抗生物黏附材料的構(gòu)建及在食品領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

茹義博，董慶利，馬 悅

（上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093）

食源性疾病的頻繁暴發(fā)嚴(yán)重威脅著消費(fèi)者的身體健康和生命安全[1]。根據(jù)2021年中國大陸食源性疾病暴發(fā)監(jiān)測資料報(bào)道，我國30 個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)（除西藏）共上報(bào)食源性疾病暴發(fā)事件數(shù)5493 起，累計(jì)發(fā)病32334 人，死亡117 人，其中由微生物因素導(dǎo)致的發(fā)病人數(shù)占總?cè)藬?shù)的50.47%[2]。食源性致病菌在食品接觸表面的污染及定殖是導(dǎo)致食源性疾病頻發(fā)的主要原因之一[3]，據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道，約65%的食源性疾病暴發(fā)與致病菌生物被膜的形成相關(guān)[4-6]。因此，有效防控食源性致病菌生物被膜在食品接觸表面的生成是保障食品微生物安全的重要途徑之一。

食源性致病菌的生物被膜是由一種或多種致病菌聚集并黏附于惰性固體表面而形成的多細(xì)胞群體結(jié)構(gòu)[7]。如圖1所示，其形成過程十分復(fù)雜，大致可分為以下5 個(gè)階段[8]：1）可逆附著階段，在范德華力（Lifshitz-van der Waals，LW）、靜電力、疏水作用等非特異性相互作用的驅(qū)動下，浮游狀態(tài)下的致病菌附著到食品接觸表面上。在這一階段，兩者間相互作用不強(qiáng)，可通過振蕩、洗滌等簡單溫和的物化手段清除材料表面的致病菌。2）不可逆附著階段，致病菌開始分泌群體感應(yīng)分子和黏性胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS），結(jié)合細(xì)菌長鏈狀附屬物（菌毛和鞭毛等）對接觸表面的特異性黏附，使得致病菌與食品接觸材料表面的相互作用增強(qiáng)，由可逆附著轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡娓街?）隨著不可逆黏附的累積，致病菌中與生物被膜形成相關(guān)的一系列基因水平上調(diào)，在EPS內(nèi)繁殖形成單一菌落并進(jìn)一步聚集形成微菌落。致病菌在該種狀態(tài)下，抗逆性顯著增強(qiáng)，簡單的物化手段難以徹底清除。4）隨著大量微菌落的形成，生物被膜厚度逐漸增加，最終成熟并定殖于食品接觸材料表面。在該狀態(tài)下，致密的EPS可減少環(huán)境因素對致病菌的不利影響，同時(shí)，生物被膜內(nèi)部水分、營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物等物質(zhì)的運(yùn)輸活性下降，菌體的狀態(tài)發(fā)生改變，細(xì)菌對環(huán)境中不利因素的耐受性增強(qiáng)。5）生物被膜生命周期的最后階段是致病菌的解離與傳播。在這一階段，生物被膜中的一部分細(xì)菌在內(nèi)部生長調(diào)控及外界刺激的作用下，從生物被膜結(jié)構(gòu)中脫離出來，重新轉(zhuǎn)化為浮游態(tài)細(xì)菌，并再次轉(zhuǎn)移并定殖到干凈的食品接觸表面形成新的生物被膜。

圖1 食源性致病菌生物被膜形成的5 個(gè)階段Fig.1 Five stages of biofilm formation of foodborne pathogens

不同于浮游態(tài)致病菌及其初期生物被膜，成熟的生物被膜具有3 個(gè)主要特點(diǎn)：1）黏附性增強(qiáng)。受周圍環(huán)境條件、菌種及接觸材料表面的理化特性的影響，食源性致病菌能夠以黏附狀態(tài)長期穩(wěn)定在材料表面定殖[9]。2）細(xì)菌狀態(tài)改變。處于生物被膜狀態(tài)與浮游狀態(tài)下的致病菌在表型、基因和代謝機(jī)制方面存在明顯差異，特別是在生物被膜狀態(tài)下的細(xì)菌對某些抗菌劑的抗性增加，難以被殺滅[10]。3）抗逆性增強(qiáng)。致病菌通過分泌大量的多糖、蛋白質(zhì)、脂類、eDNA等胞外聚合物形成致密的保護(hù)膜，抵御干燥、極端溫度和抗菌劑等外界不利因素的影響，提高其環(huán)境抗逆性[11]，因此，次氯酸鈉和酒精等常規(guī)的消殺手段將難以徹底清除成熟的生物被膜。殘留的生物被膜可以給新的致病菌提供有利的定殖條件，容易造成生物被膜的迅速再生及持續(xù)污染，給食品微生物安全造成極大的隱患[12-14]。因此，控制生物被膜的最優(yōu)手段就是在其生成初期預(yù)防致病菌的黏附及定殖，從而減少成熟的致病菌生物被膜帶來的食品安全問題[15]。

針對致病菌生物被膜的防控策略，可根據(jù)其作用原理分為兩類：“攻擊型”和“防御型”。前者通過直接滅殺病菌抑制其在食品接觸表面的生長繁殖或破壞成熟生物被膜的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對生物被膜的有效防控[16]。后者則是通過削弱病菌或生物污染物與食品接觸材料表面之間的相互作用，減少表面黏附，預(yù)防生物被膜的形成[17]。關(guān)于“攻擊型”抗生物被膜材料的相關(guān)綜述已經(jīng)較為全面系統(tǒng)，但對“防御性”抗生物被膜，即抗生物黏附的食品接觸材料的總結(jié)分析尚待完善[18-20]。因此，有必要總結(jié)最新的抗生物黏附材料的相關(guān)進(jìn)展，為“防御型”抗生物被膜的食品接觸材料的設(shè)計(jì)構(gòu)建提供科學(xué)參考。

本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，從DLVO理論量化生物污染物與材料表面之間的相互作用出發(fā)。在此基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有的抗生物黏附材料分為疏水和親水兩類，總結(jié)分析了不同類型抗生物黏附材料改性方法、抗生物黏附機(jī)制及優(yōu)缺點(diǎn)，為新型“防御型”抗生物被膜的材料構(gòu)建提供研究思路。最后結(jié)合抗生物黏附材料在食品領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，為該類材料的應(yīng)用推廣提供參考。

1 生物黏附原理

生物黏附是菌體、多糖、多肽和蛋白質(zhì)等生物污染物通過非特異性或特異性吸附的方式與材料表面緊密結(jié)合的過程[21]。在生物被膜形成初期，生物污染物的黏附過程主要受到疏水力、靜電力、LW和氫鍵等非特異性分子間作用力的驅(qū)動，其相互作用的強(qiáng)弱取決于生物污染物和材料表面的物理化學(xué)性質(zhì)[22]。20世紀(jì)40年代Derjaguin、Landau、Verwey和Overbeek 4 位科學(xué)家共同創(chuàng)建了DLVO理論，通過建立數(shù)學(xué)模型將生物污染物與材料表面之間的非特異性相互作用進(jìn)行量化，由此判斷兩者間是否會發(fā)生自發(fā)的黏附行為[23]。LW和靜電雙層作用力（electrostatic double layer，EL）是DLVO中決定特定污染與特定表面之間是否發(fā)生自發(fā)性黏附行為的兩個(gè)主要參數(shù)。前者是分子之間非定向的相互作用力，主要包括偶極矩作用、誘導(dǎo)力作用和分散力作用。后者主要指帶電生物污染物在顆粒-溶液界面上產(chǎn)生擴(kuò)散雙電層，當(dāng)其接近材料表面時(shí)所產(chǎn)生的靜電斥力。

如公式（1）所示，假設(shè)污染物是光滑的球體，其與接觸表面之間的總相互作用能量（ΔETOT）為兩者間吸引和排斥作用之和。當(dāng)ΔETOT為負(fù)值時(shí)，污染物將自發(fā)地黏附在固體表面，反之兩者間的相互作用則不足以發(fā)生自發(fā)黏附。

式中：ΔELW表示半徑為R的球體污染物與平坦固體表面之間的LW相互作用能量；ΔEEL表示EL能量。ΔELW和ΔEEL可以分別根據(jù)式（2）和式（3）計(jì)算。

式中：D為球形污染物和固體表面之間的距離；A為與接觸表面、生物污物和介質(zhì)特性相關(guān)的Hamaker常數(shù)；Z為相互作用常數(shù)，是關(guān)于生物污物表面電位和溶液介質(zhì)的介電常數(shù)的函數(shù)；K為德拜參數(shù)。

基于該理論，通過改性食品接觸材料的表面物化性質(zhì)，改變其污染物和固體表面之間的距離（D）、接觸表面、生物污物和介質(zhì)特性相關(guān)的Hamaker常數(shù)（A）、生物污物表面電位和溶液介質(zhì)的介電常數(shù)等即可調(diào)控生物污染物與接觸表面間的相互作用，減少甚至避免材料表面潛在的有害生物黏附，保障食品微生物安全。

2 抗生物黏附材料

抗生物黏附材料指菌體、蛋白質(zhì)等生物污物難以在其表面長期穩(wěn)定地黏附，或黏附后可被輕易去除的一類材料[24]，材料的抗生物黏附性能受其表面的化學(xué)組成及物理形貌的共同影響[25]。從熱力學(xué)角度分析，具有較低表面能的疏水材料通常能夠抵抗生物污染物的黏附，而一些親水材料則可利用材料表面與周圍水分子之間的相互作用形成水合屏障，實(shí)現(xiàn)抗生物黏附功能[26]。

2.1 疏水抗生物黏附材料

2.1.1 疏水表面的構(gòu)筑

多數(shù)生物污染物通常具有較高的表面能，如果黏附在疏水材料表面，則整個(gè)系統(tǒng)的表面能增加。因此，生物污染物在疏水表面的黏附在熱力學(xué)上是一個(gè)非自發(fā)過程[27]。即便是生物污染物通過較弱的相互作用黏附在疏水表面，也可在輕微的外力作用下被移除[28]。根據(jù)疏水材料表面的化學(xué)組成，可將其分為含氟和含硅烷長鏈兩類。例如，李潮韋等[29]將含氟丙烯酸單體聚合成含氟聚丙烯酸乳液，噴涂于親水棉織物后，織物疏水角從0°增加至122.8°，減少了近99%的細(xì)菌黏附。如圖2所示，Liu Jie等[30]將含氟硅烷聚合物（perfluorodecyltrimethoxysilane，PFDS）共價(jià)改性到TiO2納米顆粒上，形成納米顆粒誘導(dǎo)超疏水PFDS/TiO2的涂層溶液，然后利用真空負(fù)壓將PFDS/TiO2填充到具有納米孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁膜中，材料由親水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷疇顟B(tài)（水接觸角從68°增大到159°），并展現(xiàn)出優(yōu)異的抗生物黏附性能（對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗黏附率達(dá)到近100%）。除含氟改性外，將硅烷長鏈改性到材料表面，也可以增加表面疏水度，提高抗生物黏附效率。例如，Zhou Xin等[31]將聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、二氧化硅納米顆粒（silicon dioxide nanoparticles，SiNPs）和氧化鋅晶須（tetrapod-like zinc oxide whiskers，T-ZnOw）充分混合后，得到超疏水PDMS/SiNPs/T-ZnOw（PST）混合液，并噴涂于搪瓷片上形成疏水的抗生物黏附涂層，結(jié)果表明，噴涂后材料的表面疏水性與抗生物黏附作用呈正相關(guān)。當(dāng)最佳配比的PST溶液噴涂處理后，搪瓷片的疏水角近161°，減少了近98.1%的生物黏附。由此可見，疏水表面的構(gòu)建可有效防止生物污物的黏附，但疏水材料與某些脂類和多糖類（疏水）生物污染物的表面能相近，因此疏水材料對其抗黏附效果不佳。對此，需要進(jìn)一步降低疏水材料的表面能，構(gòu)建全疏液表面，以實(shí)現(xiàn)對所有類型生物污染物的抗黏附作用。

圖2 疏水抗黏附材料的構(gòu)建[30]Fig.2 Construction of hydrophobic anti-biofouling materials[30]

2.1.2 全疏表面的構(gòu)筑

一般的疏水材料能夠抵抗親水生物污染物的黏附，但對低表面能的疏水生物污染物的黏附防控效果較差[32]。進(jìn)一步降低疏水材料的表面能，構(gòu)建對所有液體均顯示出強(qiáng)大排斥功能的全疏表面（靜態(tài)水接觸角＞150°；滑動角＜5°），有望進(jìn)一步減少生物污染物的黏附并預(yù)防生物被膜的產(chǎn)生[33-34]。Cassie模型是一種典型的全疏水表面，其基本原理是在平滑的疏水材料表面引入微納米級別的粗糙結(jié)構(gòu)，利用粗糙結(jié)構(gòu)中的凹槽截留空氣，從而形成氣穴，以降低生物污染物與材料表面的接觸面積，進(jìn)一步提高材料的疏水性能[35]。液體灌注超滑表面（slippery porous lubricant-infused surfaces，SLIPS）則是在Cassie模型的基礎(chǔ)上，引入潤滑劑填充粗糙凹槽中的氣穴，利用毛細(xì)作用力和LW使?jié)櫥瑒┓€(wěn)定在材料表面，由此形成特殊的液-固界面，從而使SLIPS展現(xiàn)出優(yōu)異的抗黏附特性[36]。如圖3A所示，材料表面形成了穩(wěn)定的Cassie模型，在該狀態(tài)下，生物污染物液體與材料之間的接觸面積降低，液體的接觸角增加并能夠輕松滑離全疏表面，減少生物污染物的黏附[37]。Shan Huiting等[38]在聚(偏氟乙烯)（poly(vinylidene fluoride)，PVDF）水過濾膜上原位合成含氟銀納米粒子，在其表面構(gòu)筑疏水粗糙結(jié)構(gòu)，使得液體在改性后的PVDF膜表面形成了穩(wěn)定的Cassie模型，這種粗糙結(jié)構(gòu)使得PVDF膜的油接觸角和水接觸角分別從7.8°和126.1°增加至136.9°和167.1°，減少了混合污染物（如NaCl和柴油）在PVDF膜上的黏附，且利用改性后的PVDF膜過濾水28 h后，過濾通量顯著提高。Ware等[39]通過旋涂法和劇烈剪切法制備了具有納米皺紋聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）表面，并在其中注入低表面能的硅油潤滑劑（圖3B1），所得材料的滑動角為4°，并且將細(xì)菌在其表面培養(yǎng)24 h后，能抵御近99%的細(xì)菌黏附（圖3B2），在海洋中浸泡7 d后，污染率相較于對照組降低了近76.8%（圖3B3）。然而，注入的潤滑劑與材料之間不存在共價(jià)作用，因此在剪切力的作用下，SLIPS材料中的潤滑劑層會泄漏，導(dǎo)致材料抗生物黏附能力下降。Kamei等[40]利用烯-硫醇點(diǎn)擊反應(yīng)，將含硫醇（包含—SH）基團(tuán)的氟類潤滑劑共價(jià)接枝到具有微米級蜂窩結(jié)構(gòu)的1,2-聚丁二烯薄膜表面，在一定程度上提高了潤滑劑在SLIPS全疏表面的穩(wěn)定性，然而，該反應(yīng)為界面反應(yīng)，產(chǎn)率較低，拒液效果有待進(jìn)一步提高。由此可見，通過在疏水材料表面構(gòu)筑粗糙結(jié)構(gòu)形成Cassie模型，或在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入低表面能的潤滑劑構(gòu)建SLIPS表面，均可提升原疏水材料的拒液性能，有效預(yù)防親水/親油生物污染物的黏附。

圖3 疏水表面、Cassie模型及SLIPS表面示意圖及其應(yīng)用[35-37,39]Fig.3 Schematic illustration of hydrophobic surface,Cassie model and SLIPS surface and their applications[35-37,39]

除在疏水材料表面的增加粗糙度，構(gòu)建Cassie模型外，還可以在材料表面引入柔性聚合物長鏈，利用立體阻礙效應(yīng)增強(qiáng)疏水材料的抗生物黏附效果。Rahaman等[41]將表面能為19.8 mN/m的PDMS涂在聚酰胺反滲透膜上，當(dāng)有生物污染物靠近材料表面時(shí)，會壓縮聚合物長鏈，限制鏈段運(yùn)動，使得材料表面的熵減少，整個(gè)體系的吉布斯自由能增加，從熱力學(xué)的角度實(shí)現(xiàn)抗生物黏附的功能。Van Dam等[42]利用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（atom transfer radical polymerization，ATRP）技術(shù)將不同鏈段長度的含氟聚合物共價(jià)接枝到平滑的硅片上，當(dāng)有生物污染物靠近材料表面并壓縮不同鏈長的含氟聚合物時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的熵增程度不同，因此抗黏附的效率也不同，值得注意的是，這種抗黏附機(jī)制是基于聚合物長鏈自由度的改變，而與聚合物親疏水性質(zhì)無關(guān)，因此，親水的聚合物長鏈也具有相似的抗生物黏附功能，其作用機(jī)制將在2.3.1節(jié)討論。

2.2 親水抗生物黏附材料

2.2.1 非離子型親水聚合物

將不帶電的非離子型親水聚合物改性到食品接觸材料表面后，其會通過氫鍵作用結(jié)合附近水分子，在材料表面形成致密的水合層，從而減少生物污染物與材料表面的相互作用，實(shí)現(xiàn)抗生物黏附功能[43-44]。聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）和低聚乙二醇（oligoethylene glycol，OEG）中含有大量的親水醚基，是抗生物黏附應(yīng)用中最常用的非離子型親水聚合物[45]。Jo等[46]將硅烷化的PEG共價(jià)接枝到Al2O3表面后，材料表面親水性能增強(qiáng)（水接觸角由65.1°降低至9.6°），且有效地減少了95%以上的蛋白吸附。通過增加PEG的鏈長可以在改性表面引入更多的親水基團(tuán)，增強(qiáng)水合屏障，從而提高抗生物黏附效率，如圖4A所示，Chen Qi等[47]將短鏈（OEG4）、中鏈（OEG8）和長鏈（PEG2000）的PEG利用交聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyl triethoxysilane，APTES）共價(jià)修飾到玻璃上，生物污染物在OEG4修飾后的玻璃表面的黏附覆蓋率約為35%，而在OEG8和PEG2000修飾后的玻璃表面上則只檢測到極少量的細(xì)胞，黏附率低于5%，這是由于長鏈PEG含有更多的親水醚鍵，水合作用更強(qiáng)，此外，長鏈的親水聚合物可以提供更強(qiáng)的空間阻隔效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)抗生物污染物黏附功能的提升。

圖4 親水抗生物黏附材料的構(gòu)建[47,61,65-66]Fig.4 Construction of hydrophilic anti-biofouling materials[47,61,65-66]

雖然PEG改性的材料可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的抗生物黏附效應(yīng)，然而其化學(xué)穩(wěn)定性不理想，在長期使用過程中容易自動氧化，失去抗生物黏附性能[48]。此外，這類不帶電荷的親水聚合物的水合作用主要依賴于親水官能團(tuán)與水分子之間的氫鍵作用，而氫鍵具有飽和性和方向性，因此水合作用強(qiáng)度相對有限[49]。通過優(yōu)化這種親水聚合物的空間分布，可以在聚合物的親水基團(tuán)和周圍的水分子之間產(chǎn)生更多的氫鍵，提高防生物黏附性能[50]?；铙w自由基接枝聚合技術(shù)（ATRP、可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合）可以實(shí)現(xiàn)親水聚合物長鏈的有序排布，從而提高抗生物黏附效率[51]，但是高成本、復(fù)雜合成過程和潛在環(huán)境污染問題嚴(yán)重制約了這類技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[49]。

2.2.2 兩性離子聚合物

兩性離子聚合物是指重復(fù)單元內(nèi)，攜帶等量的正負(fù)電荷且保持整個(gè)單元凈電荷為零的一類親水聚合物[52]。與非離子型親水聚合物通過氫鍵形成水合層的機(jī)制不同，兩性離子聚合物的水合層的形成依賴于聚合物中每個(gè)重復(fù)單元正負(fù)電荷與附近水分子間的靜電作用[53]。此外，兩性離子聚合物結(jié)構(gòu)的凈電荷幾乎為零且電荷分布均勻，因此其本身不會與帶電的生物污染物直接作用，保證了高效的抗生物黏附功能[54-56]。例如，Jiang Shaoyi等[55]在玻璃表面涂覆了聚(甲基丙烯酸羧基乙酯)（poly(carboxybetaine methacrylate)，PCBMA），10 d內(nèi)抑制了近95%的銅綠假單胞菌生物被膜的形成，然而相同條件下，PEG涂層的材料僅能將生物被膜的形成延遲1 d。盡管兩性離子聚合物可以提供高效的防生物黏附性能，但由于其在水中的溶解度極高，故在富水環(huán)境中的應(yīng)用受限[57]。

對此有3 種主要的應(yīng)對方案：1）將含有烯烴官能團(tuán)的兩性離子單體與一些疏水的不帶電單體進(jìn)行共聚，制備非水溶性的兩性離子共聚物，如聚(丙烯腈單體-甲基丙烯酸磺基甜菜)和聚(甲基丙烯酸三氟乙酯-甲基丙烯酸-磺基甜菜堿)[58-59]等。然而將此類共聚物加工成型后，大多數(shù)的兩性離子單元分布在材料內(nèi)部而非表面，因此，共聚物與周圍環(huán)境中的水分子的相互作用較弱且聚合物長鏈的立體阻隔作用有限，無法達(dá)到最優(yōu)的抗生物黏附效果[60]。2）將含有烯烴官能團(tuán)的兩性離子單體或聚合物通過自由基接枝聚合反應(yīng)共價(jià)接枝到固體基材表面，可最大限度地實(shí)現(xiàn)兩性離子聚合物與周圍水分子的相互作用。自由基接枝聚合方法可分為“grafting to”和“grafting from”兩類。如圖4B所示，“grafting to”方法是指將末端功能化的聚合物長鏈直接接枝到固體表面，而“grafting from”則是指從固體表面引入引發(fā)劑，在其作用下逐個(gè)接枝單體，實(shí)現(xiàn)聚合物的生長[61]。Wu Jiang等[62]首先合成由PEG和聚甲基丙烯酸磺基甜菜堿（polysulfobetaine methacrylate，PSBMA）組成的共聚物，再通過“grafting to”接枝方法將該共聚物接枝到基材表面，改性后的基材表現(xiàn)出優(yōu)異的抗生物黏附性能，降低近80%和70%的牛血清白蛋白和賴氨酸沉積。此外，PCBMA和聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿)（poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine)，PMPC）等兩性離子聚合物也已經(jīng)成功地通過“grafting from”聚合反應(yīng)共價(jià)接枝到多種固體表面，實(shí)現(xiàn)其抗生物黏附功能的持久性[63]。何克[64]比較了“grafting to”和“grafting from”兩種自由基共價(jià)方法，分別將2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿單體或PMPC接枝到金（Au）材料表面，相較于“grafting to”的接枝方法，“grafting from”可在金表面形成致密的高分子刷親水功能層，雖然接枝密度提高，但最終形成的高分子刷長度不一，兩種接枝方法各有利弊，需結(jié)合具體接枝單體、聚合物、材料基質(zhì)及應(yīng)用條件等實(shí)際因素綜合分析，選取最適接枝方法。3）除通過自由基反應(yīng)將兩性離子聚合物共價(jià)結(jié)合到基材上外，一些含有特殊官能團(tuán)的兩性離子聚合物也可通過特定化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)與基材的共價(jià)結(jié)合（圖4C）。例如，Nikam等[65]利用硫醇-烯反應(yīng)，將含有硫醇官能團(tuán)的兩性離子接枝到烯烴活化的熱塑性聚氨酯表面后，分別抑制了近60%、40%和50%的纖維蛋白原、銅綠假單胞菌和表皮葡萄球菌的黏附，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗生物污物黏附功能。Kwon等[66]合成了一種酪胺共扼的磺基甜菜堿聚合物，并通過酪氨酸酶介導(dǎo)的反應(yīng)將其簡單地接枝到聚氨酯表面，與對照組表面相比，聚(磺基甜菜堿-酪胺)改性后，材料表面顯著減少了90%以上的纖維蛋白原、血小板、成纖維細(xì)胞和鏈球菌的黏附，但是這些具有特殊活性的兩性官能團(tuán)的兩性離子聚合物通過化學(xué)反應(yīng)與基材共價(jià)結(jié)合后的穩(wěn)定性仍待進(jìn)一步研究。

2.3 親水聚合物的抗黏附原理

2.3.1 立體阻礙阻隔

與疏水聚合物長鏈改性的表面相似，親水聚合物長鏈改性的材料表面也可通過立體阻隔效應(yīng)減少生物黏附[67]。如圖5A1所示，當(dāng)生物污染物接近疏水或者親水聚合物長鏈改性的防污表面時(shí)，延展?fàn)顟B(tài)下的聚合物長鏈將被壓縮，導(dǎo)致材料表面的熵?fù)p失。整個(gè)生物黏附過程中的吉布斯自由能為正數(shù)，即黏附過程從熱力學(xué)角度上看是一個(gè)非自發(fā)的過程。因此，親水性和疏水性的防污長鏈聚合物都可能具有立體阻礙效應(yīng)，這種立體阻礙效應(yīng)依賴于聚合物的長鏈結(jié)構(gòu)而不是親疏水特性。

2.3.2 水合效應(yīng)

通過水合作用在表面形成致密的水合層是親水材料抵抗非特異性生物污染物黏附的關(guān)鍵機(jī)制。非離子型和兩性離子型親水聚合物可以分別通過氫鍵和靜電作用在其改性的材料表面產(chǎn)生致密的水合屏障，削弱生物污染物與材料表面之間的相互作用（圖5A2）。對于非離子性的PEG，每個(gè)重復(fù)單元只能通過氫鍵捕獲一個(gè)水分子，形成水合層[68]。而兩性離子聚合物的每個(gè)重復(fù)單元均含有一個(gè)帶正電和帶負(fù)電的基團(tuán)，它們可以通過靜電相互作用與多達(dá)8 個(gè)水分子結(jié)合。相同條件下，兩性離子聚合物具有更高的水合能，所形成的水合屏障更為致密，因此，由兩性離子聚合物改性的材料表面的抗生物黏附性能更優(yōu)[69]。此外，He Yi等[70]利用分子動態(tài)模擬軟件研究了兩性離子附近的水分子構(gòu)象和動態(tài)特性（圖5B），結(jié)果表明，與非離子型親水分子附近的水分子相比，這些水分子自由度較低，有利于保持水合層的構(gòu)象穩(wěn)定，并且在兩性離子所捕獲的水分子具有更寬的偶極取向分布，能降低其與帶電生物污染物的相互作用，有效地減少生物污染物的黏附。

3 抗生物黏附材料在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

在食品加工與生產(chǎn)過程中，受到食源性致病菌污染的食品會頻繁與加工設(shè)備、包裝等表面接觸，污染食品接觸表面，形成具有極強(qiáng)抗逆性的生物被膜，嚴(yán)重威脅食品微生物安全[71]。將具有抗生物黏附功能并且具有一定安全性和穩(wěn)定性的材料應(yīng)用在食品領(lǐng)域中，有望降低食源性致病菌在食品接觸表面的黏附，并預(yù)防生物被膜的產(chǎn)生，目前在食品包裝材料、食品加工設(shè)備等方面已有應(yīng)用初試。

3.1 抗生物黏附材料在食品包裝方面的應(yīng)用

賦予食品包裝材料抗生物黏附功能可有效避免食源性致病菌在食品產(chǎn)業(yè)末端的交叉污染，并且抗生物黏附材料不會對食品本身產(chǎn)生任何影響[72]。Oh等[73]通過蝕刻技術(shù)在親水的石英載玻片上加工微紋理，并對材料表面進(jìn)行甲基化改性，實(shí)現(xiàn)了基于Cassie模型的材料表面的全疏液改性，改性后，石英的水接觸角從10°增加到155°，減少了約99.9%的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在食品包裝材料表面的黏附。Ma Yue等[74]通過自由基接枝聚合反應(yīng)，將具有殺菌功能的N-鹵胺和兩性離子聚合物PSBMA共價(jià)結(jié)合到聚(乙烯醇-共-乙烯)塑料薄膜上，成功制備了殺菌/抗生物黏附雙功能的食品包裝薄膜，改性后的超親水薄膜可減少近85%大腸桿菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌的黏附，有效地預(yù)防了食源性致病菌生物被膜的產(chǎn)生。

3.2 抗生物黏附材料在食品設(shè)備方面的應(yīng)用

食品加工環(huán)境為致病菌的黏附及后續(xù)生物被膜的形成提供了有利條件，所生成的致病菌生物被膜不僅威脅食品安全，還造成了近18.5%的食品加工機(jī)械損耗[73]。對此，Oh等[75]通過沉積帶有錨定全氟基團(tuán)的二氧化硅納米粒子，對廚房和使用食品加工設(shè)施的工人使用的乳膠、丁腈和聚乙烯手套進(jìn)行了疏水改性，最終將手套材料表面的靜態(tài)水接觸角增加到160°，減少了98%的腸球菌和金黃色葡萄球菌在手套表面的黏附。Brown等[76]以多孔聚丙烯（polypropylene，PP）為基材，通過紫外活化將氟硅烷偶聯(lián)到多孔PP，導(dǎo)入潤滑液獲得具有極低表面能的SLIPS疏水抗生物黏附表面，從而有效避免能夠分泌表面活性液體生物的黏附。相似地，Rungraeng等[77]在不銹鋼上沉積多壁碳納米管以產(chǎn)生粗糙表面，隨后用含有大量致病微生物的黏性液體浸漬粗糙表面成功得到了SLIPS表面，此方法使材料表面水接觸角提高至154.91°，在食品加工或傳送設(shè)備中應(yīng)用該材料，降低了約90%大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的黏附。

綜上所述，雖然抗生物黏附材料在食品相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用已有初試，但其適用范圍存在一定的限制。食品工廠中通常使用大量的水和清潔劑清潔食品加工環(huán)境，但當(dāng)使用疏水的抗生物黏附材料時(shí)，這些清潔液很難與疏水表面接觸滲透，殘留在食品加工表面的灰塵、泥土等污漬會造成加工環(huán)境污染和健康風(fēng)險(xiǎn)[78]，因此，疏水抗生物黏附材料更適用于封閉性的食品運(yùn)輸管道，以減少其他污漬的污染。值得注意的是，當(dāng)SLIPS疏水抗生物黏附表面應(yīng)用于飲料、醬汁等液體食品的傳送管道時(shí)，流體食品在運(yùn)輸過程中帶來的剪切力會使得SLIPS表面中的潤滑劑流失速度加快，這不僅會影響其抗生物黏附功能，還會帶來一定的食品安全風(fēng)險(xiǎn)[79]。親水性抗生物黏附材料通過捕捉水分子形成水合屏障實(shí)現(xiàn)抗生物黏附功能，因此，在果干、肉干等極度干燥的食品加工環(huán)境中難以適用[80]。此外，當(dāng)親水抗生物黏附材料用于鮮切果蔬等富含水分的食品的包裝材料時(shí)，難以阻止食品的水分流失，進(jìn)而影響食品的質(zhì)量和保鮮效果[81-82]。綜上，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要綜合考慮包括加工環(huán)境、使用條件、食品類型在內(nèi)的多個(gè)因素，根據(jù)不同的場景和需求選擇適合的材料，并注意其維護(hù)和保養(yǎng)，以最大程度地發(fā)揮其抗生物黏附和防污染功能，確保食品的安全和質(zhì)量。

4 結(jié)語

生物被膜現(xiàn)象廣泛存在自然界，能導(dǎo)致食品微生物安全問題，威脅消費(fèi)者的健康，有效防止生物被膜形成的方法之一是在食品接觸材料表面構(gòu)建抗生物黏附的功能層。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，分別分析了親水和疏水抗生物黏附材料的構(gòu)建方法及內(nèi)在抗黏附機(jī)制，總結(jié)了抗生物黏附材料在食品領(lǐng)域的典型應(yīng)用實(shí)例，為后續(xù)抗生物黏附材料的開發(fā)及其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用提供新思路。

抗生物黏附材料未來研究應(yīng)從以下3 個(gè)方面展開：其一，量化分析不同種類生物污染物與接觸表面產(chǎn)生黏附現(xiàn)象的機(jī)制。生物污染物與接觸表面產(chǎn)生黏附現(xiàn)象的機(jī)制非常復(fù)雜，與生物污染物的類型、形狀、大小、表面性質(zhì)等因素密切相關(guān)?，F(xiàn)有的DLVO理論可以對一些單一的生物污染物與表面間的黏附行為進(jìn)行解釋，但是對于不同種類生物污染物及其復(fù)雜的形狀和表面特征的影響尚不明確，需要進(jìn)行更深入的研究。其二，開發(fā)新技術(shù)在疏水材料表面構(gòu)筑微納級粗糙結(jié)構(gòu)，以形成Cassie接觸模型提高其抗生物黏附性能。除機(jī)械加工法、蝕刻法、激光加工法和納米壓印法等傳統(tǒng)加工方法，近年來研究人員也在探索新的材料表面技術(shù)，如通過化學(xué)反應(yīng)形成微米級的球形顆粒、通過自組裝分子在材料表面自組裝形成納米結(jié)構(gòu)，或者利用膠體顆粒在表面自組裝形成粗糙結(jié)構(gòu)等[83-84]，這些方法具有高度可控性和可重復(fù)性，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。其三，單一“防御”機(jī)制對生物被膜形成的抵抗能力有限，為了提高抗生物黏附材料的防控效率，可將“攻擊”和“防御”相結(jié)合，這就意味著在抗生物黏附材料的基礎(chǔ)上引入廣譜殺菌劑，利用兩種不同機(jī)制的協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對生物被膜的高效防控。利用抗生物黏附材料減少生物污染物在食品接觸表面的黏附，可預(yù)防食源性致病菌生物被膜的產(chǎn)生，保障食品安全。