植物多酚-蛋白質(zhì)復(fù)合抗菌膜研究進(jìn)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(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715) 2(西南大學(xué)，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(zhì)與抗菌劑結(jié)合的活性包裝形式，在包裝薄膜中添加抗菌劑，達(dá)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(jìn)包裝食品的保存方面取得了顯著進(jìn)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(chǎn)生持續(xù)的抗菌效果(如圖1所示[6])。目前，蛋白復(fù)合抗菌膜在食品中的應(yīng)用備受關(guān)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(fā)現(xiàn)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(xué)固定圖1 活性物質(zhì)在抗菌包裝系統(tǒng)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(jù)蛋白質(zhì)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(yīng)用見表1。

表1 蛋白膜的特點及應(yīng)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(zhì)、多糖、脂質(zhì)等為原料制備而成的，比多糖膜表現(xiàn)出更低的O2和CO2滲透率，機械性能也優(yōu)于多糖基和脂肪基膜[16]。蛋白質(zhì)的二級、三級和四級結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(zhì)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(zhì)的成膜機理比較復(fù)雜。在沒有多酚化合物存在的情況下，蛋白質(zhì)成膜機制主要通過氫鍵和疏水相互作用以及S—S鍵來穩(wěn)定[18]。多酚化合物存在時，可能包含多種途徑的交聯(lián)方式：(1)酚的二酚結(jié)構(gòu)可被氧化成鄰醌，然后與另一醌反應(yīng)形成二聚體；(2)鄰醌與肽的氨基側(cè)基反應(yīng)，然后用第二個氨基進(jìn)一步氧化以交聯(lián)相鄰鏈；(3)鄰醌可以與另一種鄰醌反應(yīng)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(xué)試劑等。這些因素會破壞蛋白質(zhì)分子內(nèi)亞基結(jié)構(gòu)，打斷二硫鍵，使蛋白質(zhì)分子伸展，暴露疏水基團(tuán)，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(zhì)膜液在堿性(pH 10)條件下，蛋白質(zhì)分子伸展，蛋白質(zhì)分子間產(chǎn)生SH/S—S反應(yīng)，增強膜的交聯(lián)性；在等電點附近，蛋白質(zhì)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(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)展開，難以形成穩(wěn)定薄膜；溫度過高，溶劑蒸發(fā)過快，蛋白質(zhì)還未充分交聯(lián)反應(yīng)就被固定下來，膜表面粗糙不均勻且脆性高[21]。此外，化學(xué)試劑(如增塑劑)可以增加蛋白質(zhì)分子自由體積，促進(jìn)聚合物鏈流動性，影響成膜性[22]。因此，蛋白質(zhì)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(dāng)?shù)奶幚項l件可使形成的膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)已經(jīng)成為目前鼻科學(xué)領(lǐng)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(shù)重要的技術(shù)組成部分。以往我院都使用凡士林油紗條進(jìn)行鼻腔內(nèi)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(yī)用海綿對部分鼻內(nèi)鏡手術(shù)患者進(jìn)行術(shù)腔填塞止血，效果顯著，現(xiàn)報道如下。

(1)溶液澆鑄成膜。根據(jù)蛋白質(zhì)的分散性和溶解性，改變?nèi)芤簆H使其遠(yuǎn)離等電點，使蛋白質(zhì)構(gòu)象打開，然后將溶液傾注于平板中，在環(huán)境或熱風(fēng)、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(jìn)行風(fēng)干或自然晾干，即可在其表面形成一層保護(hù)膜，果蔬保鮮常用此種成膜方法?？蓪⒛ひ簢婌F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(yōu)缺點及應(yīng)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(fù)合抗菌膜的性能

蛋白質(zhì)與植物多酚可以通過非共價鍵和共價鍵相互作用，導(dǎo)致蛋白膜微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)變化，從而影響其理化性質(zhì)，改善其性能[27]，主要表現(xiàn)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(guān)，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(tǒng)的存在對抗微生物活性很重要，其抗菌活性與細(xì)胞膜中磷脂的攻擊有關(guān)，膜的流動性和質(zhì)子及鉀離子泄漏，從而破壞細(xì)胞質(zhì)膜及ATP合成，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[28]。此外，植物多酚與蛋白質(zhì)的結(jié)合力也會影響抗菌性能。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(jié)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(jié)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(tài)氧和分解過氧化物等方面起著重要作用[28]。植物多酚的側(cè)芳族官能團(tuán)，增強蛋白質(zhì)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(kuò)散系數(shù)，其抗氧化性增強[30]。研究發(fā)現(xiàn)，在制冷和有氧條件下4 d的儲存過程中，雞肉會變質(zhì)，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(zhì)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(xué)交聯(lián)方式與多個蛋白質(zhì)位點反應(yīng)并導(dǎo)致蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)，減少蛋白質(zhì)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(dǎo)致剛性薄膜具有較小的延展性[27]。這與FRIESEN等[18]的研究結(jié)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(zhì)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(fā)現(xiàn)，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(biāo)之一，阻隔性能的優(yōu)劣有助于延緩食品氧化變質(zhì)，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(zhì)雙層中，影響生物系統(tǒng)中陰離子-脂質(zhì)相互作用，阻止氧化劑運動，防止產(chǎn)品氧化或揮發(fā)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(dǎo)致更緊密的結(jié)構(gòu)，鏈間空間減少，降低膜基質(zhì)中水分子流動性并限制水通過膜遷移[18]。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)改變

蛋白膜微觀結(jié)構(gòu)的改變會直接影響其性能和應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(zhì)，不存在不規(guī)則形態(tài)[36]。使用阿魏酸和縮合單寧來交聯(lián)基于明膠薄膜，通過SEM分析發(fā)現(xiàn)，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(lián)的復(fù)合膜通過酰胺鍵和酯鍵形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以推測其具有疏水鍵，氫鍵或酯化作用[37]。

2.6 其他性質(zhì)改變

植物多酚的添加對蛋白膜的厚度、色澤等也會產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(zhì)。

3 植物多酚-蛋白抗菌膜的應(yīng)用

目前，植物多酚-蛋白抗菌膜的應(yīng)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(diào)節(jié)食品包裝內(nèi)微環(huán)境，延長食品的保質(zhì)期，主要應(yīng)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(xì)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(yǎng)物質(zhì)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(zhì)轉(zhuǎn)化，減緩軟化速度，在維持果蔬食用品質(zhì)等方面具有發(fā)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(zhì)[42-44]；對于海鮮產(chǎn)品，GMEZ-ESTACA等[45]將添加了丁香和百里香的蛋白膜應(yīng)用在魚貨保存上，發(fā)現(xiàn)乳酸菌的生長維持穩(wěn)定狀態(tài)，表明復(fù)合膜在海鮮產(chǎn)品的保存上具備可行性；對于油炸食品，預(yù)先在表面涂抹適當(dāng)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(fā)生遷移導(dǎo)致外層的巧克力變軟發(fā)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(yōu)良的隔氧和阻油性，可防止揮發(fā)性成分的擴(kuò)散[47]。因此，復(fù)合膜在食品加工上具有潛在的應(yīng)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(yè)[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(wěn)定性[42, 48-49]，氫鍵、靜電吸引和疏水相互作用被認(rèn)為是顆粒制劑和姜黃素包封的主要驅(qū)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(fù)載面積、易制備、較好的組織黏性等優(yōu)點，但也存在載藥量和載藥效率較低及藥物爆發(fā)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(tǒng)中的應(yīng)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(yīng)用范圍拓寬到食品包裝的各個領(lǐng)域。但目前，蛋白膜的應(yīng)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(kuò)散到食品中，影響食品品質(zhì)。同時，蛋白膜作為載體時，植物多酚的穩(wěn)定性、緩釋速度等與抑菌效果密不可分，其變化規(guī)律和變化機理尚不完全清楚。因此，復(fù)合膜分子間的相互作用等問題有待進(jìn)一步探討。

隨著微膠囊技術(shù)、納米技術(shù)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(yī)藥工業(yè)生產(chǎn)中具有很高的應(yīng)用價值，人們必將對蛋白膜中多酚釋放的動態(tài)變化規(guī)律、抑菌機理等的研究會越來越深入。因此，微膠囊技術(shù)、納米技術(shù)在植物多酚緩釋控制上的應(yīng)用將是多酚-蛋白抗菌膜未來研究的重點。