可降解抗菌包装材料的研究进展

周成琳 李志明 刘海洋 钟蕊 宋雪健

[摘要]传统的食品包装材料不但难降解，而且有些材料还存在有害物质，同时食品的腐败变质是由微生物导致的，因此研究开发具有可降解、抗菌功能的材料备受关注。本文综述了以多糖类、脂类和蛋白质类为主要成膜基材的抗菌膜的研究及其在食品中的应用状况，旨在为可降解包装材料的深入研究提供参考。

[关键词]抗菌膜;可降解;包装材料

中图分类号：TS206.4 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

传统包装材料由化学燃料生产的高分子聚合物制成，降解时间长达200多年，会造成严重的环境污染。同时有些包装材料在生产加工、流通使用的过程中存在有害成分，对人体危害极大，可导致免疫力下降，心脑血管疾病等，因此对可降解抗菌包装材料的研究极为重要。目前研究的主要方向大致可分为两类：一类是对已有的包装材料通过添加抗菌剂使其具有一定的抑菌功能;一类是开发新型成膜基材及抗菌材料，并将其复合制备成功能性包装材料。抗菌剂可分为天然生物抗菌剂、有机抗菌剂、无机抗菌剂。如有关学者从5种天然芳香型植物中提取了抗菌物质并确定了其安全性，制成的食品包装纸有很强的防止霉菌和其他微生物生长的功能。而天然生物基材料具有易成模、可食用、可降解、透明度好、来源广等优点，其包括多糖类、蛋白质类、脂肪类等机质[1]。本文根据天然生物基抗菌材料的分类不同，分别论述其优缺点及应用现状，为以多糖类、蛋白质类和脂肪类为成膜基材的抗菌膜的研究拓宽方向。

1 多糖类成膜基材的研究

多糖成膜基材主要有壳聚糖、淀粉类及其衍生物、纤维素及其衍生物、海藻酸钠、琼脂及果胶等。其中纤维素及其衍生物中包含棉纤维、木纤维等。淀粉类及其衍生物包括马铃薯淀粉、小麦淀粉、玉米淀粉及木薯淀粉等[2]。多糖类抗菌膜可以自然降解，对环境污染小;有抗菌功能，可延长食品货架期;透光性好，可直接看见食品外观。但其阻湿性差，使水果在储藏过程中大量失水影响口感。

1.1 壳聚糖基抗菌膜

壳聚糖是最丰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个领域得到了广泛的应用。王赢[3]研究得出以壳聚糖为成膜基材，加入0.075%的纳他霉素，0.08%纳米TiO2，搅拌温度为50℃制备的抗菌膜具有良好的热稳定性及抗菌性。王子璇等[4]的研究发现含苯氧基的酚类和一些天然提取物与壳聚糖复合成膜能够显著提高膜的抗菌性能。张盼[5]研究得出壳聚糖和4mg/mL的ε-聚赖氨酸相互作用后可提高抑菌效果，可以应用于虾仁和牛肉的保鲜，从而达到延长货架期的效果。在壳聚糖膜内添加异硫氰酸烯丙酯作为抗菌剂可提高壳聚糖膜的抑菌效果。壳聚糖抗菌膜在生活中可应用于海鲜冷藏、酱腌菜常温贮藏等方面。董红兵等[6]通过试验用浓度为1.0壳聚糖溶液制得的抗菌膜对酱腌菜进行贮藏，具有良好的防腐保鲜效果。

1.2 淀粉基抗菌膜

淀粉的来源较为广泛，可从豌豆、葛根、马铃薯、小麦、玉米及木薯中获得。然而淀粉膜机械性能、耐水性能较差，没有得到广泛的应用，目前多用变性淀粉制备降解膜来改善膜的性能。田春美[7]采用流延法制成淀粉-壳聚糖复合膜，实验结果表明壳聚糖复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有抑制性作用。淀粉基抗菌膜在肉类、果蔬、海鲜、奶酪和新鲜面条中都有应用研究。尹璐[8]研究了其在荸荠保鲜中的应用，实验结果表明以2%壳聚糖、2%葛根淀粉、0.5%抗坏血酸为最佳浓度配比制备的葛根淀粉-壳聚糖复合膜液保鲜效果最佳。李学红[9]研究发现食品抗菌剂环糊精包合物及其功能材料即使不与食品直接接触也可达到防腐抗菌效果，并且可以有效提高其安全性、延长货架期。

1.3 纤维素及其衍生物基抗菌膜

纤维素具有轻质、广泛的可利用性、可再生性和生物降解性，还有较好的机械强度和化学稳定性。纤维素硫酸酯是葡萄糖单元中一个或多个羟基被硫酸根取代的一种纤维素磺化衍生物，具有生物相容性好、亲水性强等特性。杨玲玲[10]制备的纤维素抗菌膜中分别加入不同的抗菌剂，其抑菌效果，依次为肉桂醛>百里酚>山梨酸。纤维素抗菌膜在肉类食品（腊肉、火腿）和果蔬食品（西兰花、黄瓜、草莓、桑葚等）都有应用研究。刘彬[11]采用甲基纤维素与明胶以质量比1∶2的比例、0.4%的甘油、0.08%的山梨酸钾制成的复合抗菌膜，对腊肉的保鲜效果较好。何依谣[12]采用溶液浇铸法制备的聚乳酸复合薄膜被应用到西兰花的保鲜中，结果发现，在4℃条件下，添加3%纳米TiO2的聚乳酸纳米复合膜包装对西兰花常温贮藏保鲜效果较好。

2 蛋白质类成膜基材的研究

用于制作蛋白质类抗菌膜的蛋白质主要分两种，一种是动物蛋白，另一种是植物蛋白。目前常用的是植物蛋白，如葵花蛋白分离物、花生蛋白和大豆蛋白质，其次是酪蛋白、玉米醇溶蛋白、乳清蛋白及小麦谷蛋白黏胶质，还有卵白蛋白和鱼肌肉蛋白等[13]。蛋白質类成膜基材与多糖类成膜基材相比较，蛋白质成膜基材具有较高的抗拉强度和阻隔性，容易降解易于消化。然而其阻湿性差，对水分子敏感，研究通常采用理化方法或酶法将蛋白质与其他疏水材料进行复合，改善材料阻湿性。

2.1 动物蛋白基抗菌膜

陈书霖等[14]采用鱼皮明胶制蛋白膜时，发现戊二醛的添加会使明胶分子发生交联反应。随着水分活度的增加，胶蛋白膜在常温下分别处于玻璃态（此时机械性质能够保持稳定），膜的断裂伸长率上升（此时拉伸强度出现显著下降），最终溶解变成溶胶态。

2.2 植物蛋白基抗菌膜

玉米醇溶蛋白是一种植物蛋白，李娟等[15]通过静电纺丝法制备得到zein-百里香酚纳米纤维膜，该膜水汽透过率和疏水稳定性良好，安全性和生物兼容性也比较好。

3 脂肪类成膜基材的研究

脂类化合物包括中性脂类甘油酯、脂肪酸、甘油酯和蜡，是长链单氢醇和脂肪酸的酯类。在可食用的薄膜中，脂肪类抗菌膜具有一定的防水能力[16]，且对水果、蔬菜进行保鲜时，多采用涂膜的方式。脂肪类抗菌膜通过调节其呼吸作用控制果蔬的腐烂程度，但由于脂类成膜基材单独成膜时均匀分布性较差，并且易产生蜡味，影响被包装物的口感，因此通常与其他成膜基材共混制备薄膜。

4 复合膜

复合膜一般由多糖、蛋白质、脂质类中的几种经处理复合而成。复合膜研究较多的有多糖-蛋白质复合膜或多糖-淀粉复合膜。多糖与蛋白质不仅能在性能上取长补短、相互协同，还具有增稠和凝胶作用[17]。高丹丹等[18]使用普鲁兰多糖和明胶制备了速溶的普鲁兰多糖-明胶可食性膜，实验结果证明当普鲁兰多糖和明胶按2∶5的比例复合时，具有良好的抗拉强度。赖明耀等[19]以魔芋葡甘聚糖和蜂蜡为原料制备复合膜。结果表明：GM/BW配比、甘油添加量、烘干温度对复合膜的拉伸强度均有显著影响，且最优条件为KGM/BW配比6.14∶1、甘油添加量0.42%、烘干温度70.71℃，复合膜的拉伸强度理论预测值为42.156 0MPa，验证值为41.78MPa。

5 结 论

天然生物基成膜材料具有可降解、安全、抑菌效果好、应用范围广。其中多糖类膜的持水性、吸水性特征突出，但其阻湿能力较差。蛋白质成膜基材具有较高的机械性能及阻隔性能，但其对水分子较为敏感。脂肪类成膜基材对水分子不敏感，防水能力强，但其成膜效果较差，且容易产生蜡味。生物基成膜基材与抗菌剂结合制备的抗菌膜存在以下特点：（1）成膜基材对抗菌剂的释放具有缓释作用，能有效提高抑菌周期，可以应用于水果的长途运输保鲜、未成熟水果保鲜、海鲜产品保鲜、腌制食品等。（2）与普通塑料材料相比，生物抗菌膜的物理性能、机械性质相对较差，同时，有些食品包装需要加热塑封，但温度过高会使其改变性质，这类问题有待进一步研究。（3）生物抗菌膜不仅可以应用于食品，还可以应用于农业，例如植物嫁接需要无菌条件，使用生物抗菌膜可增强其韧性，一段时间后自行分解，无需摘除，能够减少人力物力的投入。因此，抗菌膜在生活中具有广泛的应用前景。

参考文献

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收稿日期：2019-12-25

基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（201910223019）。

作者简介：周成琳，女，本科，研究方向为粮食工程。

通讯作者：宋雪健，男，硕士，助理实验师，研究方向为食品加工与质量安全。