾注于平板中，在環境或熱風、微波等條件下干燥成膜。

(2)涂布或噴霧成膜。將果蔬浸漬在膜液中，取出后進行風干或自然晾干，即可在其表面形成一層保護膜，果蔬保鮮常用此種成膜方法。可將膜液噴霧于食品表面，干燥后即形成薄膜。

此外，還有自組裝成膜、擠壓成膜、靜電紡絲成膜、浸出成膜等方式，這些成膜方式的優缺點及應用見表2。

表2 蛋白膜不同成膜方式比較Table 2 The comparison of film forming methods of protein membrane

2 植物多酚-蛋白復合抗菌膜的性能

蛋白質與植物多酚可以通過非共價鍵和共價鍵相互作用，導致蛋白膜微觀結構形態變化，從而影響其理化性質，改善其性能[27]，主要表現以下幾個方面。

2.1 抗菌性能增強

蛋白膜的抗菌性能與植物多酚的釋放量密切相關，總的來說，釋放越多其抗菌性能越強[4]。測定類似于香芹酚的化合物(例如百里香酚)的抗微生物活性表明，羥基和離域電子系統的存在對抗微生物活性很重要，其抗菌活性與細胞膜中磷脂的攻擊有關，膜的流動性和質子及鉀離子泄漏，從而破壞細胞質膜及ATP合成，最終導致細胞死亡[28]。此外，植物多酚與蛋白質的結合力也會影響抗菌性能。研究發現，當茶多酚與玉米醇溶蛋白的氫鍵、疏水作用等較弱時，茶多酚更容易釋放，膜的抗菌性能更強[4]。蛋白膜結合植物多酚后，抑菌圈直徑顯著增大，對金黃色葡萄球菌抑菌效果顯著，結合百里香酚的大豆蛋白膜對新鮮牛肉餅的抗菌活性增強，在實際食品保藏中具有良好效果[29]。

2.2 抗氧化活性增強

植物多酚在中和自由基，淬滅單線態氧和分解過氧化物等方面起著重要作用[28]。植物多酚的側芳族官能團，增強蛋白質的靜電相互作用；同時，蛋白膜在溶液中的溶脹，增加了植物多酚的擴散系數，其抗氧化性增強[30]。研究發現，在制冷和有氧條件下4 d的儲存過程中，雞肉會變質，而添加槲皮素的蛋白膜，可抑制亞鐵(Fe2+)氧化成三價鐵(Fe3+)，延緩脂質氧化速率[31]。

2.3 機械性能增強

植物多酚化合物可以通過化學交聯方式與多個蛋白質位點反應并導致蛋白質之間的交聯，減少蛋白質聚合物的鏈間空間，增強蛋白膜的機械性能，特別是拉伸強度(tensile strength, TS)和斷裂伸長率(elongation at break, EAB)[18]。在添加葡萄籽原花青素和綠茶多酚的蛋白膜中，觀察到TS增加和EAB減少，表明植物多酚導致剛性薄膜具有較小的延展性[27]。這與FRIESEN等[18]的研究結果類似。在茶多酚處理過的明膠薄膜和添加了丁香提取物的明膠薄膜中，也報道了TS的增加，原因是多酚與蛋白質之間存在的疏水作用[32]。

此外，膜的機械性能受酚類化合物種類和濃度的影響[18]。研究發現，添加10～20 g/L沒食子酸的蛋白膜的EAB增加，而沒食子酸大于30 g/L時，EAB減少[33]。

2.4 阻隔性能增強

蛋白膜的阻隔性能是評價膜的重要指標之一，阻隔性能的優劣有助于延緩食品氧化變質，延長食品貨架壽命。研究表明，添加多酚可以增加蛋白膜的憎水片段和水分子阻力，使水蒸氣透過性(WVP)減少，透氣性、透油性降低，阻光性增強[8]。分散在蛋白膜中的多酚對光的散射作用使透明度下降，且多酚能插入薄膜中的脂質雙層中，影響生物系統中陰離子-脂質相互作用，阻止氧化劑運動，防止產品氧化或揮發性芳香化合物損失[34-35]。在添加蘆丁的大豆蛋白膜中WVP降低，可能是多酚化合物與大豆蛋白之間的相互作用導致更緊密的結構，鏈間空間減少，降低膜基質中水分子流動性并限制水通過膜遷移[18]。

2.5 微觀結構改變

蛋白膜微觀結構的改變會直接影響其性能和應用。通過SEM顯微照片觀察膜的表面和橫截面，用30 g/L咖啡酸處理的蛋白膜表面比對照膜平滑，且沒有發現裂紋，而對照膜的裂紋明顯；對于橫截面，在用3%咖啡酸處理的膜中觀察到更有序的基質，不存在不規則形態[36]。使用阿魏酸和縮合單寧來交聯基于明膠薄膜，通過SEM分析發現，加入阿魏酸和單寧后，明膠膜失去原纖維取向，自由體積明顯減少，觀察到明膠鏈沿變形方向的排列增加，層的厚度以及層間空間減小，交聯的復合膜通過酰胺鍵和酯鍵形成網狀結構，可以推測其具有疏水鍵，氫鍵或酯化作用[37]。

2.6 其他性質改變

植物多酚的添加對蛋白膜的厚度、色澤等也會產生影響。通常，植物多酚的添加會使膜的厚度有所增加，均與ASTM提供的薄膜定義中的推薦厚度(<0.25 mm)一致[38]。對于蛋白膜的色澤，研究發現，當多酚釋放時，賦予食品顏色，可能會影響薄膜亮度和食品的感官特性[39]。因此，植物多酚的選擇決定膜的性質。

3 植物多酚-蛋白抗菌膜的應用

目前，植物多酚-蛋白抗菌膜的應用越來越廣泛。由于含植物多酚的蛋白抗菌膜可以有效阻隔食品與微生物接觸，同時可以調節食品包裝內微環境，延長食品的保質期，主要應用于果蔬保鮮與加工[40]。此外，蛋白膜還可以為其他組分提供受控遞送[41]。

3.1 果蔬保鮮

植物多酚能抑制細菌活性，減少果蔬貯藏過程中的失水、軟化等[34]。將成膜溶液涂抹或噴霧在果蔬上，能降低WVP，抑制呼吸作用，緩解水分流失，對黃瓜營養物質的保持時間延長至12 d，還能抑制圣女果淀粉降解和果膠質轉化，減緩軟化速度，在維持果蔬食用品質等方面具有發展前景[8-9]。

3.2 食品加工

在加工過程中，食品易被微生物污染[40]。對于肉制品，向蛋白膜中加入槲皮素、茶多酚、百里香酚等，可提高雞肉片、冷卻豬肉的抗氧化和抗菌能力，鮮牛肉浸漬在成膜溶液中1 min，0～4 ℃下貯存35 d，仍有效地保持感官品質[42-44]；對于海鮮產品，GMEZ-ESTACA等[45]將添加了丁香和百里香的蛋白膜應用在魚貨保存上，發現乳酸菌的生長維持穩定狀態，表明復合膜在海鮮產品的保存上具備可行性；對于油炸食品，預先在表面涂抹適當成膜材料，能有效降低食品的吸油率[46]；對于含油原料(如巧克力花生醬)，油脂發生遷移導致外層的巧克力變軟發黏和“反霜”，而多酚-蛋白膜分子間存在大量二硫鍵，鍵合作用較強，且分子間空穴很小，具有優良的隔氧和阻油性，可防止揮發性成分的擴散[47]。因此，復合膜在食品加工上具有潛在的應用價值。

3.3 藥物載體

目前，蛋白膜作為多種藥物控制遞送的載體已被用于制藥行業[41]。研究表明，將姜黃素和甾醇并入高粱醇溶蛋白納米顆粒膜中，可以提高口服型藥劑的穩定性[42, 48-49]，氫鍵、靜電吸引和疏水相互作用被認為是顆粒制劑和姜黃素包封的主要驅動力[23]。百里香酚添加到明膠膜中，用于傷口敷料，利用其抗氧化及抗菌性，加速傷口愈合[28]。植物多酚-蛋白抗菌膜在藥物傳遞中具有較大負載面積、易制備、較好的組織黏性等優點，但也存在載藥量和載藥效率較低及藥物爆發性釋放等問題[41]。因此，植物多酚-蛋白抗菌膜在藥物載體系統中的應用有待深入研究。

4 展望

含植物多酚的蛋白抗菌膜是非常有前途的一種新型包裝形式，由于其在延長食品貨架期上的顯著效能，有必要將其應用范圍拓寬到食品包裝的各個領域。但目前，蛋白膜的應用還受到諸多條件的限制，某些植物多酚具有強烈的氣味和鮮艷的顏色，添加到蛋白膜中用來包裝食品時，氣味和顏色會擴散到食品中，影響食品品質。同時，蛋白膜作為載體時，植物多酚的穩定性、緩釋速度等與抑菌效果密不可分，其變化規律和變化機理尚不完全清楚。因此，復合膜分子間的相互作用等問題有待進一步探討。

隨著微膠囊技術、納米技術的逐漸成熟，將植物多酚以微膠囊的形式加入到蛋白膜中，為控制抗菌效果的研究提供了一種新思路。由于植物多酚-蛋白抗菌膜在食品和醫藥工業生產中具有很高的應用價值，人們必將對蛋白膜中多酚釋放的動態變化規律、抑菌機理等的研究會越來越深入。因此，微膠囊技術、納米技術在植物多酚緩釋控制上的應用將是多酚-蛋白抗菌膜未來研究的重點。