功能性可食性复合蛋白膜的研究进展

雷桥* 王易芬 李立

（上海海洋大学食品热加工工程中心，上海 201306）

1. 研究背景及意义

尽管塑料及其衍生物等高分子合成材料的使用对食品的包装、保鲜及贮藏十分便捷且有效，有利于延长食品的货架期，但同时也引起了严重的环境问题，导致了资源浪费及环境污染。我国每年的包装废弃物超数千万吨，并持续快速增长，由于大部分塑料包装材料不可降解或回收率极低，因此，造成了严重的生态问题。

近年来，可降解可食性的食品包装材料，引起了人们极大的关注。可食性薄膜是以可食性生物大分子物质为主要基质，辅以可食性增塑剂，通过一定的处理工序使各成膜组分分子之间相互作用，干燥之后形成的一种具有一定力学性能和选择透过性能的结构致密的薄膜[1]。可食性薄膜可运用于诸多产品中，以控制水分转移、气体交换或者氧化进程。使用可食性薄膜的主要优势之一，是可在天然聚合物基质中加入某些活性成分或功能性成分（如，抗菌剂、抗氧化剂、吸潮剂、香味剂等），通过薄膜的迁移扩散作用，以此增强食品的安全性、营养价值及感官品质[2]。因此，开发生物活性、功能性包装薄膜，如，可降解的可食性薄膜，是当前食品保藏工业最富前景的技术之一，也是保证食品质量和安全极具潜力的手段之一。此外，可食性包装材料还因其不产生包装废弃物，有利于环境保护及资源保护，具有绿色包装的特性，而成为未来包装行业发展的重点之一。

现代可食性保护薄膜要求：1）具备良好的阻湿性以保护被包装的食品，或当置于不同水分活度的组分之中时，能起到延迟各类食品达到水分平衡的作用；2）具备良好的阻气阻氧性能；3）具备良好的机械性能及感官特性，并通过抗菌剂、抗氧化剂等食品添加剂来提高其弱于非可食性薄膜的保护性能。

雷桥等研究发现[4,5]，可食性复合蛋白质薄膜（乳清分离蛋白--酪蛋白酸钠--甘油等）作为一种新型的、有潜力的可食性包装材料，其包装性能在对部分塑料的替代性方面，具有独特的优势，适用于干燥食品、中低水分活度（aw: Water activity）食品的内包装或冷冻食品的包装。如，方便面的调料包等，可直接投入热水中，无需拆包，不产生包装废弃物；也适于食品的渗透蒸发包装，透湿阻气，达到浓缩且保香的目的。

然而，影响复合蛋白薄膜包装特性的因素较多，包括薄膜的制备工艺、增塑剂的选择、溶剂性质、变性处理、溶剂干燥速率、浸润或喷雾等技术的应用及薄膜的厚度等，且薄膜还具有不同程度的亲水性。要研制适合不同包装需求的可食性复合蛋白薄膜，并适用于产业化生产，需要对其包装特性建立科学的定向、定量及定性的调控方法，需要对其传质行为进行深入系统的研究，并需要掌握其特殊的微观结构形态、分子特征及溶胀效应。该研究需要融合化学、力学、光学、材料学、热动力学、包装学、高等数学、数理统计等多学科中的宏观、微观及多维尺度理论，应用光谱、色谱及热重分析等新型检测技术，是食品包装科学与工程学科的前沿课题。

因此，可食性复合蛋白薄膜具有广阔的研发空间及应用前景，对其包装特性的调控、改良及其传质行为的机理研究，并赋予其特定的功能，如，抗菌性等，将为其替代部分塑料的推广应用，奠定坚实的理论基础，具有不菲的经济价值和安全环保的现实意义。

2. 国内外研究现状

国内外的学者在可食性薄膜的成膜工艺、薄膜性能的改善以及涂膜方面，开展了较为广泛的研究和应用，此类研究主要关注于以下几个方面：1）可食性薄膜的阻隔性能（透气性和水蒸汽扩散速率）研究；2）增塑剂种类或其添加量对薄膜性能的影响；3）薄膜的抗菌性能研究；4）成膜工艺研究（倒平板成膜法等）；5）薄膜的机械性能，如抗压、抗拉性能研究等[6-14]。

2.1 成膜材料

2.1.1 典型成膜基材

表演艺术是通过人的演唱、演奏、表情或者人体动作来塑造形象从而传达情感、表现生活的艺术。[1]舞台表演艺术则是演员通过在舞台上的表现，使作品更富有感染力，更加吸引观众，传达作品所要表达的深层内涵。这就要求演员要反复研究作品，体会其中的情感，然后通过自己的肢体、表情等向观众传达。演员本身就是创造者，他所表演的角色就是艺术品本身。

基于可再生资源的环境友好型、生物可降解“绿色包装”、“功能活性包装”以及“纳米包装”材料的基材，大体可分为以下5类：1）蛋白质--明胶、酪蛋白及玉米蛋白等；2）多糖、淀粉、糊精、纤维素衍生物、壳聚糖和琼脂等；3）藻酸盐、果胶等；4）蜂蜡、类脂、甘油一酸酯和其它衍生物等；5）复合材料--不同材质的混合体。

其中，蛋白质薄膜利用了蛋白质的两性解离性质、变性作用和别构/变构效应，与其它基材相比，在结构和生物功能上更富于变化。以蛋白质为基材所制得的薄膜，具有以20种氨基酸为基础的特殊结构、功能及成膜特性。蛋白基膜因其良好的水分、油、脂肪、及挥发性成分的阻隔性能，对气体渗透有选择性而受到极大关注。

蛋白质薄膜包括谷蛋白膜、玉米醇溶蛋白膜、乳清蛋白膜、大豆蛋白膜、酪蛋白膜、胶原蛋白膜等。其中，乳清蛋白含有人体所需的必需氨基酸，且比例恰当，易被人体吸收利用。乳清蛋白存在于奶酪或酪蛋白生产过程产生的乳清中。乳清蛋白约占牛乳中总蛋白含量的20%，是具有多种功能性质的混合蛋白质。其主要的5种蛋白分别为：α乳白蛋白、β乳球蛋白、牛血清白蛋白、免疫球蛋白和蛋白胨。β乳球蛋白约占乳清中蛋白的57%。结晶化分析表明β乳球蛋白存在于一个球形结构中，其疏水性基团和巯基基团稳定于该球形结构内部。α乳白蛋白是第二大丰富的乳清蛋白，大约占总乳清蛋白含量的19%。它是一个含有4个二硫键的球形蛋白质，其分子中有规则/有序的二级结构含量少。然而，结合钙和4个二硫桥，能维持α乳白蛋白的球形结构，并能使其更稳定，防止变性。牛血清白蛋白是一种大型的球形蛋白质，约占乳清蛋白含量的 7%，它含有 17个二硫键和一个自由巯基，使其高度结构化。免疫球蛋白和蛋白胨分别占乳清蛋白含量的13%和 4%[15]。根据乳清蛋白工业回收工艺的不同，可以将乳清蛋白产品依据其蛋白含量分为乳清浓缩蛋白（WPC）和乳清分离蛋白（WPI），其蛋白含量分别为20-80%和大于90%。乳清蛋白薄膜透明，温和，具有一定柔韧性，且有较好的氧气、气味和油阻隔性能。但由于薄膜的亲水性，具有较差的水分阻隔性，其水蒸气透过率高于低密度聚乙烯LDPE三个数量级。

酪蛋白是牛奶中最主要的蛋白质，它是一种特殊的蛋白质，因其只在乳腺中合成，仅在自然界中存在。酪蛋白含有四种主要成分：α s1-酪蛋白，α s2-酪蛋白，β-酪蛋白和κ酪蛋白。酪蛋白为一种磷蛋白，含有 0.85%的磷，酪蛋白的丝氨酸残基被磷酸酯化形成磷酸盐中枢，通过疏水作用与钙离子紧密结合。因酪蛋白中的氨基酸组成中，半胱氨酸水平较低，以至于不能形成广泛的共价分子间或分子内的二硫键，不能形成水不溶性的薄膜。酪蛋白含有少量的二级和三级结构，这可能是由于高浓度的脯氨酸，扰乱了α螺旋结构和β片展结构。酪蛋白分子有一个开放、柔韧、可移动的构造，通常被认作无规则或随机螺旋结构[16,17]。此外，β-酪蛋白是牛奶中疏水性最强的蛋白，与其它酪蛋白薄膜相比，具有更低的水蒸气渗透系数和更强的抗拉强度。

为了降低蛋白质薄膜的亲水性，提高其阻水性，可采用变性、交联或鞣制剂（有机酸、单宁酸、三阶或二阶阳离子）、加热处理等措施。 变性蛋白膜具有更高的阻水性，但其弹性及透明度较低，变性介质的用量和浓度也需严格控制以避免产生不可接受的酸味和苦味回味[3]。

2.1.2 可食性增塑剂

在成膜溶液配方中，增塑剂是必不可缺的，在薄膜中添加增塑剂是为了减少其脆性，增加聚合物链的移动性，提高弹塑性、韧性及抗撕裂强度。增塑剂使沿聚合物分子链的分子间的作用力减弱，从而导致薄膜内聚力、抗拉强度和玻璃化转化温度下降。增塑剂须与聚合物可兼容或可混溶，尽可能地溶于溶剂中以避免在干燥中过早分离。水溶性薄膜采用水溶性增塑剂，反之，不溶性或缓溶性薄膜则采用不溶性增塑剂或不溶性分散材料。目前应用较佳的增塑剂包括：1）单糖、双糖和寡糖（主要为葡萄糖或果糖葡萄糖糖浆、蜂蜜等）；2）多元醇（主要为山梨醇、甘油、甘油衍生物及聚乙二醇等）；3）脂质及其衍生物（主要为脂肪酸、甘油一酸酯及酯类衍生物、磷脂、表面活性剂等）。薄膜所需的增塑剂用量一般为10-60%（干基），取决于薄膜的刚性要求。增塑剂的效能可采用经典的测试来进行评价。

国内外文献报道中，甘油和山梨醇是可食性薄膜最常用的增塑剂，其中，甘油是一种高沸点、溶于水、极性并可与蛋白混溶的增塑剂，已被运用到大多数的凝胶薄膜中[18,19,3]。

2.2 成膜工艺及成膜机制

目前，可食性薄膜制备的工艺技术还相当不成熟并成为其推广应用的瓶颈。因天然可食性高分子材料不具备塑料高分子材料等无定形聚合物的温度--形变三态特征（玻璃态、高弹态和粘流态），造成了其加工方法上的极大局限性，难以形成规模化生产。可食性薄膜的成膜工艺需符合成膜材料的具体结构和特性，通常，成膜溶液（及增塑剂）趋向于使用浓度相对较高的水溶液、胶体分散液或乳浊液。成膜溶液的涂布及成膜方法有：手工涂布法、喷雾法、流延法、循环浸润法、滚筒成膜法、流化床或气流涂布法等。但对一些物料，如，海藻酸钙等，需要将成膜溶液交联处理之后，进行2级干燥才能成膜。部分薄膜材料则可采用非-可食性膜的常规工艺，如，挤出法、浇铸法或压延法等方式来进行制备。

成膜装置采用干燥法或冷却法，取决于所使用的薄膜材料的种类。工业化生产需要快速成膜，但由于生产过程中，调节冷却温度或干燥条件以使薄膜保持强度十分关键，因此成膜速度不能过快，否则会导致薄膜不平整、易碎并且表面凹凸不平。在大多数情况下，薄膜涂布工艺需要高度的实践技能、经验及判断力。

任何以聚合物为基体的食品涂膜/成膜单元操作，均存在2种作用力，一为成膜聚合物分子间的内聚力（cohesion），二为薄膜和基体间的粘附力（adhesion）。只有高聚物因其充分的内聚强度和聚结能力，才能从适当的溶剂中提取和沉积出来，形成薄膜构造体。

2.3 蛋白薄膜包装性能参数改良或调控方法

基于极性聚合物的可食性薄膜具有亲水性，对湿度变化十分敏感，在较低的相对湿度条件下易于断裂，而在较高相对湿度条件下又因吸湿溶胀作用，显著降低其阻隔性能。因此，解决方法之一是将薄膜作为内包装材料，外加外包装；之二为采用非极性基材（如，蜡等）或将极性聚合物与非极性材料（如，明胶和脂肪酸衍生物等）相结合。

对于蛋白薄膜，调节或改变其功能特性的方法有物理和化学等方法。其方法之一是通过交联反应来改变聚合物的空间网状结构，即，采用化学法、酶法或物理法处理，使蛋白质氨基酸侧链的反应功能基团发生交联反应[20]。谷氨酰胺转氨酶是改善蛋白质凝胶特性的一种新型食品加工酶，经其改性后，蛋白质的持水性、黏弹性、塑性、凝胶性、乳化性、起泡性、稳定性等可获以改善，是开发新型蛋白质最具前景一种方法[21]。在大多数文献中，谷氨酰胺转氨酶被运用于单一蛋白的交联反应中，但该交联反应也可以运用到两种不同的蛋白质中，结果往往形成杂聚物[22]，并不能确定两种蛋白是否复合在一起，还是只是分别形成的大的聚合物[23]。

2.4 功能性抗菌抗菌蛋白薄膜的开发及特性研究

在天然高分子薄膜材料中添加抗菌剂/防腐剂，能够改善薄膜材料的特性，有效地保护食品免受有害菌的污染，同时可避免抗菌剂在食品中的直接添加或与食品反应而使抗菌效能减弱问题的出现，还可解决抗菌剂滥用的食品安全问题，在保藏食品、延长货架期方面具有广阔应用前景。

Ramos等以乳清分离蛋白为基材，以甘油为增塑剂，在成膜溶液中添加壳寡糖、乳酸和苯甲酸钠等抗菌剂，结果发现，乳酸和壳寡糖组合能产生最大的抑菌效应[24]。Sivarooban等将葡萄籽提取物（1%）、乳酸链球菌素（10,000IU/g）和EDTA螯合物（0.16%）添加至大豆分离蛋白成膜溶液中，结果发现李斯特杆菌、大肠杆菌和沙门氏菌的生长分别减少 2.9、1.8、0.6log CFU/ml[25]。

Pranoto[26]等人报道，在壳聚糖成膜溶液中添加不同配比的山梨酸钾、大蒜精油和乳酸链球菌素（Nisin），对壳聚糖薄膜的机械性能无影响作用，但其抗菌性能显著提高。Emiroglu[27]等研究发现，在大豆蛋白可食性薄膜中分别添加1-5%的牛至精油和百里香精油以及两种精油的混合物，通过对新鲜碎牛肉饼的抗菌研究证明，此类薄膜对大肠菌群、大肠杆菌O157:H7及金黄色葡萄球菌有显著的抑制作用，但对总活菌数、乳酸菌及葡萄球菌菌属的抑制作用不明显。

TiO2涂布或混合添加至食品包装材料的研发已经开始得以关注，个别研究人员已经报道了纳米粒子对薄膜性能的影响[28,29]。Maneerat和Hayata研究了 TiO2涂布塑料膜对菌株 P.expansum的抗真菌活性，此外，Chawengkijwanich和 Hayata还通过两种人工光照条件下的体外模拟测试，开展了TiO2涂布包装材料对大肠杆菌的抗菌性研究[15]。

3. 发展趋势

未来可食性复合蛋白薄膜的研究趋势将集中于：

1）开发速溶型食品内包装薄膜材料或微胶囊，减少包装废弃物，如方便面调料包、油包，粉末化鱼油、粉末化添加剂（精油、香料等）微胶囊的壁材；

2）开发疏水性的复合蛋白薄膜，用于不同水分活度（aw）食品的包装，如，果蔬、即食方便食品等；

3）开发多功能性（抗菌性、抗氧化性、防潮性或温度变色性）的可食性复合蛋白薄膜，以满足食品、药品包装的不同需求；

4）研究亲水性薄膜材料的扩散、迁移、控释动力学机制及其理论模型，为其应用提供可靠的理论导向。

总之，可食性复合蛋白薄膜的研究仍处于初级阶段，具有广阔的研发空间。通过深入系统地研究可食性复合蛋白薄膜包装特性的调控机制及其传质行为，优化性能，为其工业化生产及应用适应性提供可靠的理论依据、实验数据及预测模型是当前研究的重心。

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