天然抑菌膜的分類及研究進展

林 倩，盧笑雨，吳 昊，王 雪

（1.河北農業大學理工學院，河北滄州 061100；2.河北農業大學園藝院，河北保定 071000）

近年來，我國國民經濟的迅速增長使得食品工業得到迅速發展，新型食品加工技術的研究、新型食品種類的開發等方面取得了卓越成績，這就使得各類食品的防腐保鮮成為食品工業中一個顯著問題，現有保藏技術都存在一些缺陷，如保藏過程中食品的營養損失、食品口感質地色澤的不良變化、防腐添加劑對人體的副作用等。與此同時，消費者越來越重視延長食品的保質期和控制新鮮產品的品質，因此制造商必須提供現代化且安全的包裝[1]。這不僅推動了包裝技術概念的發展，還推動了食品天然抑菌膜的發展。在食品工業領域，可食用天然抑菌膜的基本優勢是可以保持甚至提高包裝產品的質量，延長其保質期，減少食品營養的損失。

1 抑菌膜的介紹

1.1 天然抑菌膜

食物在生產、運輸、儲存、銷售等過程中，極易發生腐敗變質。食品變質不僅會給生產者、銷售者帶來一定的經濟損失，還會對誤食變質食物食用者的身心健康造成負面影響[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，降低氧氣對食物的影響，從而減少蛋白質等營養物質的損失[3]，在保證食品營養且安全的前提下，能最大限度地維持食品在儲存期間的感官特性，延長食品的儲存期與貨架期。

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。塑料因質量輕、化學性質穩定、阻透性良好等優點被廣泛使用，但多數塑料降解困難，容易污染環境，且存在有毒物質的污染。因此，天然可食性包裝膜日益受到人們的重視，成為新材料開發的重要研究方向[4]。可用于制備包裝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養價值，可以生物降解，對環境無污染。

在食物中添加防腐類添加劑可以減少食物的腐敗變質，這也是食物生產過程中普遍使用的方法。火腿等肉類食品防止腐敗變質的方法是在其中添加防腐劑干擾微生物的生長，但是防腐劑使用不當會使人體產生惡心、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保質期，避免化學添加劑對人體造成的危害。

2 不同類型抑菌膜的研究進展

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%，拉伸強度上升為70.6 MPa，透明度上升為78.6，同時使淀粉膜光滑平整。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菌、酵母菌和霉菌的生長繁殖，因此只需要添加甘油達到增塑效果，就可以獲得性能優越的抑菌膜。張寶艷[8]通過對殼聚糖納米銀復合膜的研究發現，由于殼聚糖的聚陽離子性質，金屬離子的加入會改善傳統殼聚糖涂層的機械性能，優化后的殼聚糖復合膜斷裂伸長率為 21.71%，拉伸強度為18.17 MPa。當使用溫度低于100℃時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載金屬增強其抗菌活性，改善殼聚糖膜抑菌光譜性差的缺點。此外，殼聚糖抑菌膜可通過減少水分和溶質遷移、減少水果的呼吸作用與蒸騰作用等延長瓜果等易腐爛產品的貯藏時間。

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良性能，如透明度大、強度和剛度大[10]、氣孔少、高度親水性、優良滲透性、耐污染性等。趙昊等人[11]通過掃描電鏡觀察發現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定，抗菌耐久性差，因此要添加抑菌劑，經王新偉等人[12]的試驗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溶劑，使其難以與其他材料復合，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]，它獨特的長鏈螺旋分子結構使其擁有穩定的化學性質，這為其長期儲存提供條件[15]。魔芋葡甘聚糖膜制品的穩定性、營養、抗拉強度等方面優于以其他多糖為基質的抑菌膜，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]測得玉米醇溶蛋白與魔芋葡甘聚糖混合膜的最優拉伸強度為63.02 MPa，最大斷裂伸長率為15.97%。復合膜的阻氧性也大幅度減低。單一的葡甘聚糖膜伸長率低、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較差，對酵母菌、青霉菌、赤霉菌等真菌和金黃色葡萄球菌、谷草桿菌等細菌有明顯的抑制作用，對大腸桿菌、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抗菌性能。

2.2 蛋白質類抑菌膜

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用受到一定程度的限制。王雪等人[18]通過對比3種增塑劑對玉米醇溶蛋白膜的影響，發現添加檸檬酸時，可以獲得機械性能最好的膜制品，且此時玉米醇溶蛋白膜的水蒸氣透過率低至6.28 g·mm/m2·d·kPa。玉米醇溶蛋白價格昂貴，使其很難單獨應用于 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]研究發現，加入茶多酚可以在提高其抑菌能力的同時降低吸油性。試驗獲得的最佳乳化性為29.00，乳化穩定性為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，減少營養物質的損失，達到果蔬保鮮的目的。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，改善被包裝產品的口感及風味[22]。Jensen A等人[10]試驗證明，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，但環境變化對大豆分離蛋白膜的影響較大。王新偉等人[23]發現，當環境相對濕度＜33%，大豆分離蛋白膜具有較小的氣體透過率；當環境相對濕度＞59%，氣體透過率迅速增大。氣體透過率也會隨溫度的上升而上升。因此，在貯藏、運輸過程中大豆分離蛋白膜的變化可能會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]通過對乳清蛋白成膜工藝的研究，獲得的性能最佳膜的透濕系數為0.427 g·mm/m2·h·Pa，透氧系數為0.153 cm3·mm/m2·d·kPa，抗拉強度為4.46 MPa，斷裂伸長率為8.21%。乳清蛋白膜可以減緩果蔬失重、抑制呼吸作用、保持營養物質、防止褐變、延長貨架期，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乳清蛋白膜的影響，結果表明復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菌、酵母菌、霉菌的生長，而且對膜的機械特性無顯著影響。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-乳球蛋白的結構缺陷等，這些問題嚴重限制了其應用范圍。

2.3 脂類抑菌膜

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

3 結語

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械性能、耐熱性能、阻隔性能等包裝性質較差，因此天然聚合物的復合材料成為研究熱點。可廣泛應用馬鈴薯、玉米等天然物質作為原料并提取天然聚合物，將有機酸、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于合成聚合物，但由于對水有很高的親和力，從而導致結構的變化，對它們的機械性能和阻隔性能有很大的影響，其應用仍然有限。現今市場上以天然抑菌膜包裝的產品相對較少，當上述問題解決后，天然抑菌膜將普遍存在。