功能性可食性復(fù)合蛋白膜的研究進(jìn)展

雷橋* 王易芬 李立

（上海海洋大學(xué)食品熱加工工程中心，上海 201306）

1. 研究背景及意義

盡管塑料及其衍生物等高分子合成材料的使用對(duì)食品的包裝、保鮮及貯藏十分便捷且有效，有利于延長(zhǎng)食品的貨架期，但同時(shí)也引起了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，導(dǎo)致了資源浪費(fèi)及環(huán)境污染。我國(guó)每年的包裝廢棄物超數(shù)千萬(wàn)噸，并持續(xù)快速增長(zhǎng)，由于大部分塑料包裝材料不可降解或回收率極低，因此，造成了嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題。

近年來(lái)，可降解可食性的食品包裝材料，引起了人們極大的關(guān)注?？墒承员∧な且钥墒承陨锎蠓肿游镔|(zhì)為主要基質(zhì)，輔以可食性增塑劑，通過(guò)一定的處理工序使各成膜組分分子之間相互作用，干燥之后形成的一種具有一定力學(xué)性能和選擇透過(guò)性能的結(jié)構(gòu)致密的薄膜[1]?？墒承员∧た蛇\(yùn)用于諸多產(chǎn)品中，以控制水分轉(zhuǎn)移、氣體交換或者氧化進(jìn)程。使用可食性薄膜的主要優(yōu)勢(shì)之一，是可在天然聚合物基質(zhì)中加入某些活性成分或功能性成分（如，抗菌劑、抗氧化劑、吸潮劑、香味劑等），通過(guò)薄膜的遷移擴(kuò)散作用，以此增強(qiáng)食品的安全性、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及感官品質(zhì)[2]。因此，開(kāi)發(fā)生物活性、功能性包裝薄膜，如，可降解的可食性薄膜，是當(dāng)前食品保藏工業(yè)最富前景的技術(shù)之一，也是保證食品質(zhì)量和安全極具潛力的手段之一。此外，可食性包裝材料還因其不產(chǎn)生包裝廢棄物，有利于環(huán)境保護(hù)及資源保護(hù)，具有綠色包裝的特性，而成為未來(lái)包裝行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一。

現(xiàn)代可食性保護(hù)薄膜要求：1）具備良好的阻濕性以保護(hù)被包裝的食品，或當(dāng)置于不同水分活度的組分之中時(shí)，能起到延遲各類食品達(dá)到水分平衡的作用；2）具備良好的阻氣阻氧性能；3）具備良好的機(jī)械性能及感官特性，并通過(guò)抗菌劑、抗氧化劑等食品添加劑來(lái)提高其弱于非可食性薄膜的保護(hù)性能。

雷橋等研究發(fā)現(xiàn)[4,5]，可食性復(fù)合蛋白質(zhì)薄膜（乳清分離蛋白--酪蛋白酸鈉--甘油等）作為一種新型的、有潛力的可食性包裝材料，其包裝性能在對(duì)部分塑料的替代性方面，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，適用于干燥食品、中低水分活度（aw: Water activity）食品的內(nèi)包裝或冷凍食品的包裝。如，方便面的調(diào)料包等，可直接投入熱水中，無(wú)需拆包，不產(chǎn)生包裝廢棄物；也適于食品的滲透蒸發(fā)包裝，透濕阻氣，達(dá)到濃縮且保香的目的。

然而，影響復(fù)合蛋白薄膜包裝特性的因素較多，包括薄膜的制備工藝、增塑劑的選擇、溶劑性質(zhì)、變性處理、溶劑干燥速率、浸潤(rùn)或噴霧等技術(shù)的應(yīng)用及薄膜的厚度等，且薄膜還具有不同程度的親水性。要研制適合不同包裝需求的可食性復(fù)合蛋白薄膜，并適用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，需要對(duì)其包裝特性建立科學(xué)的定向、定量及定性的調(diào)控方法，需要對(duì)其傳質(zhì)行為進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，并需要掌握其特殊的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)、分子特征及溶脹效應(yīng)。該研究需要融合化學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)、包裝學(xué)、高等數(shù)學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等多學(xué)科中的宏觀、微觀及多維尺度理論，應(yīng)用光譜、色譜及熱重分析等新型檢測(cè)技術(shù)，是食品包裝科學(xué)與工程學(xué)科的前沿課題。

因此，可食性復(fù)合蛋白薄膜具有廣闊的研發(fā)空間及應(yīng)用前景，對(duì)其包裝特性的調(diào)控、改良及其傳質(zhì)行為的機(jī)理研究，并賦予其特定的功能，如，抗菌性等，將為其替代部分塑料的推廣應(yīng)用，奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，具有不菲的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和安全環(huán)保的現(xiàn)實(shí)意義。

2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在可食性薄膜的成膜工藝、薄膜性能的改善以及涂膜方面，開(kāi)展了較為廣泛的研究和應(yīng)用，此類研究主要關(guān)注于以下幾個(gè)方面：1）可食性薄膜的阻隔性能（透氣性和水蒸汽擴(kuò)散速率）研究；2）增塑劑種類或其添加量對(duì)薄膜性能的影響；3）薄膜的抗菌性能研究；4）成膜工藝研究（倒平板成膜法等）；5）薄膜的機(jī)械性能，如抗壓、抗拉性能研究等[6-14]。

2.1 成膜材料

2.1.1 典型成膜基材

表演藝術(shù)是通過(guò)人的演唱、演奏、表情或者人體動(dòng)作來(lái)塑造形象從而傳達(dá)情感、表現(xiàn)生活的藝術(shù)。[1]舞臺(tái)表演藝術(shù)則是演員通過(guò)在舞臺(tái)上的表現(xiàn)，使作品更富有感染力，更加吸引觀眾，傳達(dá)作品所要表達(dá)的深層內(nèi)涵。這就要求演員要反復(fù)研究作品，體會(huì)其中的情感，然后通過(guò)自己的肢體、表情等向觀眾傳達(dá)。演員本身就是創(chuàng)造者，他所表演的角色就是藝術(shù)品本身。

基于可再生資源的環(huán)境友好型、生物可降解“綠色包裝”、“功能活性包裝”以及“納米包裝”材料的基材，大體可分為以下5類：1）蛋白質(zhì)--明膠、酪蛋白及玉米蛋白等；2）多糖、淀粉、糊精、纖維素衍生物、殼聚糖和瓊脂等；3）藻酸鹽、果膠等；4）蜂蠟、類脂、甘油一酸酯和其它衍生物等；5）復(fù)合材料--不同材質(zhì)的混合體。

其中，蛋白質(zhì)薄膜利用了蛋白質(zhì)的兩性解離性質(zhì)、變性作用和別構(gòu)/變構(gòu)效應(yīng)，與其它基材相比，在結(jié)構(gòu)和生物功能上更富于變化。以蛋白質(zhì)為基材所制得的薄膜，具有以20種氨基酸為基礎(chǔ)的特殊結(jié)構(gòu)、功能及成膜特性。蛋白基膜因其良好的水分、油、脂肪、及揮發(fā)性成分的阻隔性能，對(duì)氣體滲透有選擇性而受到極大關(guān)注。

蛋白質(zhì)薄膜包括谷蛋白膜、玉米醇溶蛋白膜、乳清蛋白膜、大豆蛋白膜、酪蛋白膜、膠原蛋白膜等。其中，乳清蛋白含有人體所需的必需氨基酸，且比例恰當(dāng)，易被人體吸收利用。乳清蛋白存在于奶酪或酪蛋白生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的乳清中。乳清蛋白約占牛乳中總蛋白含量的20%，是具有多種功能性質(zhì)的混合蛋白質(zhì)。其主要的5種蛋白分別為：α乳白蛋白、β乳球蛋白、牛血清白蛋白、免疫球蛋白和蛋白胨。β乳球蛋白約占乳清中蛋白的57%。結(jié)晶化分析表明β乳球蛋白存在于一個(gè)球形結(jié)構(gòu)中，其疏水性基團(tuán)和巰基基團(tuán)穩(wěn)定于該球形結(jié)構(gòu)內(nèi)部。α乳白蛋白是第二大豐富的乳清蛋白，大約占總?cè)榍宓鞍缀康?9%。它是一個(gè)含有4個(gè)二硫鍵的球形蛋白質(zhì)，其分子中有規(guī)則/有序的二級(jí)結(jié)構(gòu)含量少。然而，結(jié)合鈣和4個(gè)二硫橋，能維持α乳白蛋白的球形結(jié)構(gòu)，并能使其更穩(wěn)定，防止變性。牛血清白蛋白是一種大型的球形蛋白質(zhì)，約占乳清蛋白含量的 7%，它含有 17個(gè)二硫鍵和一個(gè)自由巰基，使其高度結(jié)構(gòu)化。免疫球蛋白和蛋白胨分別占乳清蛋白含量的13%和 4%[15]。根據(jù)乳清蛋白工業(yè)回收工藝的不同，可以將乳清蛋白產(chǎn)品依據(jù)其蛋白含量分為乳清濃縮蛋白（WPC）和乳清分離蛋白（WPI），其蛋白含量分別為20-80%和大于90%。乳清蛋白薄膜透明，溫和，具有一定柔韌性，且有較好的氧氣、氣味和油阻隔性能。但由于薄膜的親水性，具有較差的水分阻隔性，其水蒸氣透過(guò)率高于低密度聚乙烯LDPE三個(gè)數(shù)量級(jí)。

酪蛋白是牛奶中最主要的蛋白質(zhì)，它是一種特殊的蛋白質(zhì)，因其只在乳腺中合成，僅在自然界中存在。酪蛋白含有四種主要成分：α s1-酪蛋白，α s2-酪蛋白，β-酪蛋白和κ酪蛋白。酪蛋白為一種磷蛋白，含有 0.85%的磷，酪蛋白的絲氨酸殘基被磷酸酯化形成磷酸鹽中樞，通過(guò)疏水作用與鈣離子緊密結(jié)合。因酪蛋白中的氨基酸組成中，半胱氨酸水平較低，以至于不能形成廣泛的共價(jià)分子間或分子內(nèi)的二硫鍵，不能形成水不溶性的薄膜。酪蛋白含有少量的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)，這可能是由于高濃度的脯氨酸，擾亂了α螺旋結(jié)構(gòu)和β片展結(jié)構(gòu)。酪蛋白分子有一個(gè)開(kāi)放、柔韌、可移動(dòng)的構(gòu)造，通常被認(rèn)作無(wú)規(guī)則或隨機(jī)螺旋結(jié)構(gòu)[16,17]。此外，β-酪蛋白是牛奶中疏水性最強(qiáng)的蛋白，與其它酪蛋白薄膜相比，具有更低的水蒸氣滲透系數(shù)和更強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度。

為了降低蛋白質(zhì)薄膜的親水性，提高其阻水性，可采用變性、交聯(lián)或鞣制劑（有機(jī)酸、單寧酸、三階或二階陽(yáng)離子）、加熱處理等措施。 變性蛋白膜具有更高的阻水性，但其彈性及透明度較低，變性介質(zhì)的用量和濃度也需嚴(yán)格控制以避免產(chǎn)生不可接受的酸味和苦味回味[3]。

2.1.2 可食性增塑劑

在成膜溶液配方中，增塑劑是必不可缺的，在薄膜中添加增塑劑是為了減少其脆性，增加聚合物鏈的移動(dòng)性，提高彈塑性、韌性及抗撕裂強(qiáng)度。增塑劑使沿聚合物分子鏈的分子間的作用力減弱，從而導(dǎo)致薄膜內(nèi)聚力、抗拉強(qiáng)度和玻璃化轉(zhuǎn)化溫度下降。增塑劑須與聚合物可兼容或可混溶，盡可能地溶于溶劑中以避免在干燥中過(guò)早分離。水溶性薄膜采用水溶性增塑劑，反之，不溶性或緩溶性薄膜則采用不溶性增塑劑或不溶性分散材料。目前應(yīng)用較佳的增塑劑包括：1）單糖、雙糖和寡糖（主要為葡萄糖或果糖葡萄糖糖漿、蜂蜜等）；2）多元醇（主要為山梨醇、甘油、甘油衍生物及聚乙二醇等）；3）脂質(zhì)及其衍生物（主要為脂肪酸、甘油一酸酯及酯類衍生物、磷脂、表面活性劑等）。薄膜所需的增塑劑用量一般為10-60%（干基），取決于薄膜的剛性要求。增塑劑的效能可采用經(jīng)典的測(cè)試來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道中，甘油和山梨醇是可食性薄膜最常用的增塑劑，其中，甘油是一種高沸點(diǎn)、溶于水、極性并可與蛋白混溶的增塑劑，已被運(yùn)用到大多數(shù)的凝膠薄膜中[18,19,3]。

2.2 成膜工藝及成膜機(jī)制

目前，可食性薄膜制備的工藝技術(shù)還相當(dāng)不成熟并成為其推廣應(yīng)用的瓶頸。因天然可食性高分子材料不具備塑料高分子材料等無(wú)定形聚合物的溫度--形變?nèi)龖B(tài)特征（玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)），造成了其加工方法上的極大局限性，難以形成規(guī)模化生產(chǎn)。可食性薄膜的成膜工藝需符合成膜材料的具體結(jié)構(gòu)和特性，通常，成膜溶液（及增塑劑）趨向于使用濃度相對(duì)較高的水溶液、膠體分散液或乳濁液。成膜溶液的涂布及成膜方法有：手工涂布法、噴霧法、流延法、循環(huán)浸潤(rùn)法、滾筒成膜法、流化床或氣流涂布法等。但對(duì)一些物料，如，海藻酸鈣等，需要將成膜溶液交聯(lián)處理之后，進(jìn)行2級(jí)干燥才能成膜。部分薄膜材料則可采用非-可食性膜的常規(guī)工藝，如，擠出法、澆鑄法或壓延法等方式來(lái)進(jìn)行制備。

成膜裝置采用干燥法或冷卻法，取決于所使用的薄膜材料的種類。工業(yè)化生產(chǎn)需要快速成膜，但由于生產(chǎn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)冷卻溫度或干燥條件以使薄膜保持強(qiáng)度十分關(guān)鍵，因此成膜速度不能過(guò)快，否則會(huì)導(dǎo)致薄膜不平整、易碎并且表面凹凸不平。在大多數(shù)情況下，薄膜涂布工藝需要高度的實(shí)踐技能、經(jīng)驗(yàn)及判斷力。

任何以聚合物為基體的食品涂膜/成膜單元操作，均存在2種作用力，一為成膜聚合物分子間的內(nèi)聚力（cohesion），二為薄膜和基體間的粘附力（adhesion）。只有高聚物因其充分的內(nèi)聚強(qiáng)度和聚結(jié)能力，才能從適當(dāng)?shù)娜軇┲刑崛『统练e出來(lái)，形成薄膜構(gòu)造體。

2.3 蛋白薄膜包裝性能參數(shù)改良或調(diào)控方法

基于極性聚合物的可食性薄膜具有親水性，對(duì)濕度變化十分敏感，在較低的相對(duì)濕度條件下易于斷裂，而在較高相對(duì)濕度條件下又因吸濕溶脹作用，顯著降低其阻隔性能。因此，解決方法之一是將薄膜作為內(nèi)包裝材料，外加外包裝；之二為采用非極性基材（如，蠟等）或?qū)O性聚合物與非極性材料（如，明膠和脂肪酸衍生物等）相結(jié)合。

對(duì)于蛋白薄膜，調(diào)節(jié)或改變其功能特性的方法有物理和化學(xué)等方法。其方法之一是通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)來(lái)改變聚合物的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即，采用化學(xué)法、酶法或物理法處理，使蛋白質(zhì)氨基酸側(cè)鏈的反應(yīng)功能基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)[20]。谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶是改善蛋白質(zhì)凝膠特性的一種新型食品加工酶，經(jīng)其改性后，蛋白質(zhì)的持水性、黏彈性、塑性、凝膠性、乳化性、起泡性、穩(wěn)定性等可獲以改善，是開(kāi)發(fā)新型蛋白質(zhì)最具前景一種方法[21]。在大多數(shù)文獻(xiàn)中，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶被運(yùn)用于單一蛋白的交聯(lián)反應(yīng)中，但該交聯(lián)反應(yīng)也可以運(yùn)用到兩種不同的蛋白質(zhì)中，結(jié)果往往形成雜聚物[22]，并不能確定兩種蛋白是否復(fù)合在一起，還是只是分別形成的大的聚合物[23]。

2.4 功能性抗菌抗菌蛋白薄膜的開(kāi)發(fā)及特性研究

在天然高分子薄膜材料中添加抗菌劑/防腐劑，能夠改善薄膜材料的特性，有效地保護(hù)食品免受有害菌的污染，同時(shí)可避免抗菌劑在食品中的直接添加或與食品反應(yīng)而使抗菌效能減弱問(wèn)題的出現(xiàn)，還可解決抗菌劑濫用的食品安全問(wèn)題，在保藏食品、延長(zhǎng)貨架期方面具有廣闊應(yīng)用前景。

Ramos等以乳清分離蛋白為基材，以甘油為增塑劑，在成膜溶液中添加殼寡糖、乳酸和苯甲酸鈉等抗菌劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，乳酸和殼寡糖組合能產(chǎn)生最大的抑菌效應(yīng)[24]。Sivarooban等將葡萄籽提取物（1%）、乳酸鏈球菌素（10,000IU/g）和EDTA螯合物（0.16%）添加至大豆分離蛋白成膜溶液中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)李斯特桿菌、大腸桿菌和沙門(mén)氏菌的生長(zhǎng)分別減少 2.9、1.8、0.6log CFU/ml[25]。

Pranoto[26]等人報(bào)道，在殼聚糖成膜溶液中添加不同配比的山梨酸鉀、大蒜精油和乳酸鏈球菌素（Nisin），對(duì)殼聚糖薄膜的機(jī)械性能無(wú)影響作用，但其抗菌性能顯著提高。Emiroglu[27]等研究發(fā)現(xiàn)，在大豆蛋白可食性薄膜中分別添加1-5%的牛至精油和百里香精油以及兩種精油的混合物，通過(guò)對(duì)新鮮碎牛肉餅的抗菌研究證明，此類薄膜對(duì)大腸菌群、大腸桿菌O157:H7及金黃色葡萄球菌有顯著的抑制作用，但對(duì)總活菌數(shù)、乳酸菌及葡萄球菌菌屬的抑制作用不明顯。

TiO2涂布或混合添加至食品包裝材料的研發(fā)已經(jīng)開(kāi)始得以關(guān)注，個(gè)別研究人員已經(jīng)報(bào)道了納米粒子對(duì)薄膜性能的影響[28,29]。Maneerat和Hayata研究了 TiO2涂布塑料膜對(duì)菌株 P.expansum的抗真菌活性，此外，Chawengkijwanich和 Hayata還通過(guò)兩種人工光照條件下的體外模擬測(cè)試，開(kāi)展了TiO2涂布包裝材料對(duì)大腸桿菌的抗菌性研究[15]。

3. 發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)可食性復(fù)合蛋白薄膜的研究趨勢(shì)將集中于：

1）開(kāi)發(fā)速溶型食品內(nèi)包裝薄膜材料或微膠囊，減少包裝廢棄物，如方便面調(diào)料包、油包，粉末化魚(yú)油、粉末化添加劑（精油、香料等）微膠囊的壁材；

2）開(kāi)發(fā)疏水性的復(fù)合蛋白薄膜，用于不同水分活度（aw）食品的包裝，如，果蔬、即食方便食品等；

3）開(kāi)發(fā)多功能性（抗菌性、抗氧化性、防潮性或溫度變色性）的可食性復(fù)合蛋白薄膜，以滿足食品、藥品包裝的不同需求；

4）研究親水性薄膜材料的擴(kuò)散、遷移、控釋動(dòng)力學(xué)機(jī)制及其理論模型，為其應(yīng)用提供可靠的理論導(dǎo)向。

總之，可食性復(fù)合蛋白薄膜的研究仍處于初級(jí)階段，具有廣闊的研發(fā)空間。通過(guò)深入系統(tǒng)地研究可食性復(fù)合蛋白薄膜包裝特性的調(diào)控機(jī)制及其傳質(zhì)行為，優(yōu)化性能，為其工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用適應(yīng)性提供可靠的理論依據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)模型是當(dāng)前研究的重心。

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