李秋瑩,張東棟,王司雯,鐘克利,2,徐永霞,李穎暢,孫 彤,*,勵建榮,*
(1.渤海大學食品科學與工程學院,生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧 錦州 121013;2.渤海大學化學化工學院,遼寧 錦州 121013)
隨著消費者對食品包裝材料和添加劑安全性的要求越來越高,在食品保鮮過程中,應用安全、無毒的天然化合物已成為趨勢。基于天然大分子物質制備的可食性涂膜因其安全、高效、易降解等優點被廣泛用于改善各類食品的貯藏,成為食品保鮮方法中的研究熱點[1]。殼聚糖作為具有良好生物相容性、抑菌性等優良特性的天然多糖,常用于制備可食性涂膜[2]。普魯蘭多糖作為一種水溶性的微生物多糖,可食無毒、易降解、成膜性佳,也被廣泛應用于水果、蔬菜涂膜保鮮[3]。但是,單一殼聚糖涂膜存在透濕性大、膜機械性能差等不足[4];單一普魯蘭多糖涂膜雖有良好的阻氣性,但柔軟性差,涂膜既脆又硬,且成本較高[3]。研究表明通過幾種多糖共混制備復合涂膜能有效彌補單一多糖涂膜存在的不足。吳佳[3]的研究發現,將普魯蘭多糖和殼聚糖共混制備的復合涂膜有效改善了普魯蘭多糖的機械性能及阻氧性,其拉伸強度比普魯蘭多糖膜提高了29.2%。
可食性涂膜可整合不同的活性物質,如天然抗氧化劑和抗菌劑等,提高涂膜的功能特性[1]。王思夢等[5]研究殼聚糖涂膜、殼聚糖和茶多酚復合涂膜對葡萄的保鮮效果,發現復合涂膜保鮮效果顯著優于殼聚糖涂膜。溶菌酶是一種天然抗菌蛋白,常用于食品防腐,其可攻擊細菌細胞壁中肽聚糖層N-乙酰基己糖胺基團之間的β-1,4-糖苷鍵,從而導致細胞裂解死亡,對革蘭氏陽性菌抑菌效果較好[6]。ε-聚賴氨酸鹽酸鹽是一種營養型抑菌劑,其安全性高,對革蘭氏陰性菌抑制效果較好[7]。溶菌酶和ε-聚賴氨酸鹽酸鹽均為在我國被批準使用的食品添加劑。目前,在涂膜中整合這兩種天然抑菌劑而提高復合涂膜理化性能和抑菌性能的研究較少。
本研究制備殼聚糖和普魯蘭多糖復合涂膜,并添加溶菌酶和ε-聚賴氨酸鹽酸鹽兩種天然抗菌劑,以改善復合涂膜的理化特性和抑菌特性。比較分析不同添加量的溶菌酶和ε-聚賴氨酸鹽酸鹽對涂膜性能的影響,確定溶菌酶和ε-聚賴氨酸鹽酸鹽最佳添加量。分析復合涂膜的透光性(透光度)、透水性(水蒸氣透過率)、透氣性(氧氣透過率、二氧化碳透過率)及力學性能(拉伸強度、斷裂伸長率)等指標。以水產優勢腐敗菌熒光假單胞菌為對象,結合細菌微觀形態研究復合涂膜的抑菌作用及機理,為其進一步應用提供理論依據。
熒光假單胞菌為實驗室分離的菌株,于-80 ℃保藏。殼聚糖(脫乙酰度大于95%)、普魯蘭多糖上海阿拉丁生化科技股份有限公司;溶菌酶 美國Sigma Aldrich公司;ε-聚賴氨酸鹽酸鹽 浙江新銀象生物工程有限公司;LB營養肉湯、LB營養瓊脂培養基青島高科園海博生物技術有限公司;堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,AKP)測定試劑盒 南京建成生物工程研究所;十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)相關試劑 北京索萊寶科技有限公司;冰乙酸、丙三醇、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉等均為國產分析純。
MLS-3030CH立式高壓蒸汽滅菌鍋 日本三洋有限公司;LRH-150生化培養箱 上海恒科技有限公司;THZ-D臺式恒溫振蕩箱 太倉市實驗設備廠;ZD-9556脫色搖床 常州市凱航儀器有限公司;CS 150 GX3超速離心機、S-4800型場發射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM) 日本日立公司;Victor X3酶標儀 新加坡珀金埃爾默儀器有限公司;GS-800拍照系統 美國Bio-Rad公司;FA2104C電子天平 上海越平科學儀器有限公司;SCIENTA-IID超聲波細胞粉碎器寧波新芝生物科技股份有限公司;TA.XT Plus型質構儀英國Stable Micro Systems公司。
1.3.1 涂膜的制備
將一定量的殼聚糖溶解于體積分數1%冰醋酸,使其終質量濃度達到15 g/L,55 ℃下置于磁力攪拌器中,待殼聚糖充分溶解后,向溶液中加入普魯蘭多糖,使其終質量濃度為20 g/L,充分溶解,得到殼聚糖-普魯蘭多糖(CS-PUL)涂膜溶液。在CS-PUL溶液中添加0.6 mg/mL ε-聚賴氨酸鹽酸鹽和不同量溶菌酶(約70 000 U/mg)(0、1、3、5、7、9 mg/mL),以及在CS-PUL溶液中添加3 mg/mL溶菌酶和不同量ε-聚賴氨酸鹽酸鹽(0、0.6、1.2、1.8、2.4、3.0 mg/mL),得到不同的含抑菌劑的CS-PUL復合涂膜液(CS-PUL-A)。在涂膜液中添加體積分數0.3%甘油以提高成膜性。攪拌均勻后將上述溶液于224 W超聲脫氣15 min,靜置備用。
分別取40 mL涂膜液在20 cm×20 cm亞克力板上流延成膜,放置于30 ℃鼓風干燥箱干燥12 h,揭膜得到CS-PUL膜和一系列CS-PUL-A膜。
1.3.2 涂膜理化性能測定
1.3.2.1 水蒸氣透過率
參考郝晗[8]的方法,測定涂膜的水蒸氣透過率。
1.3.2.2 力學性能的測定
參考郝晗[8]的方法,選用TA.XT Plus型質構儀進行涂膜的拉伸強度和斷裂伸長率的測定。
1.3.2.3 透光性的測定
參考郝晗[8]的方法,將涂膜均修剪為比色皿大小,貼于比色皿器壁上,在450 nm波長處測定涂膜的透光率,并記錄數據。透光性為透光率和膜厚度的乘積。
1.3.2.4 透氣性測定
參考郝晗[8]的方法,進行涂膜氧氣透過率和二氧化碳透過率的測定。
1.3.3 涂膜抑菌性能研究
1.3.3.1 涂膜抑菌活性測定
參考Son[9]和Huang Weijuan[10]等的方法,采用搖瓶法測定復合膜對熒光假單胞菌的抑制活性。將膜隨機切割成直徑為6 mm的圓片,并在紫外線照射下滅菌30 min。將已培養的熒光假單胞菌的菌懸液經LB肉湯培養基稀釋至約106~107CFU/mL。隨后,隨機選取一圓片浸入2 mL菌懸液中,然后置于28 ℃振蕩培養(161 r/min)。另外,未加膜片的空白組2 mL菌懸液在相同的條件下培養。在培養至0、12、24、36 h和48 h分別取樣進行活菌菌落計數。菌落計數通過平板計數法[11]測定。
1.3.3.2 細胞膜完整性測定
取一定量已培養的熒光假單胞菌的菌懸液,3 000 r/min離心10 min,棄上清液。用0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline,PBS)(pH 7.4)清洗菌體2 次,再用PBS稀釋,使菌懸液OD260nm為0.5。向10 mL稀釋后的菌懸液中加入5 片切割好的1.3.3.1節膜圓片,置于28 ℃振蕩培養(161 r/min)。未加膜的空白組菌懸液在相同條件下培養。每30 min取一定量的菌懸液,經0.22 μm濾膜過濾后,應用酶標儀測定濾液在260 nm波長處OD值,至出現平衡值為止。
1.3.3.3 菌懸液電導率測定
樣品的處理同1.3.3.2節。各組樣品相同條件下培養后,每間隔10 min采用電導率儀測定電導率,直至達到平衡值。
1.3.3.4 細菌AKP活力測定
樣品的處理同1.3.3.1節。在28 ℃振蕩培養12 h后,于3 000 r/min下離心10 min,用無菌生理鹽水沖洗菌體兩次,后用無菌生理鹽水調節菌懸液濃度為106~107CFU/mL。然后將菌懸液置于超聲粉碎器中在200 W條件下進行超聲處理,每次5 s,處理2 min,備用。用考馬斯亮藍顯色試劑盒測定菌懸液的蛋白質量濃度。AKP活力測定按AKP測定試劑盒說明書進行。
1.3.3.5 SDS-PAGE分析
細菌蛋白質的SDS-PAGE按照Li Yingqiu等[12]的方法進行,并稍作修改。樣品的處理同1.3.3.1節。在28 ℃下振蕩培養24 h后,在4 ℃下5 000 r/min離心10 min,用0.1 mol/L PBS(pH 7.4)清洗菌體2 次,收集菌體重懸于PBS(pH 7.4)中,將細菌懸液與樣品稀釋緩沖液按體積比1∶1混合,沸水煮5~10 min,冷卻至室溫,離心數秒后,混勻,再離心30 s,取上清液上樣,用質量分數5%濃縮膠和質量分數12%分離膠進行SDS-PAGE。凝膠用考馬斯亮藍染色液染色5 h,脫色2 h。采用凝膠成像系統成像。
1.3.3.6 細菌微觀形態觀察
參考Kockro[13]和Bajpai[14]等的方法進行SEM觀察。樣品的處理同1.3.3.2節,28 ℃振蕩培養殺菌12 h。3 000 r/min離心10 min,去上清液,加入無菌水離心清洗2 次。取10 mL戊二醛(體積分數2.5%),與菌體混勻,固定處理2 h。用無菌水離心清洗2 次后,然后使細胞在梯度乙醇溶液(體積分數分別為50%、70%、80%、90%、100%)中脫水。取適量菌懸液于蓋玻片,37 ℃干燥72 h。將菌體噴金處理,采用S-4800型場發射SEM對菌體微觀形貌進行觀察。
實驗所有數據均為重復3 次獨立實驗所得數值的平均值。用SPSS 19.0軟件進行統計學分析。計算平均值和標準偏差,并應用Duncan’s多范圍測試。使用Origin 8.5軟件作圖,并使用回歸分析確定5%置信區間的顯著差異(P<0.05)。
涂膜中添加一定量的抑菌劑能有效提高抑菌性能,但也會影響涂膜的理化性能。由表1可知,隨著溶菌酶添加量的增多,復合涂膜的透光性、透氣性及斷裂伸長率均降低,拉伸強度增加。溶菌酶結構中的胺基[15]可能與殼聚糖、普魯蘭多糖分子中的羥基分子間存在氫鍵相互作用形成網狀結構,使膜內分子結合更加緊密,增強復合涂膜機械性能和阻氣性能;透光性是兩種物質相容性優劣的體現[16],可能隨著溶菌酶含量的增加,溶菌酶分子不能充分地與多糖基質之間形成分子間作用力,分子相容性變差,造成復合涂膜透光性降低。阻隔性(阻氣性和阻水性)是指能夠延緩食品與外界環境的氣體交換和水分轉移的能力,涂膜擁有較強的阻隔性,可以有效防止食品氧化及腐敗變質[17]。溶菌酶添加量為3 mg/mL時涂膜透水性最小,同時具有相對較低的氧氣和二氧化碳透過性,說明添加3 mg/mL溶菌酶可有效提高復合涂膜的阻隔性。拉伸強度是反映膜強度的指標,斷裂伸長率是反映膜韌性的指標[18]。溶菌酶添加量為0~3 mg/mL時,隨著添加量的增加,涂膜拉伸強度呈顯著上升趨勢;而斷裂伸長率呈下降趨勢,且各溶菌酶添加量差異不顯著。添加量增加到3~9 mg/mL時,溶菌酶的增加對涂膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響無明顯差異。因此,當溶菌酶添加量為3 mg/mL時,涂膜有較好的機械性能。

表1 溶菌酶添加量對復合涂膜理化性能的影響Table 1 Effect of lysozyme addition on physicochemical properties of composite coatings

表2 ε-聚賴氨酸鹽酸鹽添加量對復合涂膜理化性能的影響Table 2 Effect of ε-polylysine hydrochloride addition on physicochemical properties of composite coatings
由表2可知,隨著ε-聚賴氨酸鹽酸鹽添加量的增加,以添加量1.2 mg/mL為轉折點,復合涂膜的透水性、透氣性、透光性和拉伸強度均為先上升后下降的趨勢,而斷裂伸長率呈相反趨勢。ε-聚賴氨酸鹽酸鹽添加量為1.2 mg/mL時,復合涂膜拉伸強度最大,但其具有最大透氣性、透水性和透光性,涂膜性能較差。添加量達到1.8 mg/mL時,涂膜透水性最低,透氣性較低,阻隔性較好,且具有相對較高的拉伸強度,各項性能都比較優良。因此,綜合分析各項性能指標,在復合涂膜中溶菌酶、ε-聚賴氨酸鹽酸鹽的添加量分別以3 mg/mL和1.8 mg/mL為宜。
表3比較了CS-PUL涂膜與CS-PUL-A涂膜(溶菌酶添加量3 mg/mL、ε-聚賴氨酸鹽酸鹽添加量1.8 mg/mL)的理化性能。CS-PUL涂膜與添加了抑菌劑的CS-PUL-A涂膜拉伸強度無顯著性差異,而CS-PUL-A涂膜斷裂伸長率幾乎為CS-PUL涂膜的2 倍,表明添加抑菌劑增加了復合涂膜的韌性。可能是因為溶菌酶和ε-聚賴氨酸鹽酸鹽溶液中的胺基與多糖分子之間存在相互作用形成網狀結構,使膜內分子結合更加緊密。CS-PUL-A涂膜氧氣透過率顯著低于CS-PUL涂膜(P<0.05),而二氧化碳透過率差異不顯著,表明添加抑菌劑后涂膜的阻氣性能有所提高,這可能是因為分子之間的相互作用使得復合膜的結構比較緊密,從而降低了氧氣的透過率。水蒸氣透過率是反映透濕性能的指標,水蒸氣透過率越小則阻水性越強[18]。CS-PUL-A涂膜的水蒸氣透過率顯著低于CS-PUL涂膜,擁有更強的阻水能力。兩種涂膜的透光率無顯著性差異。綜合各指標來看,加入3 mg/mL溶菌酶和1.8 mg/mL ε-聚賴氨酸鹽酸鹽能有效地改善殼聚糖和普魯蘭多糖復合涂膜的理化性能。Li Xiang等[19]通過將溶菌酶-累托石加入殼聚糖膜中,分析溶菌酶對殼聚糖涂膜的理化性能的影響,結果表明溶菌酶的加入可有效改善殼聚糖涂膜的理化性能。湯秋冶等[20]將ε-聚賴氨酸加入海藻酸鈉涂膜中,發現復合膜分子之間形成了強烈的相互作用,其力學性能得到明顯改善。

表3 復合涂膜的理化性能Table 3 Physicochemical properties of composite coatings
2.3.1 復合涂膜對熒光假單胞菌的抑制作用
為研究復合涂膜對熒光假單胞菌的抑制作用,比較了空白組、CS-PUL和CS-PUL-A處理組熒光假單胞菌隨時間變化生長情況。由圖1可以看出,整個培養期,空白組和CS-PUL處理組的熒光假單胞菌數呈逐漸增長趨勢,但CS-PUL處理組細菌數量增長更緩慢并且顯著低于空白組。可能是殼聚糖的正電荷與細胞表面大分子帶負電荷的殘基反應,改變了細胞膜的滲透性,導致細菌細胞死亡所致[21]。CS-PUL-A處理組細菌數量呈先降低后增長的趨勢。在12 h,僅有CS-PUL-A處理組比0 h初始細菌數量低,表明在此階段CS-PUL-A涂膜的處理導致熒光假單胞菌死亡。在12 h之后,雖然CS-PUL-A處理組細菌數量逐漸增加,但一直顯著低于空白組和CS-PUL處理組,表現出較強的抑制熒光假單胞菌生長的能力。研究結果表明ε-聚賴氨酸鹽酸鹽和溶菌酶的加入顯著增強了涂膜抑菌性能。ε-聚賴氨酸鹽酸鹽是陽離子表面活性物質,分子中的氨基在溶液中帶正電[20],ε-聚賴氨酸鹽酸鹽的加入可能與殼聚糖產生協同抑菌作用,增加了涂膜的抑菌性。Park等[22]的研究表明在殼聚糖膜基質中加入溶菌酶可以提高殼聚糖的抑菌活性。當細菌的外膜被殼聚糖破壞時,溶菌酶可有效對抗革蘭氏陰性細菌。

圖1 復合涂膜處理對熒光假單胞菌生長的影響Fig. 1 Effect of composite coatings on growth of Pseudomonas fluorescens
2.3.2 涂膜處理對熒光假單胞菌細胞膜完整性的影響

圖2 復合涂膜處理的熒光假單胞菌的核酸釋放Fig. 2 Release of nucleic acids from Pseudomonas fluorescens treated with composite coatings
細胞膜的完整性是細菌生長繁殖的關鍵因素之一,若細胞膜完整性被破壞,胞內核酸等大分子物質會發生流失。檢測菌懸液在260 nm的OD值變化可反映從細胞質中釋放出來的核苷酸量,進而評價細胞膜的完整性[23-24]。圖2顯示了不同處理組菌懸液在260 nm波長處的OD值隨時間的變化情況。隨著時間的延長,各組的OD260nm逐漸增加。其中,涂膜處理組OD260nm明顯大于空白組,表明涂膜處理使熒光假單胞菌的核酸泄漏到胞外環境中,推測涂膜處理可能破壞了熒光假單胞菌細胞膜的完整性。并且,CS-PUL-A處理組的OD260nm一直大于CS-PUL處理組,表明添加抑菌劑增加了涂膜對細胞膜完整性的破壞。這與藍蔚青等[25]的研究結果比較一致,其基于殼聚糖、溶菌酶和茶多酚制備復合保鮮劑,觀察到復合保鮮劑處理組OD260nm明顯大于空白組。
2.3.3 涂膜處理對熒光假單胞菌細胞膜通透性的影響
細菌細胞質膜是K+、Ca2+、Na+等小分子離子的滲透屏障,這是由膜的結構和化學組成來維持和控制的[26]。維持離子穩態對于維持細胞的能量狀態非常重要,因此,即使細胞膜的結構有相對較小的變化也會影響細胞代謝并導致細菌死亡[27]。通過測定熒光假單胞菌的電導率可分析涂膜處理對細菌細胞膜通透性的影響。圖3顯示了不同處理組熒光假單胞菌電導率隨其培養時間的變化情況。在0~90 min期間,CS-PUL-A、CS-PUL處理組熒光假單胞菌菌懸液電導率從21.5 mS/cm分別迅速增至24.0、23.7 mS/cm,而空白組電導率增加較少,維持在22.4~22.7 mS/cm,90 min后,各組樣品導電率趨于穩定。涂膜組電導率增加意味著涂膜處理影響了細菌細胞膜滲透屏障作用,使細胞內電解質泄漏,而過多電解質的流失最終會導致細菌的死亡。溶菌酶、ε-聚賴氨酸鹽酸鹽添加至涂膜后電導率增加更為顯著,表明抑菌物質的添加加速了胞內電解質的流失[26],而這可能是由于抑菌劑增強對細菌細胞內外膜的破壞造成的。

圖3 復合涂膜處理的熒光假單胞菌懸液的電導率Fig. 3 Electric conductivity of Pseudomonas fluorescens suspension treated with composite coatings
2.3.4 涂膜處理對熒光假單胞菌AKP活性的影響

圖4 復合涂膜處理的熒光假單胞菌的AKP活力Fig. 4 Alkaline phosphatase activity of Pseudomonas fluorescens suspension treated with composite coatings
AKP通過對底物的去磷酸化作用廣泛參與細胞的代謝,是細菌生長繁殖的關鍵因素之一[28-29]。圖4比較了不同處理組熒光假單胞菌培養12 h后AKP活力,涂膜處理12 h時,熒光假單胞菌的AKP活力顯著低于空白組,表明涂膜處理可能抑制了AKP的活性。而添加抑菌劑的CS-PUL-A組AKP活力最低,表明抑菌劑增加了涂膜對AKP的活性抑制作用。可能是因為溶菌酶和ε-聚賴氨酸鹽酸鹽增大對細菌細胞壁和細胞膜的破壞后,影響了位于細胞壁和細胞膜上的AKP活性。這與儀淑敏[30]的研究結果比較一致,其發現茶多酚可以使銅綠假單胞菌細胞膜通透性增加、AKP活性降低。
2.3.5 涂膜處理對熒光假單胞菌蛋白表達模式的影響
圖5為涂膜處理組和空白組的熒光假單胞菌培養24 h后的蛋白質SDS-PAGE譜圖,泳道1~4分別為蛋白Marker、空白組、CS-PUL組、CS-PUL-A組。涂膜處理組,特別是CS-PUL-A組與空白組的蛋白譜圖存在明顯差異。空白組蛋白條帶更加清晰,泳道中有15 條條帶,其中9 條較清晰(R1、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R15)。CS-PUL處理組在31.0~15.0 kDa處條帶消失。CS-PUL-A處理組的條帶中僅有R1、R3、R7(分別約為99.0、70.0、42.0 kDa)3 條較清晰的條帶。研究結果表明涂膜對熒光假單胞菌蛋白質有顯著的影響,特別是分子質量小于42.0 kDa的蛋白質,而抑菌劑添加后也影響了大分子質量蛋白。在Ye Ruosong等[31]的研究中發現,ε-聚賴氨酸可與DNA結合,進而會影響細菌蛋白質的合成。類似的,Li Yingqiu等[12]發現經ε-聚賴氨酸處理的金黃色葡萄球菌蛋白譜圖在約10.5、14.4 kDa處條帶消失。蛋白質條帶消失的原因可能是細菌蛋白質受到破壞或其合成受到干擾。

圖5 復合涂膜處理的熒光假單胞菌蛋白SDS-PAGE圖譜Fig. 5 SDS-PAGE of proteins from Pseudomonas fluorescens treated with composite coatings
2.3.6 涂膜處理對熒光假單胞菌細胞微觀形貌的影響
如圖6所示,未經處理的熒光假單胞菌細胞顯示典型的桿狀形態,菌體飽滿、完整,形狀規則,鞭毛清晰可見;CS-PUL處理后,細菌細胞表現出不規則的變形、皺縮,菌體表面變得粗糙,部分細胞破裂;CS-PUL-A涂膜處理的細菌顯示出更嚴重的變形及細胞破裂,這可能會導致細胞內物質的泄漏,造成菌體死亡。抑菌劑的添加能明顯增強復合涂膜對熒光假單胞菌細胞的破壞。通過SEM觀察所得結果與上述復合涂膜對熒光假單胞菌的抑制作用及對細菌細胞膜完整性影響的結果一致。藍蔚青等[21]用復合生物保鮮劑處理熒光假單胞菌,得到與本研究類似的結果。

圖6 復合涂膜處理的熒光假單胞菌細胞微觀形貌的變化Fig. 6 Changes in micromorphology of Pseudomonas fluorescens treated with composite coatings
溶菌酶與ε-聚賴氨酸鹽酸鹽的添加影響了殼聚糖-普魯蘭多糖復合涂膜的理化性質。根據各項性能指標綜合分析,復合涂膜中溶菌酶、ε-聚賴氨酸鹽酸鹽的添加量分別為3 mg/mL和1.8 mg/mL時得到的復合涂膜較未添加抑菌劑的涂膜具有更優的理化性能,以及更強的抑菌性能。溶菌酶與ε-聚賴氨酸鹽酸鹽的添加提高了殼聚糖-普魯蘭多糖涂膜對熒光假單胞菌的抑制,并且通過增強對熒光假單胞菌細胞膜完整性的破壞,使細胞膜的通透性增加,細胞內核酸、離子等成分泄漏,增強對細胞蛋白質及蛋白質合成的破壞或抑制作用,最終抑制熒光假單胞菌的生長。