天然抑菌膜的分类及研究进展

林 倩，卢笑雨，吴 昊，王 雪

（1.河北农业大学理工学院，河北沧州 061100；2.河北农业大学园艺院，河北保定 071000）

近年来，我国国民经济的迅速增长使得食品工业得到迅速发展，新型食品加工技术的研究、新型食品种类的开发等方面取得了卓越成绩，这就使得各类食品的防腐保鲜成为食品工业中一个显著问题，现有保藏技术都存在一些缺陷，如保藏过程中食品的营养损失、食品口感质地色泽的不良变化、防腐添加剂对人体的副作用等。与此同时，消费者越来越重视延长食品的保质期和控制新鲜产品的品质，因此制造商必须提供现代化且安全的包装[1]。这不仅推动了包装技术概念的发展，还推动了食品天然抑菌膜的发展。在食品工业领域，可食用天然抑菌膜的基本优势是可以保持甚至提高包装产品的质量，延长其保质期，减少食品营养的损失。

1 抑菌膜的介绍

1.1 天然抑菌膜

食物在生产、运输、储存、销售等过程中，极易发生腐败变质。食品变质不仅会给生产者、销售者带来一定的经济损失，还会对误食变质食物食用者的身心健康造成负面影响[2]。天然抑菌膜是以天然植物成分作为主要原料，加入适量的增塑剂、抑菌剂，通过经混合、加热、流延、揭膜等工艺制备而成。通过阻止水分迁移，降低氧气对食物的影响，从而减少蛋白质等营养物质的损失[3]，在保证食品营养且安全的前提下，能最大限度地维持食品在储存期间的感官特性，延长食品的储存期与货架期。

1.2 天然抑菌膜的特性

常见的食品包装材料主要有塑料、纸、金属、玻璃等。塑料因质量轻、化学性质稳定、阻透性良好等优点被广泛使用，但多数塑料降解困难，容易污染环境，且存在有毒物质的污染。因此，天然可食性包装膜日益受到人们的重视，成为新材料开发的重要研究方向[4]。可用于制备包装膜的天然高分子材料来源广泛，所成膜可以作为各种食品添加剂的载体，并且有一定的生物活性和营养价值，可以生物降解，对环境无污染。

在食物中添加防腐类添加剂可以减少食物的腐败变质，这也是食物生产过程中普遍使用的方法。火腿等肉类食品防止腐败变质的方法是在其中添加防腐剂干扰微生物的生长，但是防腐剂使用不当会使人体产生恶心、头痛等症状[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长保质期，避免化学添加剂对人体造成的危害。

2 不同类型抑菌膜的研究进展

2.1 多糖类抑菌膜

2.1.1 淀粉类抑菌膜

淀粉来源广泛、价格低廉、透明度高、韧性好。许卉佳等人[7]研究了以淀粉为主要原料的抑菌膜，淀粉抑菌膜可作为对透明度和柔韧性要求较高的食物的包装。由于添加了天然添加剂乳酸链球菌素，减少了食品受革兰氏阴性菌的影响，可抑制一般的食源性病菌的增殖，在保证食用者健康不受到危害的前提下延长食品货架期。海藻酸钠具有良好的成膜性，可以使淀粉膜断裂率降低为36.9%，拉伸强度上升为70.6 MPa，透明度上升为78.6，同时使淀粉膜光滑平整。但是天然淀粉存在一些缺陷，包括剪切或加热不稳定性、酸性敏感性等，不能满足某些食品的要求加工。另一方面，淀粉膜的水溶性为20%，所以此类抑菌膜并不适合作为表面水分含量高的物质的包装。

2.1.2 壳聚糖类抑菌膜

壳聚糖的成膜性良好，且具有很好的生物相容性和较高的抑菌活性，壳聚糖可以有效抑制细菌、酵母菌和霉菌的生长繁殖，因此只需要添加甘油达到增塑效果，就可以获得性能优越的抑菌膜。张宝艳[8]通过对壳聚糖纳米银复合膜的研究发现，由于壳聚糖的聚阳离子性质，金属离子的加入会改善传统壳聚糖涂层的机械性能，优化后的壳聚糖复合膜断裂伸长率为 21.71%，拉伸强度为18.17 MPa。当使用温度低于100℃时壳聚糖膜的失重率为 7.64%。Ortiz-Duarte Génesis等人[9]研究表明，与壳聚糖粗溶液相比，壳聚糖纳米粒子具有更高的抑菌活性，因此壳聚糖纳米粒子可以通过负载金属增强其抗菌活性，改善壳聚糖膜抑菌光谱性差的缺点。此外，壳聚糖抑菌膜可通过减少水分和溶质迁移、减少水果的呼吸作用与蒸腾作用等延长瓜果等易腐烂产品的贮藏时间。

2.1.3 纤维素类抑菌膜

纤维素是一种天然材料，纤维素膜具有一系列的优良性能，如透明度大、强度和刚度大[10]、气孔少、高度亲水性、优良渗透性、耐污染性等。赵昊等人[11]通过扫描电镜观察发现纤维素膜制品表面平整光滑。单一的纤维素膜黏度为7.700 Pa·S，蒸汽透过率为 20.12 P/（mg·cm-2·d-1），透光率为 95% 。纤维素抑菌膜的抗菌性能不稳定，抗菌耐久性差，因此要添加抑菌剂，经王新伟等人[12]的试验证明在纤维素膜中添加纳米TiO2粒子后纤维素膜的抑菌性能与抑菌持久性均有所提高。纤维素不溶于水和常见的有机溶剂，使其难以与其他材料复合，致使其加工困难且加工成本高，这些都限制了天然纤维素的应用，Xin Zheng等人[13]证明了天然纤维素的衍生物膜可以解决这个问题。

2.1.4 魔芋葡甘聚糖类抑菌膜

魔芋葡甘聚糖是一种可再生的自然多糖[14]，它独特的长链螺旋分子结构使其拥有稳定的化学性质，这为其长期储存提供条件[15]。魔芋葡甘聚糖膜制品的稳定性、营养、抗拉强度等方面优于以其他多糖为基质的抑菌膜，但其膜制品阻隔性较差，可添加玉米醇溶蛋白等改善阻湿阻水性能。王凯等人[16]测得玉米醇溶蛋白与魔芋葡甘聚糖混合膜的最优拉伸强度为63.02 MPa，最大断裂伸长率为15.97%。复合膜的阻氧性也大幅度减低。单一的葡甘聚糖膜伸长率低、脆性大，可以添加增塑剂改善膜的可塑性。单一的魔芋葡甘聚糖膜制品抑菌能力相对较差，对酵母菌、青霉菌、赤霉菌等真菌和金黄色葡萄球菌、谷草杆菌等细菌有明显的抑制作用，对大肠杆菌、黑曲霉菌、根霉菌等菌的作用不明显，可通过添加茶多酚等天然抑菌剂增强抗菌性能。

2.2 蛋白质类抑菌膜

2.2.1 玉米醇溶蛋白类抑菌膜

玉米醇溶蛋白特有的氨基酸组成赋予玉米醇溶蛋白膜较好的隔氧阻水性、韧性、生物相容性、生物黏附性，这些性质使玉米醇溶蛋白可在无需添加剂和鞣制剂的条件下形成一种透明、光滑的薄膜[17]。但玉米醇溶蛋白膜表面特性较差，这使玉米醇溶蛋白膜应用受到一定程度的限制。王雪等人[18]通过对比3种增塑剂对玉米醇溶蛋白膜的影响，发现添加柠檬酸时，可以获得机械性能最好的膜制品，且此时玉米醇溶蛋白膜的水蒸气透过率低至6.28 g·mm/m2·d·kPa。玉米醇溶蛋白价格昂贵，使其很难单独应用于 食品包装。左贯杰等人[19]研究了用玉米醇溶蛋白膜覆盖淀粉膜的双层膜，该膜制品最佳拉伸强度为9.62 MPa，断裂延伸率为75.12%。单一的玉米醇溶蛋白膜的抑菌能力为2.22%，池海波[20]研究发现，加入茶多酚可以在提高其抑菌能力的同时降低吸油性。试验获得的最佳乳化性为29.00，乳化稳定性为95.59%。

2.2.2 大豆分离蛋白类抑菌膜

Sabina G[21]研究表明，大豆蛋白分离物具有良好的成膜能力，可以形成具有良好阻隔性和机械性能的聚合膜。大豆分离蛋白膜可以削弱呼吸及蒸腾作用，减少营养物质的损失，达到果蔬保鲜的目的。除此之外，大豆分离蛋白膜可以作为糖及其他配合物的载体，改善被包装产品的口感及风味[22]。Jensen A等人[10]试验证明，大豆分离蛋白具有良好的抑菌作用，可以有效抑制李斯特菌、大肠杆菌和沙门氏菌的活性，但环境变化对大豆分离蛋白膜的影响较大。王新伟等人[23]发现，当环境相对湿度＜33%，大豆分离蛋白膜具有较小的气体透过率；当环境相对湿度＞59%，气体透过率迅速增大。气体透过率也会随温度的上升而上升。因此，在贮藏、运输过程中大豆分离蛋白膜的变化可能会缩短被包装食品的货架期。

2.2.3 乳清蛋白类抑菌膜

乳清蛋白利用率高、成膜性好，可制备通透性好、阻氧性佳、有弹性的膜。王洪江[24]通过对乳清蛋白成膜工艺的研究，获得的性能最佳膜的透湿系数为0.427 g·mm/m2·h·Pa，透氧系数为0.153 cm3·mm/m2·d·kPa，抗拉强度为4.46 MPa，断裂伸长率为8.21%。乳清蛋白膜可以减缓果蔬失重、抑制呼吸作用、保持营养物质、防止褐变、延长货架期，起到了较好的保鲜效果。但其抑菌性较差。王缎[25]研究了天然抑菌剂的添加对乳清蛋白膜的影响，结果表明复合添加了纳他霉素和聚赖氨酸的乳清蛋白膜可以很好地抑制所选的细菌、酵母菌、霉菌的生长，而且对膜的机械特性无显著影响。但乳清蛋白本身功能特性不够完善，如乳清蛋白具有致敏性、β-乳球蛋白的结构缺陷等，这些问题严重限制了其应用范围。

2.3 脂类抑菌膜

最早的可食性膜的原料是脂类，从石蜡和猪油的应用，再到巴西棕榈蜡制成的水包油乳状液的应用，均证明了脂类膜在防腐保鲜方面的优势。脂类膜的常用原料有蜂蜡、古蜡、硬脂酸和软质酸等。脂类膜有锁水、保湿、护色、保鲜、延长保质期的效果，脂类膜有最好的水汽屏障性能，但以脂类为主要基质的膜脆性极大，机械强度极低，因此很少单独使用，通常作为辅剂与蛋白质多糖混合制成性能更优越的膜。

3 结语

在天然抑菌膜的使用变得广泛之前，仍然存在一些问题需要解决。单一的生物聚合物成膜后机械性能、耐热性能、阻隔性能等包装性质较差，因此天然聚合物的复合材料成为研究热点。可广泛应用马铃薯、玉米等天然物质作为原料并提取天然聚合物，将有机酸、酶、百里酚等不同种类抗微生物剂加入聚合物，以提高抑菌膜的性能[26]。生物聚合物薄膜很多方面都优于合成聚合物，但由于对水有很高的亲和力，从而导致结构的变化，对它们的机械性能和阻隔性能有很大的影响，其应用仍然有限。现今市场上以天然抑菌膜包装的产品相对较少，当上述问题解决后，天然抑菌膜将普遍存在。