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

吉林農業科技學院食品工程學院（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雜聚合物制成，是一種不可降解的有機物[1-2]，加熱過程中易產生有毒致癌物質，對食品安全產生較大威脅。隨著人們安全意識的提高，人們對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定性低、抑菌性能不良和品質不一等問題。

ε-聚賴氨酸是一種含有25～30個賴氨酸殘基的同源多肽。賴氨酸殘基通過羧基和氨基形成的酰胺鍵連接形成ε-聚賴氨酸，其對大腸桿菌、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別[3-4]；普魯蘭多糖是真菌出芽短梗霉菌株分泌出一種無毒、安全、黏性強的高分子物質[5]；魔芋葡甘聚糖是從魔芋的塊莖里提取出來的一種高相對分子質量、非離子型水溶性多糖，其生物活性、流變學性能、親水性、膠凝性、增稠性、黏結性、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、成膜效果顯著的優點[7-8]，ε-聚賴氨酸具有優良的抗菌性能。

此次試驗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，并對其抑菌性能進行測定，以期獲得具有優良抗菌效果的可降解食品包裝紙。

1 材料與方法

1.1 儀器與設備

試驗儀器與設備見表1。

表1 試驗儀器與設備

1.2 材料與試劑

ε-聚賴氨酸、普魯蘭多糖（98%，食品級）、魔芋葡甘聚糖（98%，食品級）、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

1.4.1 混合菌液的制備

配制100 mL 0.90%生理鹽水，在無菌環境下，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 抑菌試驗方法

在無菌操作臺上，吸取1 mL混合菌懸液加入到空白培養皿中，傾注10 mL冷卻至50 ℃的固體培養基。待培養皿冷卻穩定后，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照，平板經室溫放置10 min，置于37 ℃恒溫培養箱培養24 h，觀察細菌生長情況，測定抑菌圈直徑，所有試驗重復3次，取平均值并記錄結果。

1.4.3 單因素試驗設計

單因素試驗設計見表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 單因素試驗因素水平表 %

1.4.4 響應面試驗設計

以單因素試驗為基礎，根據Box-Behnken試驗設計原理，選取普魯蘭多糖、魔芋葡甘聚糖和ε-聚賴氨酸三個因素，進行三因素三水平的響應面分析方法，因素與水平設計見表3。

表3 響應面試驗因素與水平設計 %

2 結果與分析

2.1 單因素試驗與結果分析

2.1.1 普魯蘭多糖對抑菌圈直徑的影響

由圖1可知，普魯蘭多糖添加量對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，其對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，抑菌性負荷，細菌增長與其他成分拮抗，有效成分被破壞，所以當添加量為0.75%時，抑菌性較好。

2.1.2 魔芋葡甘聚糖對抑菌圈直徑的影響

由圖2可知，隨魔芋葡甘聚糖質量分數的增大，抑菌圈直徑先增大后減小。當添加量由少至多時，最大抑菌圈直徑達34 mm，抑菌性逐漸敏感；當其添加量低于0.75%時，透明圈直徑減小，魔芋葡甘聚糖屬天然成分，添加量過多會抑制性能，與周圍環境作用，細菌抑制不明顯，而導致縮圈。

圖1 普魯蘭多糖對抑菌圈直徑的影響

圖2 魔芋葡甘聚糖對抑菌圈直徑的影響

2.1.3ε-聚賴氨酸對抑菌圈直徑的影響

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ε-聚賴氨酸添加量為0.3%時，抑菌性最強。可能是因為ε-聚賴氨酸中的活性物質破壞了微生物的細胞結構，能量物質運輸中斷，導致呼吸被其抑制。

圖3 ε-聚賴氨酸對抑菌圈直徑的影響

2.2 響應面試驗結果及分析

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因素，抑菌圈直徑為響應值，用響應面分析法對成膜配方進行優化，設計及測定的結果見表4。

表4 響應面試驗設計及結果

2.3 回歸方程擬合和方差分析

利用表4的響應面試驗設計得出的數據進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；由各項因素的p值可知，對抑菌圈直徑的影響大小順序為ε-聚賴氨酸＞魔芋葡甘聚糖＞普魯蘭多糖。說明ε-聚賴氨酸對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R2=0.958 7，預測決定系數R2=0.905 7，所以參考值與模擬預測值有緊密聯系，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 對抑菌圈直徑影響的響應面及等高線

以抑菌圈直徑取最大值為尋優目標，用軟件Design- Expert 8.0.6的優化功能對因素綜合尋優。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。按以上述優化結果的材料配比進行膜液的制備，進行3次平行驗證試驗，取平均值，測得抑菌圈直徑為41.96 mm，驗證試驗結果與擬合值無顯著性差異。

3 結論

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，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。