可食性抗菌膜研究进展

成淑君，余 倩，刘 悦

（仲恺农业工程学院 轻工食品学院，广东广州 510225）

0 引言

食品在贮藏过程中会发生大量的物理、化学反应和微生物污染。由于环境或加工因素（暴露于光、湿度、温度等），食物中蛋白质、脂质、碳水化合物和水等营养成分逐渐流失，并会发生腐败变质。食品的腐败变质是一个复杂的生物化学反应过程，涉及食品内酶的作用、污染微生物的生长和代谢，但主要是微生物的作用。食品的腐败变质通常伴随着发黏、变酸和变臭；发黏这一现象通常在以碳水化合物为主的食品发生较多，变酸在碳水化合物和乳制品中较为常见，变臭是由于蛋白质类被腐败菌类利用分解产生有机胺、氨气、硫化氢等，他们都会产生一系列的刺鼻气味[1]。变质的食物会对人体产生很多危害，一些粮食作物会被霉菌污染，这些霉菌会在生长的时候产生毒素，会让人引起不良反应或中毒甚至死亡，可见食物腐败变质对人体健康危害较大。

合适的包装可以减缓恶化速度，从而延长食物的保质期。以往食品包装较多都是采用一些化学合成的塑料制品，具有很好的机械性能，能够满足人们日常生活的需要，且价格便宜，因此在市面上大量使用。但这些塑料制品很难降解，会对生态环境造成严重损失。为了让这一问题得到改善，可以采取一些可食性的物质来替代这些塑料包装，可食性物质具有无毒、无害、易降解的特点。传统上的食品包装材料会倾向于选择避免与食物发生反应。然而，近年来，各种各样的包装和方法已被用于与食物互动，以提供理想的效果，它是通过改变食品包装的环境条件，通过包装材料作为传送活性物质的载体，控释和缓释抗菌剂、抗氧化剂和酶类等活性物质，让其于食物表面直接接触，调控活性物质的释放速率，达到抑制微生物的生长或阻止食品环境因素导致腐败，使食品的货架寿命的延长、产品的安全性得到改善[2]。

1 薄膜的分类

在抗菌膜中，膜是抗菌物质的载体，根据可食性膜的成膜物质，可以把膜分成三大类：胶体、脂类和复合材料。胶体包括蛋白质和多糖，如淀粉、海藻酸、纤维素衍生物、壳聚糖和琼脂；脂类包括蜡、酰基甘油和脂肪酸；复合材料包含水胶体成分和脂质。胶片或涂层材料的选择在很大程度上取决于其所需要的功能，并与他们的功能相适应。

1.1 胶体类薄膜

胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，这是一种高度分散的多相不均匀体系，可以稳定存在，并且颗粒以一种有序的结构包装，在成膜过程中与干燥方向一致[3]。

1.1.1 蛋白质膜

目前常用于蛋白质膜制备上的是植物蛋白,如大豆蛋白质、花生蛋白和葵花蛋白分离物，其次是酪蛋白、乳清蛋白、玉米醇溶蛋白及小麦谷蛋白黏胶质等和其他蛋白，还有卵白蛋白和鱼肌肉蛋白等[4]。蛋白质成膜机理是在加热过程中蛋白质与蛋白质之间相互作用，形成一种蛋白质膜的网状结构，在膜的网络结构中主要共价键是二硫键、氢键和疏水键。这些键的形成需要经过加热，因为加热使蛋白质的三维结构发生了改变，让疏水基团和疏水的侧链暴露了出来。在干燥的过程中，水分开始向外迁移，分子之间形成新的二硫键，从而形成具有稳定网络结构的蛋白膜，强度取决于二硫键和疏水相互作用的强弱[5]。翁武银等人[6]采用鱼皮明胶制蛋白膜时发现，当水分活度小于0.33时，胶蛋白膜在常温下可以处于玻璃态，机械性质能够保持稳定；水分活度超过0.44后，膜的玻璃化转变温度起始点低于25℃，膜的断裂伸长率上升，拉伸强度出现显著下降。当水分活度达到0.92时，膜甚至开始溶解变成溶胶。对于鱼皮明胶蛋白膜的改性，发现戊二醛的添加会使明胶分子发生交联反应，反应更易在高分子成分之间发生[7]。

1.1.2 淀粉类薄膜

淀粉是一种价格低廉、亲水性良好的生物可降解的一种膜材料。淀粉的成膜性能主要由物料体系中淀粉所占的比例和直链淀粉的含量决定。对天然淀粉进行化学改性（如酯化、交联等）可以提高淀粉的成膜性、改善淀粉膜的机械性，可以使柔韧性、阻水性增加[8]，在王程等人[9]的研究中也证实这一观点，随着交联程度的提高，淀粉膜的抗拉强度逐渐增高，断裂延伸率和透光率逐渐下降。随着酯化程度的提高，淀粉膜的断裂延伸率和透光率逐渐增高，同时抗拉强度降低。刘鹏飞等人[10]曾发现在淀粉膜中添加甘油淀粉糊各特征值黏度会降低，热稳定性增高，老化趋势减弱，膜的断裂伸长率升高，抗拉强度下降，断裂伸长率增大，水蒸气透过率上升。淀粉膜的应用十分广泛，在肉制品海鲜制品、果蔬食品都有应用实例。

1.1.3 海藻酸类薄膜

海藻类植物经过相应的加工处理，可以提取获得海藻酸材料，价格低廉、普遍易得。海藻酸纤维作为可再生纤维，具有良好的生物降解性且与人体有良好的相容性，止血抗菌、绿色无害，开发利用价值大[11-15]。海藻酸是从褐藻类植物中提取获得的线性共聚物，由α-L-古洛糖醛酸和β-D-甘露糖醛酸片段连接组成，而β-D-甘露糖醛酸片段是主要的藻酸盐成分，无味无毒甚至可食用，所以是一种绿色友好型材料。海藻酸有很多亲水基团，根据相似相溶原理，它也可以溶于水[16]。

现阶段使用比较广泛的海藻酸盐是海藻酸钠。海藻酸钠与海藻酸一样有着安全无毒的特点，具有良好的生物相容性和生物降解性，常用于食品行业的稳定剂和增稠剂。现阶段海藻酸钠-苯乳酸共混膜在食品领域已有应用于水果的保鲜研究，涂膜处理可以延缓樱桃的褐变反应，樱桃保持色泽，并且可明显延缓硬度的下降，保持果实的口感，抑制可溶性固形物含量的下降，保持果实的风味[17]。焦欣欣[18]采用溶液共混法制备5种以海藻酸钠-明胶为成膜基质的不同体系的共混膜，表明5种共混膜都具有良好的光屏蔽性能、水蒸气阻隔性能、低水溶性和水蒸气透过性等物理特性，并且pH值的改变和添加鞣花酸的含量也会对膜的物理性质发生改变。

1.1.4 纤维素及其衍生物薄膜

纤维素是自然界中含量最多的有机物，它主要是通过光合作用合成。纤维素不仅存在于植物中，在某些细菌也有纤维素，并且人们还在进行研究[19]。纤维素是一种天然的高分子化合物，它是D-葡萄糖通过β-1,4糖苷键链接而成的[20]，其结构具有2个明显的特点：①每一个葡萄糖单体都有3个羟基，羟基为极性基团，并且这3个基团都为游离基团，很容易产生分子内和分子间作用力极强的氢键；②纤维素纤维的复杂聚集态结构和高结晶度[21-22]。有研究发现由 H2SO4/Na2SO4的凝固浴体系得到的纤维素膜为致密均匀的微孔结构，力学性能较好。周永辉[23]将纤维素与壳聚糖复合，所得到的纤维素膜和纤维素-壳聚糖复合膜的表面均一且平滑，不具颗粒结构和孔洞结构。纤维素溶液和纤维素-壳聚糖溶液一进入到乙醇-水凝固浴中间就发生了相转移，就形成了致密而非疏松的膜结构。同时证实这2种生物材料良好的相容性。

纤维素衍生物是纤维素通过化学手段将其改性，添加一些其他的化学基团。常见的纤维素衍生物有醋酸纤维素、纤维素硝酸酯、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素和羧甲基纤维素等。一般水溶性纤维素衍生物，如常见的CMC，HEC等，因为自身分子结构缺少与亲水基团相匹配的疏水性基团，而且分子量高，所以其表面活性很难提升。因此，提高水溶性纤维素衍生物的表面活性，探讨结构与性能的关系，会成为人们关注的热点[24]。

1.1.5 壳聚糖薄膜

壳聚糖是一种从甲壳类或多种真菌中提取的天然阳离子多糖。甲壳素是地球上含量仅次于纤维素的一种天然高分子化合物，广泛存在于节肢动物、软体动物、环节动物、原生动物、腔肠动物及真菌和藻类的细胞壁中，自然界每年生物合成甲壳素将近1×108t[25]。目前，壳聚糖及其改性膜的应用研究工作主要集中在超滤膜、反渗透膜、渗透蒸发膜、透析膜、气体分离膜、膜法保鲜、离子交换膜及医学用膜等领域[26-27]。赵宏霞等人[28]用不同干燥的方法制备壳聚糖膜，并对其微观结构和微观力学特性进行了观察，发现干燥条件对其结构及性能有很大影响，真空干燥和远红外干燥改善了膜材料的表面平整度，远红外干燥壳聚糖膜的黏附力显著大于自然风干壳聚糖膜和真空干燥壳聚糖膜，而远红外壳聚糖膜的杨氏模量则低于自然风干壳聚糖膜和真空干燥壳聚糖膜。任东文等人[29]发现傅里叶红外分析法可用来作为分析壳聚糖降解过程的一种快捷有效的方法，还发现壳聚糖混合膜中中脱乙酰度壳聚糖组分含量与混合膜材料的脱乙酰度呈线性关系。

1.1.6 琼脂

琼脂又称为琼胶、冻粉、洋菜，从石花菜及其他红藻类植物中提取出来的复杂的水溶性多聚糖[30]。琼脂由琼脂糖和琼脂果胶2个部分组成，前者有胶凝功能，后者没有胶凝功能，在琼脂制作过程中随着工艺流程渐渐被除去。琼脂安全无毒，可以降解，具有良好的增稠性、保形性、胶凝性、稳定性、成膜性，不仅用于培养基的制备，在食品工业、日用化工、医疗卫生等领域也有着广泛的应用。程文健等人[31]将琼脂加到麦芽糊精基膜里，发现琼脂-麦芽糊精共混膜的黏度大小主要取决于琼脂的质量分数，当质量分数小于3%时，容易流延成膜。M Letendre等人[32]研究发现，脂能使蛋白质薄膜的机械强度和阻湿性能提高。范闽光等人[33]也证实了琼脂的添加可以改善膜的机械性，当加入琼脂时，膜的抗张强度提高，伸长率下降，透水系数先降低后增加。

1.2 脂类薄膜

脂类化合物包括中性脂类甘油酯、甘油酯、脂肪酸和蜡，是长链单氢醇和脂肪酸的酯类。脂质添加到食品涂料中，以传递疏水性。在可食用的薄膜中，脂类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类的结构、饱和度、链长、物理状态、晶体形状和维数，以及脂质都会对薄膜的功能特性产生影响。

1.2.1 蜡

蜡属于非极性脂类，难溶于水，疏水性很高，可溶于一些有机溶剂。常用于制膜的蜡包括蜂蜡、棕榈蜡等。

蜂蜡又称蜜蜡，蜂巢就是由此构成的。蜡是由蜜蜂（工蜂）腹部4对蜡腺分泌出来的蜡。蜜蜂将液态蜡质由蜡腺分泌到蜂体的镜膜上凝结成蜡鳞。蜡鳞为白色不透明且呈不规则的五角形[34]。蜂蜡的应用范围很广，在化妆品、医药和果蔬保鲜中都有应用。赵凯等人[35]用蜂蜡涂膜台湾青枣，发现蜂蜡涂膜可以明显控制果实的失水、降低呼吸强度、延缓可溶性固形物和可滴定酸含量的下降速率，贮藏15 d，好果率接近 70%，显著高于没有涂膜保鲜的青枣。现有研究表明，蜂蜡以固体小颗粒的状态分散于大豆蛋白膜中，能够提高大豆蛋白膜的抗张强度、氧气透过率、阻水性能和表面接触角，降低水蒸气透过率和断裂延伸率[36]。棕榈蜡是一种由多种化合物组成的混合物，主要包含有长链醇类、脂肪酸及脂类等。因为棕榈蜡自身的疏水性，把它适当添加在薄膜中可以提高薄膜阻湿性能，张丹等人[37]将抗菌剂和棕榈蜡乳液微粒通过共价键的方式结合起来，使其结合作用力变强，这种新型的棕榈蜡乳液微粒具有水蒸气阻隔和抗菌的双重功效，有很大的发展前景。棕榈蜡在果蔬采后保鲜中应用也很广泛，巴西棕榈蜡防护处理均能够显著抑制油桃和李子果实的病害发生[38]。

1.2.2 单甘酯

单甘酯别名为单硬脂酸甘油酯，单甘脂其物理性质为白色或淡黄色蜡状固体，无臭，无味，溶于乙醇、苯、丙酮、矿物油、脂肪油等热的有机溶剂，不溶于水，但在强烈搅拌下可分散于热水中呈乳浊液，在农用大棚膜的生产中，流滴剂的主要原料是单甘酯。在复合涂膜中加入单甘脂，可使膜的持水性和透光率有所提高[39]。刘玉兵等人[40]用山葡萄籽做微胶囊的时候，单甘脂具有乳化剂的作用，让山葡萄籽油可以于水溶性壁材相容。亲水性单甘脂具有良好的保水性，把它和抗菌剂复合，这种复合保鲜剂用在猪肉保鲜上可以减少汁液的流失，还能延缓冷却肉中腐败菌的生长[41]。

1.3 复合材料

基于蛋白质和多糖薄膜的透湿透氧性很好，但由于蛋白和多糖的亲水性好，使得它们对水蒸发的抵抗能力是有限的。脂质膜提供良好的保湿屏障，但也有弱点，如薄膜表面的针孔和裂纹、无黏附性、不均匀性、蜡质的味道等。所以，现在新取向为复合膜，既满足多糖膜和蛋白膜所具有的优点同时也有脂类膜的优点，将两者的比例进行调节，形成人们所要的膜。将淀粉和聚羟基脂肪酸酯复合并加入一定的增塑剂，该复合膜的机械强度有了很大的提升[42]。

2 抗菌剂的种类

抗菌剂就是在抗菌膜中起着抑制微生物生长的物质。自然环境里的微生物数量很多，种类也很多，对应不同的微生物，所用的抗菌剂也不同。总的来说抗菌剂分为无机抗菌剂、有机抗菌剂和天然抗菌剂三大类[43]。

2.1 无机抗菌剂

无机抗菌剂有2类。一类是金属（如银、铜、锌）或者其离子负载到一些多孔材料的制剂，在这些金属里，银的抗菌效果最好。其杀菌原理是金属接触到菌体之后，会使蛋白质变性，让微生物生理功能受到破坏，从而导致菌体死亡。菌体也是细胞结构，它有细胞膜，细胞膜是带负电的，而金属离子是带正电的，正负电会让二者相互吸引，产生力的作用，这个力会让金属离子穿透微生物的细胞膜，直接接触到微生物的蛋白质，金属离子会与蛋白质的巯基结合，使得蛋白质结构发生改变，从而影响到微生物合成酶的活性和DNA的合成，最终导致微生物死亡。此抗菌剂是通过载体的缓释进行抗菌而且载体及金属对身体没有毒害作用，具有耐久性和安全性高的特点。不足之处就是银离子很容易被氧化，氧化后会影响到颜色[44]。邓平晔等人[45]制作了一种负载银的抗菌膜，此抗菌膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有很好的抗菌作用。

另一类是被光子激活的半导体氧化物（如TiO2，ZnO，ZrO2等），这种抗菌剂的加入会使材料表面附着金属，可以催化活性中心激活吸附在材料表面的空气或水中的氧气，会产生很强具有氧化还原能力羟自由基和活性氧中心，破坏微生物的正常生理达到抑菌能力。研究表明，无机纳米TiO2粒子的加入可以大大改善膜的抑菌能力[46]。此抗菌剂对病毒效果也很好，纳米Cu2+/TiO2抗菌膜对H9N2病毒具有显著的灭活效应，在黑光灯强度为0.5 mW/cm2、黑光灯照射时间为2.5 h、病毒量为0.1 mL时，H9N2病毒的灭活率达到了100%[47]。

2.2 有机抗菌剂

大多数有机抗菌剂都是采用化学方法合成的，具有抗菌活性成分都是阳离子基团，具有耐热性差、毒性大等特点，使其应用受到一定范围的限制[48]。主要包括季铵盐类、双胍类、醇类、酚类、有机胺类、砒啶类、异噻唑啉酮类等[49]。季铵盐类可以破坏微生物的细胞膜，让蛋白质变性、细胞结构受到破坏。胍及其衍生物具有强碱性，而细菌一般带负电荷，可以通过电场力的作用细胞壁和细胞膜上的负电荷由于分布不均而变形，造成物理性破裂，使细胞中的水、蛋白质等物质溢出，产生“细菌溶体”现象而死亡[50]。Kourai[51]早在 1995年就有讲到季铵盐抗菌剂，发现季铵盐中引入不饱和烷基时要比引入甲基时的抗菌效果好很多。

2.3 天然抗菌剂

天然抗菌剂是人们从植物或动物中提取的，包括壳聚糖、溶菌酶、细菌素和一些提取物等。天然抗菌剂相比那些化学合成的来讲会比较绿色环保，人们对它会更关注。

2.3.1 壳聚糖

壳聚糖作为天然的抗菌物质，目前对它的抗菌机理有2种：①壳聚糖可以成膜，让物质与外界隔离，形成一种天然的保护屏障；②壳聚糖可以浸入细胞里面，吸收细胞里面含有阴离子的物质，使细胞不能正常生理活动，从而死亡[52]。

2.3.2 溶菌酶

溶菌酶是一种碱性蛋白质，在酸性环境下，溶菌酶对热的稳定性很强，在pH值为3.0，温度96℃条件下加热处理15 min仍然可以保持87%的活性。溶菌酶广泛存在于鸟类、家禽的蛋清中和哺乳动物的泪液、唾液、血浆、乳汁、胎盘，以及体液、组织细胞内，其中在蛋清中含量最丰富（约0.3%）[53]。溶菌酶的抑菌机理是主要通过切断细胞壁肽聚糖中的N-乙酰胞壁酸（NAG） 和N-乙酰葡萄糖胺（NAM）之间的β-1,4糖苷键，使细胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，导致细胞壁破裂，细菌裂解[54]。

2.3.3 细菌素

细菌素的来源主是细菌产生的小的抗菌肽，具有一定的杀菌和抑菌作用。细菌素的合成会受到环境的影响。细菌素最早在大肠杆菌中发现有一种物质可以抑制其他的菌类生长，并且称它为大肠菌素[55]。细菌素有一定的特异性，且每种细菌可以产生多种细菌素[56-57]。现有研究表明，乳酸菌细菌素是通过细胞膜上的孔杀伤靶细胞，使细胞壁合成变成障碍[58]。细菌素的作用模式一般分2类，一类为能量依赖性的，一类为非能量依赖性的。前者在于可以细胞膜上的电位吸附细菌的细胞表面，让细胞自溶死亡；后者可以使受体蛋白位于敏感菌细胞膜上并形成亲水通道，使细胞膜破裂[59]。细菌素的应用也很广泛，在食品防腐、医药、动物保健医疗和人类疾病防治等方面都有很重要的应用。

2.3.4 提取物类

中药材的提取液和一些调味品还有精油类都有较好的抗菌作用。在关于中药材提取物中，发现黄连、黄芩、丹参等药物对大肠杆菌抑菌作用，连翘对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌，苦参对金黄色葡萄球菌、链球菌，锦草、红花对金黄色葡萄球菌有较好的抑制作用[60]。中药抗细菌病毒作用机理较为复杂，是多种作用综合结果，一是中药具有直接的抗菌、抗病毒作用；二是调节机体自身免疫功能，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，花椒精油对大肠杆菌有较强的抑制效果。一些植物精油的抗菌效果也非常好，迷迭香和柠檬草的精油单方及混合复方对表皮葡萄球菌和金黄色葡萄球菌均有很强的机制作用[62]。

3 结语

抗菌膜的未来发展方向一定是绿色友好型的，要与跟社会发展的方向保持一致。现阶段抗菌膜在果蔬上的应用，大部分是用于采后贮藏保鲜，关于抗菌膜在果蔬采前保果上的应用还不多见。将抗菌膜运用于田间保果技术，可以减缓果蔬的病害问题，提前对果蔬病害进行防御，做到防患于未然。抗菌膜在采前保果上的应用与采后保鲜有一定的区别，要考虑果实田间生长的问题及复杂的外界环境，因此在未来的研究中，可以将抗菌膜应用于果蔬采前保果。