可降解抗菌包裝材料的研究進展

周成琳 李志明 劉海洋 鐘蕊 宋雪健

[摘要]傳統(tǒng)的食品包裝材料不但難降解，而且有些材料還存在有害物質(zhì)，同時食品的腐敗變質(zhì)是由微生物導(dǎo)致的，因此研究開發(fā)具有可降解、抗菌功能的材料備受關(guān)注。本文綜述了以多糖類、脂類和蛋白質(zhì)類為主要成膜基材的抗菌膜的研究及其在食品中的應(yīng)用狀況，旨在為可降解包裝材料的深入研究提供參考。

[關(guān)鍵詞]抗菌膜;可降解;包裝材料

中圖分類號：TS206.4 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

傳統(tǒng)包裝材料由化學(xué)燃料生產(chǎn)的高分子聚合物制成，降解時間長達200多年，會造成嚴重的環(huán)境污染。同時有些包裝材料在生產(chǎn)加工、流通使用的過程中存在有害成分，對人體危害極大，可導(dǎo)致免疫力下降，心腦血管疾病等，因此對可降解抗菌包裝材料的研究極為重要。目前研究的主要方向大致可分為兩類：一類是對已有的包裝材料通過添加抗菌劑使其具有一定的抑菌功能;一類是開發(fā)新型成膜基材及抗菌材料，并將其復(fù)合制備成功能性包裝材料?？咕鷦┛煞譃樘烊簧锟咕鷦?、有機抗菌劑、無機抗菌劑。如有關(guān)學(xué)者從5種天然芳香型植物中提取了抗菌物質(zhì)并確定了其安全性，制成的食品包裝紙有很強的防止霉菌和其他微生物生長的功能。而天然生物基材料具有易成模、可食用、可降解、透明度好、來源廣等優(yōu)點，其包括多糖類、蛋白質(zhì)類、脂肪類等機質(zhì)[1]。本文根據(jù)天然生物基抗菌材料的分類不同，分別論述其優(yōu)缺點及應(yīng)用現(xiàn)狀，為以多糖類、蛋白質(zhì)類和脂肪類為成膜基材的抗菌膜的研究拓寬方向。

1 多糖類成膜基材的研究

多糖成膜基材主要有殼聚糖、淀粉類及其衍生物、纖維素及其衍生物、海藻酸鈉、瓊脂及果膠等。其中纖維素及其衍生物中包含棉纖維、木纖維等。淀粉類及其衍生物包括馬鈴薯淀粉、小麥淀粉、玉米淀粉及木薯淀粉等[2]。多糖類抗菌膜可以自然降解，對環(huán)境污染小;有抗菌功能，可延長食品貨架期;透光性好，可直接看見食品外觀。但其阻濕性差，使水果在儲藏過程中大量失水影響口感。

1.1 殼聚糖基抗菌膜

殼聚糖是最豐富的生物聚合物之一，因其兼有生物相容性、生物降解性、抗菌性、易成膜性、防止水分流失等物理特性在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。王贏[3]研究得出以殼聚糖為成膜基材，加入0.075%的納他霉素，0.08%納米TiO2，攪拌溫度為50℃制備的抗菌膜具有良好的熱穩(wěn)定性及抗菌性。王子璇等[4]的研究發(fā)現(xiàn)含苯氧基的酚類和一些天然提取物與殼聚糖復(fù)合成膜能夠顯著提高膜的抗菌性能。張盼[5]研究得出殼聚糖和4mg/mL的ε-聚賴氨酸相互作用后可提高抑菌效果，可以應(yīng)用于蝦仁和牛肉的保鮮，從而達到延長貨架期的效果。在殼聚糖膜內(nèi)添加異硫氰酸烯丙酯作為抗菌劑可提高殼聚糖膜的抑菌效果。殼聚糖抗菌膜在生活中可應(yīng)用于海鮮冷藏、醬腌菜常溫貯藏等方面。董紅兵等[6]通過試驗用濃度為1.0殼聚糖溶液制得的抗菌膜對醬腌菜進行貯藏，具有良好的防腐保鮮效果。

1.2 淀粉基抗菌膜

淀粉的來源較為廣泛，可從豌豆、葛根、馬鈴薯、小麥、玉米及木薯中獲得。然而淀粉膜機械性能、耐水性能較差，沒有得到廣泛的應(yīng)用，目前多用變性淀粉制備降解膜來改善膜的性能。田春美[7]采用流延法制成淀粉-殼聚糖復(fù)合膜，實驗結(jié)果表明殼聚糖復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有抑制性作用。淀粉基抗菌膜在肉類、果蔬、海鮮、奶酪和新鮮面條中都有應(yīng)用研究。尹璐[8]研究了其在荸薺保鮮中的應(yīng)用，實驗結(jié)果表明以2%殼聚糖、2%葛根淀粉、0.5%抗壞血酸為最佳濃度配比制備的葛根淀粉-殼聚糖復(fù)合膜液保鮮效果最佳。李學(xué)紅[9]研究發(fā)現(xiàn)食品抗菌劑環(huán)糊精包合物及其功能材料即使不與食品直接接觸也可達到防腐抗菌效果，并且可以有效提高其安全性、延長貨架期。

1.3 纖維素及其衍生物基抗菌膜

纖維素具有輕質(zhì)、廣泛的可利用性、可再生性和生物降解性，還有較好的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性。纖維素硫酸酯是葡萄糖單元中一個或多個羥基被硫酸根取代的一種纖維素磺化衍生物，具有生物相容性好、親水性強等特性。楊玲玲[10]制備的纖維素抗菌膜中分別加入不同的抗菌劑，其抑菌效果，依次為肉桂醛>百里酚>山梨酸。纖維素抗菌膜在肉類食品（臘肉、火腿）和果蔬食品（西蘭花、黃瓜、草莓、桑葚等）都有應(yīng)用研究。劉彬[11]采用甲基纖維素與明膠以質(zhì)量比1∶2的比例、0.4%的甘油、0.08%的山梨酸鉀制成的復(fù)合抗菌膜，對臘肉的保鮮效果較好。何依謠[12]采用溶液澆鑄法制備的聚乳酸復(fù)合薄膜被應(yīng)用到西蘭花的保鮮中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在4℃條件下，添加3%納米TiO2的聚乳酸納米復(fù)合膜包裝對西蘭花常溫貯藏保鮮效果較好。

2 蛋白質(zhì)類成膜基材的研究

用于制作蛋白質(zhì)類抗菌膜的蛋白質(zhì)主要分兩種，一種是動物蛋白，另一種是植物蛋白。目前常用的是植物蛋白，如葵花蛋白分離物、花生蛋白和大豆蛋白質(zhì)，其次是酪蛋白、玉米醇溶蛋白、乳清蛋白及小麥谷蛋白黏膠質(zhì)，還有卵白蛋白和魚肌肉蛋白等[13]。蛋白質(zhì)類成膜基材與多糖類成膜基材相比較，蛋白質(zhì)成膜基材具有較高的抗拉強度和阻隔性，容易降解易于消化。然而其阻濕性差，對水分子敏感，研究通常采用理化方法或酶法將蛋白質(zhì)與其他疏水材料進行復(fù)合，改善材料阻濕性。

2.1 動物蛋白基抗菌膜

陳書霖等[14]采用魚皮明膠制蛋白膜時，發(fā)現(xiàn)戊二醛的添加會使明膠分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。隨著水分活度的增加，膠蛋白膜在常溫下分別處于玻璃態(tài)（此時機械性質(zhì)能夠保持穩(wěn)定），膜的斷裂伸長率上升（此時拉伸強度出現(xiàn)顯著下降），最終溶解變成溶膠態(tài)。

2.2 植物蛋白基抗菌膜

玉米醇溶蛋白是一種植物蛋白，李娟等[15]通過靜電紡絲法制備得到zein-百里香酚納米纖維膜，該膜水汽透過率和疏水穩(wěn)定性良好，安全性和生物兼容性也比較好。

3 脂肪類成膜基材的研究

脂類化合物包括中性脂類甘油酯、脂肪酸、甘油酯和蠟，是長鏈單氫醇和脂肪酸的酯類。在可食用的薄膜中，脂肪類抗菌膜具有一定的防水能力[16]，且對水果、蔬菜進行保鮮時，多采用涂膜的方式。脂肪類抗菌膜通過調(diào)節(jié)其呼吸作用控制果蔬的腐爛程度，但由于脂類成膜基材單獨成膜時均勻分布性較差，并且易產(chǎn)生蠟味，影響被包裝物的口感，因此通常與其他成膜基材共混制備薄膜。

4 復(fù)合膜

復(fù)合膜一般由多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)類中的幾種經(jīng)處理復(fù)合而成。復(fù)合膜研究較多的有多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合膜或多糖-淀粉復(fù)合膜。多糖與蛋白質(zhì)不僅能在性能上取長補短、相互協(xié)同，還具有增稠和凝膠作用[17]。高丹丹等[18]使用普魯蘭多糖和明膠制備了速溶的普魯蘭多糖-明膠可食性膜，實驗結(jié)果證明當(dāng)普魯蘭多糖和明膠按2∶5的比例復(fù)合時，具有良好的抗拉強度。賴明耀等[19]以魔芋葡甘聚糖和蜂蠟為原料制備復(fù)合膜。結(jié)果表明：GM/BW配比、甘油添加量、烘干溫度對復(fù)合膜的拉伸強度均有顯著影響，且最優(yōu)條件為KGM/BW配比6.14∶1、甘油添加量0.42%、烘干溫度70.71℃，復(fù)合膜的拉伸強度理論預(yù)測值為42.156 0MPa，驗證值為41.78MPa。

5 結(jié) 論

天然生物基成膜材料具有可降解、安全、抑菌效果好、應(yīng)用范圍廣。其中多糖類膜的持水性、吸水性特征突出，但其阻濕能力較差。蛋白質(zhì)成膜基材具有較高的機械性能及阻隔性能，但其對水分子較為敏感。脂肪類成膜基材對水分子不敏感，防水能力強，但其成膜效果較差，且容易產(chǎn)生蠟味。生物基成膜基材與抗菌劑結(jié)合制備的抗菌膜存在以下特點：（1）成膜基材對抗菌劑的釋放具有緩釋作用，能有效提高抑菌周期，可以應(yīng)用于水果的長途運輸保鮮、未成熟水果保鮮、海鮮產(chǎn)品保鮮、腌制食品等。（2）與普通塑料材料相比，生物抗菌膜的物理性能、機械性質(zhì)相對較差，同時，有些食品包裝需要加熱塑封，但溫度過高會使其改變性質(zhì)，這類問題有待進一步研究。（3）生物抗菌膜不僅可以應(yīng)用于食品，還可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，例如植物嫁接需要無菌條件，使用生物抗菌膜可增強其韌性，一段時間后自行分解，無需摘除，能夠減少人力物力的投入。因此，抗菌膜在生活中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2019-12-25

基金項目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201910223019）。

作者簡介：周成琳，女，本科，研究方向為糧食工程。

通訊作者：宋雪健，男，碩士，助理實驗師，研究方向為食品加工與質(zhì)量安全。