天然抑菌膜的分類及研究進(jìn)展

林 倩，盧笑雨，吳 昊，王 雪

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北滄州 061100；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝院，河北保定 071000）

近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)使得食品工業(yè)得到迅速發(fā)展，新型食品加工技術(shù)的研究、新型食品種類的開發(fā)等方面取得了卓越成績(jī)，這就使得各類食品的防腐保鮮成為食品工業(yè)中一個(gè)顯著問題，現(xiàn)有保藏技術(shù)都存在一些缺陷，如保藏過程中食品的營(yíng)養(yǎng)損失、食品口感質(zhì)地色澤的不良變化、防腐添加劑對(duì)人體的副作用等。與此同時(shí)，消費(fèi)者越來越重視延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期和控制新鮮產(chǎn)品的品質(zhì)，因此制造商必須提供現(xiàn)代化且安全的包裝[1]。這不僅推動(dòng)了包裝技術(shù)概念的發(fā)展，還推動(dòng)了食品天然抑菌膜的發(fā)展。在食品工業(yè)領(lǐng)域，可食用天然抑菌膜的基本優(yōu)勢(shì)是可以保持甚至提高包裝產(chǎn)品的質(zhì)量，延長(zhǎng)其保質(zhì)期，減少食品營(yíng)養(yǎng)的損失。

1 抑菌膜的介紹

1.1 天然抑菌膜

食物在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、銷售等過程中，極易發(fā)生腐敗變質(zhì)。食品變質(zhì)不僅會(huì)給生產(chǎn)者、銷售者帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)誤食變質(zhì)食物食用者的身心健康造成負(fù)面影響[2]。天然抑菌膜是以天然植物成分作為主要原料，加入適量的增塑劑、抑菌劑，通過經(jīng)混合、加熱、流延、揭膜等工藝制備而成。通過阻止水分遷移，降低氧氣對(duì)食物的影響，從而減少蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失[3]，在保證食品營(yíng)養(yǎng)且安全的前提下，能最大限度地維持食品在儲(chǔ)存期間的感官特性，延長(zhǎng)食品的儲(chǔ)存期與貨架期。

1.2 天然抑菌膜的特性

常見的食品包裝材料主要有塑料、紙、金屬、玻璃等。塑料因質(zhì)量輕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、阻透性良好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，但多數(shù)塑料降解困難，容易污染環(huán)境，且存在有毒物質(zhì)的污染。因此，天然可食性包裝膜日益受到人們的重視，成為新材料開發(fā)的重要研究方向[4]?？捎糜谥苽浒b膜的天然高分子材料來源廣泛，所成膜可以作為各種食品添加劑的載體，并且有一定的生物活性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可以生物降解，對(duì)環(huán)境無污染。

在食物中添加防腐類添加劑可以減少食物的腐敗變質(zhì)，這也是食物生產(chǎn)過程中普遍使用的方法?；鹜鹊热忸愂称贩乐垢瘮∽冑|(zhì)的方法是在其中添加防腐劑干擾微生物的生長(zhǎng)，但是防腐劑使用不當(dāng)會(huì)使人體產(chǎn)生惡心、頭痛等癥狀[5-6]。而天然抑菌膜是利用天然植物提取成分防腐抑菌，可以在保障食用者安全的前提下延長(zhǎng)保質(zhì)期，避免化學(xué)添加劑對(duì)人體造成的危害。

2 不同類型抑菌膜的研究進(jìn)展

2.1 多糖類抑菌膜

2.1.1 淀粉類抑菌膜

淀粉來源廣泛、價(jià)格低廉、透明度高、韌性好。許卉佳等人[7]研究了以淀粉為主要原料的抑菌膜，淀粉抑菌膜可作為對(duì)透明度和柔韌性要求較高的食物的包裝。由于添加了天然添加劑乳酸鏈球菌素，減少了食品受革蘭氏陰性菌的影響，可抑制一般的食源性病菌的增殖，在保證食用者健康不受到危害的前提下延長(zhǎng)食品貨架期。海藻酸鈉具有良好的成膜性，可以使淀粉膜斷裂率降低為36.9%，拉伸強(qiáng)度上升為70.6 MPa，透明度上升為78.6，同時(shí)使淀粉膜光滑平整。但是天然淀粉存在一些缺陷，包括剪切或加熱不穩(wěn)定性、酸性敏感性等，不能滿足某些食品的要求加工。另一方面，淀粉膜的水溶性為20%，所以此類抑菌膜并不適合作為表面水分含量高的物質(zhì)的包裝。

2.1.2 殼聚糖類抑菌膜

殼聚糖的成膜性良好，且具有很好的生物相容性和較高的抑菌活性，殼聚糖可以有效抑制細(xì)菌、酵母菌和霉菌的生長(zhǎng)繁殖，因此只需要添加甘油達(dá)到增塑效果，就可以獲得性能優(yōu)越的抑菌膜。張寶艷[8]通過對(duì)殼聚糖納米銀復(fù)合膜的研究發(fā)現(xiàn)，由于殼聚糖的聚陽離子性質(zhì)，金屬離子的加入會(huì)改善傳統(tǒng)殼聚糖涂層的機(jī)械性能，優(yōu)化后的殼聚糖復(fù)合膜斷裂伸長(zhǎng)率為 21.71%，拉伸強(qiáng)度為18.17 MPa。當(dāng)使用溫度低于100℃時(shí)殼聚糖膜的失重率為 7.64%。Ortiz-Duarte Génesis等人[9]研究表明，與殼聚糖粗溶液相比，殼聚糖納米粒子具有更高的抑菌活性，因此殼聚糖納米粒子可以通過負(fù)載金屬增強(qiáng)其抗菌活性，改善殼聚糖膜抑菌光譜性差的缺點(diǎn)。此外，殼聚糖抑菌膜可通過減少水分和溶質(zhì)遷移、減少水果的呼吸作用與蒸騰作用等延長(zhǎng)瓜果等易腐爛產(chǎn)品的貯藏時(shí)間。

2.1.3 纖維素類抑菌膜

纖維素是一種天然材料，纖維素膜具有一系列的優(yōu)良性能，如透明度大、強(qiáng)度和剛度大[10]、氣孔少、高度親水性、優(yōu)良滲透性、耐污染性等。趙昊等人[11]通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)纖維素膜制品表面平整光滑。單一的纖維素膜黏度為7.700 Pa·S，蒸汽透過率為 20.12 P/（mg·cm-2·d-1），透光率為 95% 。纖維素抑菌膜的抗菌性能不穩(wěn)定，抗菌耐久性差，因此要添加抑菌劑，經(jīng)王新偉等人[12]的試驗(yàn)證明在纖維素膜中添加納米TiO2粒子后纖維素膜的抑菌性能與抑菌持久性均有所提高。纖維素不溶于水和常見的有機(jī)溶劑，使其難以與其他材料復(fù)合，致使其加工困難且加工成本高，這些都限制了天然纖維素的應(yīng)用，Xin Zheng等人[13]證明了天然纖維素的衍生物膜可以解決這個(gè)問題。

2.1.4 魔芋葡甘聚糖類抑菌膜

魔芋葡甘聚糖是一種可再生的自然多糖[14]，它獨(dú)特的長(zhǎng)鏈螺旋分子結(jié)構(gòu)使其擁有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，這為其長(zhǎng)期儲(chǔ)存提供條件[15]。魔芋葡甘聚糖膜制品的穩(wěn)定性、營(yíng)養(yǎng)、抗拉強(qiáng)度等方面優(yōu)于以其他多糖為基質(zhì)的抑菌膜，但其膜制品阻隔性較差，可添加玉米醇溶蛋白等改善阻濕阻水性能。王凱等人[16]測(cè)得玉米醇溶蛋白與魔芋葡甘聚糖混合膜的最優(yōu)拉伸強(qiáng)度為63.02 MPa，最大斷裂伸長(zhǎng)率為15.97%。復(fù)合膜的阻氧性也大幅度減低。單一的葡甘聚糖膜伸長(zhǎng)率低、脆性大，可以添加增塑劑改善膜的可塑性。單一的魔芋葡甘聚糖膜制品抑菌能力相對(duì)較差，對(duì)酵母菌、青霉菌、赤霉菌等真菌和金黃色葡萄球菌、谷草桿菌等細(xì)菌有明顯的抑制作用，對(duì)大腸桿菌、黑曲霉菌、根霉菌等菌的作用不明顯，可通過添加茶多酚等天然抑菌劑增強(qiáng)抗菌性能。

2.2 蛋白質(zhì)類抑菌膜

2.2.1 玉米醇溶蛋白類抑菌膜

玉米醇溶蛋白特有的氨基酸組成賦予玉米醇溶蛋白膜較好的隔氧阻水性、韌性、生物相容性、生物黏附性，這些性質(zhì)使玉米醇溶蛋白可在無需添加劑和鞣制劑的條件下形成一種透明、光滑的薄膜[17]。但玉米醇溶蛋白膜表面特性較差，這使玉米醇溶蛋白膜應(yīng)用受到一定程度的限制。王雪等人[18]通過對(duì)比3種增塑劑對(duì)玉米醇溶蛋白膜的影響，發(fā)現(xiàn)添加檸檬酸時(shí)，可以獲得機(jī)械性能最好的膜制品，且此時(shí)玉米醇溶蛋白膜的水蒸氣透過率低至6.28 g·mm/m2·d·kPa。玉米醇溶蛋白價(jià)格昂貴，使其很難單獨(dú)應(yīng)用于 食品包裝。左貫杰等人[19]研究了用玉米醇溶蛋白膜覆蓋淀粉膜的雙層膜，該膜制品最佳拉伸強(qiáng)度為9.62 MPa，斷裂延伸率為75.12%。單一的玉米醇溶蛋白膜的抑菌能力為2.22%，池海波[20]研究發(fā)現(xiàn)，加入茶多酚可以在提高其抑菌能力的同時(shí)降低吸油性。試驗(yàn)獲得的最佳乳化性為29.00，乳化穩(wěn)定性為95.59%。

2.2.2 大豆分離蛋白類抑菌膜

Sabina G[21]研究表明，大豆蛋白分離物具有良好的成膜能力，可以形成具有良好阻隔性和機(jī)械性能的聚合膜。大豆分離蛋白膜可以削弱呼吸及蒸騰作用，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失，達(dá)到果蔬保鮮的目的。除此之外，大豆分離蛋白膜可以作為糖及其他配合物的載體，改善被包裝產(chǎn)品的口感及風(fēng)味[22]。Jensen A等人[10]試驗(yàn)證明，大豆分離蛋白具有良好的抑菌作用，可以有效抑制李斯特菌、大腸桿菌和沙門氏菌的活性，但環(huán)境變化對(duì)大豆分離蛋白膜的影響較大。王新偉等人[23]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度＜33%，大豆分離蛋白膜具有較小的氣體透過率；當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度＞59%，氣體透過率迅速增大。氣體透過率也會(huì)隨溫度的上升而上升。因此，在貯藏、運(yùn)輸過程中大豆分離蛋白膜的變化可能會(huì)縮短被包裝食品的貨架期。

2.2.3 乳清蛋白類抑菌膜

乳清蛋白利用率高、成膜性好，可制備通透性好、阻氧性佳、有彈性的膜。王洪江[24]通過對(duì)乳清蛋白成膜工藝的研究，獲得的性能最佳膜的透濕系數(shù)為0.427 g·mm/m2·h·Pa，透氧系數(shù)為0.153 cm3·mm/m2·d·kPa，抗拉強(qiáng)度為4.46 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為8.21%。乳清蛋白膜可以減緩果蔬失重、抑制呼吸作用、保持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、防止褐變、延長(zhǎng)貨架期，起到了較好的保鮮效果。但其抑菌性較差。王緞[25]研究了天然抑菌劑的添加對(duì)乳清蛋白膜的影響，結(jié)果表明復(fù)合添加了納他霉素和聚賴氨酸的乳清蛋白膜可以很好地抑制所選的細(xì)菌、酵母菌、霉菌的生長(zhǎng)，而且對(duì)膜的機(jī)械特性無顯著影響。但乳清蛋白本身功能特性不夠完善，如乳清蛋白具有致敏性、β-乳球蛋白的結(jié)構(gòu)缺陷等，這些問題嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。

2.3 脂類抑菌膜

最早的可食性膜的原料是脂類，從石蠟和豬油的應(yīng)用，再到巴西棕櫚蠟制成的水包油乳狀液的應(yīng)用，均證明了脂類膜在防腐保鮮方面的優(yōu)勢(shì)。脂類膜的常用原料有蜂蠟、古蠟、硬脂酸和軟質(zhì)酸等。脂類膜有鎖水、保濕、護(hù)色、保鮮、延長(zhǎng)保質(zhì)期的效果，脂類膜有最好的水汽屏障性能，但以脂類為主要基質(zhì)的膜脆性極大，機(jī)械強(qiáng)度極低，因此很少單獨(dú)使用，通常作為輔劑與蛋白質(zhì)多糖混合制成性能更優(yōu)越的膜。

3 結(jié)語

在天然抑菌膜的使用變得廣泛之前，仍然存在一些問題需要解決。單一的生物聚合物成膜后機(jī)械性能、耐熱性能、阻隔性能等包裝性質(zhì)較差，因此天然聚合物的復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用馬鈴薯、玉米等天然物質(zhì)作為原料并提取天然聚合物，將有機(jī)酸、酶、百里酚等不同種類抗微生物劑加入聚合物，以提高抑菌膜的性能[26]。生物聚合物薄膜很多方面都優(yōu)于合成聚合物，但由于對(duì)水有很高的親和力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)它們的機(jī)械性能和阻隔性能有很大的影響，其應(yīng)用仍然有限?，F(xiàn)今市場(chǎng)上以天然抑菌膜包裝的產(chǎn)品相對(duì)較少，當(dāng)上述問題解決后，天然抑菌膜將普遍存在。