基于ε-聚賴氨酸抗菌食品包裝紙的制作

張海婷，孫明曦，張振楠，魏盟，谷螢螢，李帥

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院（吉林 132000）

目前市面上的食品包裝成分不一，主要由石油基合成的多重復(fù)雜聚合物制成，是一種不可降解的有機(jī)物[1-2]，加熱過(guò)程中易產(chǎn)生有毒致癌物質(zhì)，對(duì)食品安全產(chǎn)生較大威脅。隨著人們安全意識(shí)的提高，人們對(duì)可降解食品包裝材料的研究正在逐步深入，但可降解包裝紙仍存在穩(wěn)定性低、抑菌性能不良和品質(zhì)不一等問(wèn)題。

ε-聚賴氨酸是一種含有25～30個(gè)賴氨酸殘基的同源多肽。賴氨酸殘基通過(guò)羧基和氨基形成的酰胺鍵連接形成ε-聚賴氨酸，其對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見菌種的呼吸具有一定抑制作用，并與典型的呼吸途徑抑制劑存在顯著區(qū)別[3-4]；普魯蘭多糖是真菌出芽短梗霉菌株分泌出一種無(wú)毒、安全、黏性強(qiáng)的高分子物質(zhì)[5]；魔芋葡甘聚糖是從魔芋的塊莖里提取出來(lái)的一種高相對(duì)分子質(zhì)量、非離子型水溶性多糖，其生物活性、流變學(xué)性能、親水性、膠凝性、增稠性、黏結(jié)性、成膜性顯著[6]。普魯蘭多糖和魔芋葡甘聚糖具有容易獲取、成本低、成膜效果顯著的優(yōu)點(diǎn)[7-8]，ε-聚賴氨酸具有優(yōu)良的抗菌性能。

此次試驗(yàn)選取魔芋葡甘聚糖和普魯蘭多糖為成膜基材，輔以添加ε-聚賴氨酸為抑菌成分[9-10]，制作抗菌食品包裝紙，并對(duì)其抑菌性能進(jìn)行測(cè)定，以期獲得具有優(yōu)良抗菌效果的可降解食品包裝紙。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

試驗(yàn)儀器與設(shè)備見表1。

表1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

1.2 材料與試劑

ε-聚賴氨酸、普魯蘭多糖（98%，食品級(jí)）、魔芋葡甘聚糖（98%，食品級(jí)）、吐溫20、氯化鈉、胰化蛋白胨、酵母提取物、瓊脂、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、去離子水（電導(dǎo)率 18.2 MΩ/cm，自制）。

1.3 抗菌食品包裝紙制備工藝

魔芋葡甘聚糖與普魯蘭多糖混合溶解→糊化→加入ε-聚賴氨酸和吐溫-20→靜置→倒膜→干燥→成品

1.4 抑菌試驗(yàn)

1.4.1 混合菌液的制備

配制100 mL 0.90%生理鹽水，在無(wú)菌環(huán)境下，接種大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌混合菌液。將抗菌食品包裝紙裁成直徑為20 mm的圓片，備用。

1.4.2 抑菌試驗(yàn)方法

在無(wú)菌操作臺(tái)上，吸取1 mL混合菌懸液加入到空白培養(yǎng)皿中，傾注10 mL冷卻至50 ℃的固體培養(yǎng)基。待培養(yǎng)皿冷卻穩(wěn)定后，用鑷子放入直徑為20 mm的可食膜，分別加入普魯蘭多糖、魔芋葡甘聚糖和ε-聚賴氨酸，以等量混菌液作為空白對(duì)照，平板經(jīng)室溫放置10 min，置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h，觀察細(xì)菌生長(zhǎng)情況，測(cè)定抑菌圈直徑，所有試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值并記錄結(jié)果。

1.4.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。固定水平：普魯蘭多糖0.75%、魔芋葡甘聚糖0.75%、ε-聚賴氨酸0.2%。

表2 單因素試驗(yàn)因素水平表 %

1.4.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取普魯蘭多糖、魔芋葡甘聚糖和ε-聚賴氨酸三個(gè)因素，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，因素與水平設(shè)計(jì)見表3。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì) %

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1.1 普魯蘭多糖對(duì)抑菌圈直徑的影響

由圖1可知，普魯蘭多糖添加量對(duì)抗菌食品包裝紙的抑菌性有明顯的影響。隨普魯蘭多糖添加量的增大，抗菌性明顯增強(qiáng)，其對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑制作用明顯；隨著添加量的增多，抑菌性負(fù)荷，細(xì)菌增長(zhǎng)與其他成分拮抗，有效成分被破壞，所以當(dāng)添加量為0.75%時(shí)，抑菌性較好。

2.1.2 魔芋葡甘聚糖對(duì)抑菌圈直徑的影響

由圖2可知，隨魔芋葡甘聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，抑菌圈直徑先增大后減小。當(dāng)添加量由少至多時(shí)，最大抑菌圈直徑達(dá)34 mm，抑菌性逐漸敏感；當(dāng)其添加量低于0.75%時(shí)，透明圈直徑減小，魔芋葡甘聚糖屬天然成分，添加量過(guò)多會(huì)抑制性能，與周圍環(huán)境作用，細(xì)菌抑制不明顯，而導(dǎo)致縮圈。

圖1 普魯蘭多糖對(duì)抑菌圈直徑的影響

圖2 魔芋葡甘聚糖對(duì)抑菌圈直徑的影響

2.1.3ε-聚賴氨酸對(duì)抑菌圈直徑的影響

由圖3可知，隨著ε-聚賴氨酸添加量的增大，抑菌圈直徑也隨之增大。表明其對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、桿菌枯草芽孢桿菌具有良好的抑菌性，當(dāng)ε-聚賴氨酸添加量為0.3%時(shí)，抑菌性最強(qiáng)?？赡苁且?yàn)棣?聚賴氨酸中的活性物質(zhì)破壞了微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，能量物質(zhì)運(yùn)輸中斷，導(dǎo)致呼吸被其抑制。

圖3 ε-聚賴氨酸對(duì)抑菌圈直徑的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

以普魯蘭多糖添加量、魔芋葡甘聚糖添加量和ε-聚賴氨酸添加量為試驗(yàn)因素，抑菌圈直徑為響應(yīng)值，用響應(yīng)面分析法對(duì)成膜配方進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)及測(cè)定的結(jié)果見表4。

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.3 回歸方程擬合和方差分析

利用表4的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸方程擬合，建立回歸模型，以此得到抗菌食品包裝紙的抑菌性直觀反映途徑，抑菌圈直徑與普魯蘭多糖、魔芋葡甘聚糖和ε-聚賴氨酸3個(gè)因素的二次多元回歸方程為Y=-271.067 50+185.52X1+145.37X2+ 1 385.75X3+5.50X1X2-8.00X1X3+14.00X2X3-121.08X12-97.48-577.00。

由表5可知，回歸方程模型的p=0.000 5＜0.01，模型極顯著；由各項(xiàng)因素的p值可知，對(duì)抑菌圈直徑的影響大小順序?yàn)棣?聚賴氨酸＞魔芋葡甘聚糖＞普魯蘭多糖。說(shuō)明ε-聚賴氨酸對(duì)抑制微生物呼吸影響最大，魔芋葡甘聚糖次之，普魯蘭多糖影響最小，但是三者均影響顯著。決定系數(shù)R2=0.958 7，預(yù)測(cè)決定系數(shù)R2=0.905 7，所以參考值與模擬預(yù)測(cè)值有緊密聯(lián)系，該方程模擬性較好。

表5 回歸模型方差分析

2.4 等高線分析

由圖4可知，普魯蘭多糖和魔芋葡甘聚糖兩者交互作用最顯著，普魯蘭多糖和ε-聚賴氨酸兩者交互作用次之，魔芋葡甘聚糖和ε-聚賴氨酸交互作用最小。

圖4 對(duì)抑菌圈直徑影響的響應(yīng)面及等高線

以抑菌圈直徑取最大值為尋優(yōu)目標(biāo)，用軟件Design- Expert 8.0.6的優(yōu)化功能對(duì)因素綜合尋優(yōu)。確定的食品包裝紙最佳制備工藝為0.78%的普魯蘭多糖、0.79%的魔芋葡甘聚糖和0.27%的ε-聚賴氨酸。在此條件下，制得的抗菌食品包裝紙的抑菌圈直徑為45.02 mm。按以上述優(yōu)化結(jié)果的材料配比進(jìn)行膜液的制備，進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，取平均值，測(cè)得抑菌圈直徑為41.96 mm，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與擬合值無(wú)顯著性差異。

3 結(jié)論

綜上所述，ε-聚賴氨酸抗菌食品包裝紙以抑菌圈直徑為指標(biāo)，確定的抗菌食品包裝紙的最佳制備工藝為0.78%的普魯蘭多糖、0.79%的魔芋葡甘聚糖和0.27%的ε-聚賴氨酸。在此條件下，抑菌圈直徑為41.96 mm。