天然抗菌剂在食品包装中的研究进展

郭 娟，张 进，王佳敏，朱全山

（华北理工大学机械工程学院，河北 唐山 063210）

食品含有丰富的营养源，为人类的健康提供了营养物质保障，但同时也为细菌的生长繁殖提供了有利场所。随着人们对食品品质和安全的重视，抗菌包装应运而生，抗菌包装是指在包装材料中加入抗菌物质（抗菌剂），这种抗菌物质可从包装材料中逐渐释放到食品表面来控制食品中微生物生长的一种包装技术[1]。一般地，传统用于食品的抗菌剂会影响食品风味、毒性大、威胁人体健康、抗菌效果差，如将山梨酸盐、苯甲酸盐、亚硝酸盐和过氧化氢等防腐剂直接混合在食品配方中，会改变食品原有风味[2]；将含有银、铜、锌等金属离子的抗菌纸板或抗菌小袋直接放在包装内，抗菌效率低[3-7]。为了保证食品品质、减少健康危害、提高抗菌效率，从植物、动物或微生物中提取出的精油、蜂胶和细菌素等天然抗菌剂凭借其无毒、高效和可操作等特点成为包装行业关注的焦点。Llana-Ruiz-Cabello等[8]研究了含有牛至精油的聚乳酸薄膜包装对即食沙拉的抗菌活性；Jovanovic等[9]研究了含有薄荷或百里香精油的壳聚糖-明胶膜对鲜切甘蓝中单核增生李斯特菌的抗菌作用；Quesada等[10]对含百里香精油的壳聚糖膜包装即食肉类中微生物种群和感官特性进行了评价；何叶子等[11]以壳聚糖、羧甲基纤维素钠和蒙脱土为基材，通过添加乳酸链球菌素制备出对鲜肉具有保鲜效果的抗菌复合衬垫。从资源丰富的动植物体内寻找高效、低毒的抑菌、保鲜活性成分作为控制致病性微生物的替代物质，有利于消费者健康及提高资源利用率。

目前，国内外学者已开发出相当数量的天然抗菌剂，Sofi等[12]从抗菌包装组成、抗菌包装的类型以及抗菌剂在食品包装中的有效性等方面综述了抗菌包装及其在食品包装中的应用；Huang Tianqi等[13]报道了食品包装中天然抗菌剂和合成抗菌剂的组成及应用；蔡晨晨等[14]介绍了抗菌物质在食品包装中的应用研究进展；刘勇等[15]对鲜切果蔬包装中的抗菌物质和抗菌包装形式进行了论述。上述报道中仅涉及到了部分天然抗菌剂，为了系统地了解天然抗菌剂的特性，本文较全面地阐述了天然抗菌剂的种类、抗菌特性及其在食品包装的应用发展。

1 天然抗菌剂及抗菌机理

天然抗菌剂是指从自然界中的动物、植物体内提取，或由微生物代谢产生的一类具有复杂结构的物质。根据其主要来源可分为三大类：植物源天然抗菌剂、动物源天然抗菌剂和微生物源天然抗菌剂。

1.1 植物源抗菌剂

1.1.1 植物精油

精油作为食品的抗菌剂已被广泛研究和应用，其主要来源于可食用的香料和草药中。从芳香植物和药用植物中提取的精油具有生物活性，主要具有抗菌和抗氧化的特性[16]；植物精油是一种浓缩的疏水液体，含有挥发性香气，可通过水蒸气蒸馏或溶剂萃取等方法从植物体内获得[1]。醛类、酚类和含氧萜类化合物是精油中的主要抗菌活性物质，其抗菌机理为：精油的有效抗菌成分与微生物细胞膜和线粒体的脂质相互作用，破坏其结构组织的有序性，导致细胞内容物、重要离子和分子大量流失，最终导致细胞死亡[17]。目前已经开发用于食品抗菌的植物精油主要有：牛至精油、肉桂精油、罗勒叶精油、香芹酚精油、柠檬草精油、丁香酚精油、百里香酚精油、大蒜精油（garlic essential oil，GEO）等。表1总结了近年来常用精油的抗菌成分及抗菌活性。

牛至精油来源于一种原产于欧洲、南亚和中亚的芳香草本植物——牛至，这种植物的叶子常用于希腊和意大利菜肴中以增添风味；牛至精油的主要化学成分是香芹酚和百里香酚，它也存在于百里香、胡椒花和野佛手柑的 精油中[1]。香芹酚和百里香酚会造成大肠杆菌和鼠伤寒 沙门氏菌的细胞膜分解，导致胞内物质渗漏；香芹酚还能增加细胞膜的流动性，引起钾离子渗漏，导致膜电位破坏，抑制三磷酸腺苷的合成[20]，对单核增生李斯特菌、嗜水气单胞菌和荧光假单胞菌的生长和存活有抑制作用；牛至精油具有比百里香、罗勒等精油更高的抗菌活性，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等食源性微生物有明显的抑制作用[23]。Hashemi等[24]制备了含1%～6%（质量分数，下同）牛至精油的罗勒籽胶可食性膜，评价了其对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和蜡状芽孢杆菌的抗菌活性、抗氧化活性，以及膜厚度、含水量、透明度、膨胀指数、接触角和透气性等性能指标，结果表明含1%～6%牛至精油的可食性膜对所检测的病原菌均有显著的抗菌活性，罗勒籽胶+ 牛至精油膜可作为可食用食品包装材料。

表 1 植物精油的主要抗菌成分及抑菌对象[18-22]Table 1 Major components of selected plant essential oils with antibacterial properties[18-22]

肉桂精油来源于一种原产于斯里兰卡的小常青树肉桂的树皮、树叶或树枝，将捣碎的肉桂树皮浸泡在海水中，然后迅速蒸馏便可得到肉桂醛精油。肉桂叶精油具有香气和药用特性，其主要成分是丁香酚（70%～95%），其次是肉桂醛（1%～5%），肉桂叶精油的抗菌和抗真菌特性十分显著[23]。Wu Juan等[25]采用液体沉淀法合成了含有肉桂醛和氧化锌纳米颗粒的大豆分离蛋白基生物抗菌复合膜，研究了肉桂醛和氧化锌纳米颗粒对薄膜样品物理、机械和抗真菌性能的作用，结果表明，该复合膜表现出最好的阻隔能力、机械性能和抗真菌活性，其中抗真菌活性是大豆分离蛋白+氧化锌组合膜的1.56 倍。

罗勒属于唇形科，分布于世界各地，40%可以产出挥发性的芳香精油，其精油化学成分的比例各不相同，如超过90%的罗勒精油含有一种化学成分（甲基胡椒酚），有的罗勒属精油则含有多种物质，罗勒精油的成分主要分为两大类：单萜、倍半萜烃类以及芳香苯基丙烯类[17]；罗勒精油的挥发性成分对多种植物病原真菌活性有抑制作用。Joshi等[26]通过加氢蒸馏的方法提取的罗勒精油具有抗革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌的活性。Arfat等[16]制备的添加了氧化锌纳米颗粒和罗勒叶精油的鱼蛋白共混膜对食源性致病菌和食物腐败菌有较强的抗菌活性。

柠檬草是一种多年生草本植物，从叶子中提取的柠檬草精油对细菌和皮肤真菌有很强的抑制活性，柠檬草精油主要由柠檬醛组成，具有抗菌、抗炎和驱蚊等作用。Aparna等[27]提取的柠檬草精油对大多数鲍曼氏菌有抑制作用，平均抑制直径为23 mm，柠檬草精油的最小抑制剂量为6.25 μL/mL。

植物精油可以单独用于食品的抗菌，也可以多种精油复合或与其他天然抗菌剂配合使用达到抗菌目的。有资料表明，丁香、百里香、肉桂、迷迭香、鼠尾草和香兰素的精油对抑制微生物最有效，它们通常对革兰氏阳性菌比对革兰氏阴性菌有更强的抑制作用[28-29]。

Hosseini等[28]分别制备了含有0.5%、1%和1.5%百里香、丁香和肉桂精油的壳聚糖基薄膜，并对其抗菌、物理和机械性能进行了检测，用扫描电子显微镜表征了其结构与性质的关系。结果表明，含有百里香精油的膜对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抑菌作用明显大于含有丁香和肉桂精油的膜；薄膜对革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌更有效；将百里香和丁香精油加入壳聚糖膜中，可提高膜的含水率（17.80%～28.38%）、水溶性（25.97%～30.62%）、透气性（0.00233～ 0.00571 g/（s·m2））、断裂伸长率（25.31%～42.70%）。

Burt[18]研究了香芹酚、百里香酚、丁香酚、肉桂醛等精油的抗菌特性和它们在肉、奶、蔬果、粮食等食品中的潜在应用；Araújo等[30]研究了GEO、异硫氰酸烯丙酯（allylisothiocyanate，AITC）、乳酸链球菌素3 种抗菌剂对新鲜香肠的抗菌性、理化特性和感官品质的影响，并使用不同的抗菌剂组合进行处理，测定了对接种 大肠杆菌O157:H7和植物乳杆菌的香肠在体外最低的杀菌浓度，并评估了香肠在贮存期间（6 ℃保存20 d）的微生物和理化参数。发现125 μL/kg GEO+62.5 μL/kg AITC+20 mg/kg 乳酸链球菌素或者62.5 μL/kg GEO+125 μL/kg AITC+20 mg/kg 乳酸链球菌素的组合配方对减少大肠杆菌O157:H7和植物乳杆菌最有效，GEO+乳酸链球菌素+AITC的组合能有效提高新鲜香肠的安全性和延长货架期，且不影响其感官度。

1.1.2 植物抽提物

对于植物抽提物作为天然抗菌剂的研究也较广泛，植物抽提物主要包括一些生物碱类、糖苷类、萜类、黄酮类、鞣酸类和醌类等，都已被证实具有广谱抗菌特性，且不使作用对象产生耐药性[31]，它们是植物在生长过程中体内自发合成的具有抗菌作用的化合物，能影响细菌的生长，其抗菌机理主要有：对微生物的细胞壁造成破坏；进入微生物细胞内使细胞质发生凝聚现象；对细胞膜及膜蛋白进行破坏等，这些不同作用机理间存在一定的相关性[32]。因此，植物抽提物中的天然抗菌成分为控制食品微生物感染开辟了新的趋势。目前已经报道的用于食品抗菌包装的植物抽提物有茶多酚、姜黄素、树蜡、石榴和葡萄籽的提取物等。

茶多酚是茶叶的主要活性成分，具有显著的抗氧化、抗病毒、抗菌等生物活性，由于其有效的功能和低廉的价格，被广泛应用于食品和医药行业，与其他天然提取物相比，茶多酚还具有稳定的化学性质和良好的生物大分子反应活性。据报道，茶多酚中大量的酚羟基可以通过氢键与氨基或羧基结合，而茶多酚的疏水苯环也可以通过疏水作用力与生物大分子结合，说明茶多酚具有作为多糖膜活性成分的优良性能[33]。通常情况下，茶多酚浓度越高，抑菌效果越显著，这是由于茶多酚具有抗氧化能力，可以特异性地凝结结构蛋白、与脱氧核糖核酸分子结合，破坏微生物的细胞壁和细胞膜，从而抑制微生物的生长[34]。Gao Haoxiang等[33]用共混法将茶多酚加入到果胶和壳聚糖基质中，制备了一种由果胶、壳聚糖和茶多酚组成的可食用功能性多糖膜，结果表明，添加茶多酚可使这种可食用功能性多糖膜的厚度和透气性增加，抗拉强度降低17%，断裂伸长率提高37%；茶多酚与薄膜基体相互作用，使得这种可食用功能性多糖膜结构更加复杂，具有显著的缓释、抗氧化和防腐活性，且具有浓度依赖性，此外，这种多糖膜能有效抑制鲜牛肉在贮藏8 d内颜色的变化，在食品工业有潜在的应用价值。

姜黄素是一种从姜黄根中提取的天然橙黄色生物活性化合物，自古以来就被用作香料、着色剂和调味剂，姜黄素是一种不溶于水的酚类物质，无毒，即使在高浓度下使用也很安全，其药用价值突出，具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤、抗癌和抗菌活性等多种功能；将姜黄素 与纤维素、纤维素醋酸酯、胶原蛋白、明胶、卡拉胶、琼脂、壳聚糖、聚乳酸等生物高分子化合物共混制备的功能优良的复合材料可用于生物医学领域[35]。Roy等[35]研究了明胶/姜黄素复合膜的性能及其在食品包装中的应用，为了使姜黄素在聚合物基体中得到适当的共混，使用乳化剂十二烷基硫酸钠将姜黄素均匀分散在薄膜溶液中，研究了不同姜黄素添加量（0.25%、0.5%、1.0%和1.5%）的凝胶基复合膜的物理性能，如紫外线阻隔性、光学性能、疏水性、水蒸气阻隔性、热稳定性、机械特性以及抗菌和抗氧化性能；结果表明明胶/姜黄素复合膜对食源性致病菌有显著的抗菌活性，其抗氧化活性可与抗坏血酸相媲美，明胶/姜黄素复合膜是一种易于作为活性包装材料的抗氧化剂和抗菌剂，可保证食品的安全性和延长食品的货架期。

植物蜡质常作为一层保护屏障存在于植物最外部，可以抵御外部环境伤害，防止植物内部水分蒸发，阻止病菌进入植物内部；因此，蜡质层在果蔬贮藏保鲜中具有重要价值。一般地，果实表皮蜡的厚度、形态、结构等直接影响蔬菜和水果的贮藏性能和抗病能力。基于此原理，张旭[2]研究了从杨树叶、柳树叶和松枝叶3 种树叶中提取出的表皮蜡质（树蜡）对鲜蛋和冷鲜肉的抗菌保鲜效果，结果表明，3 种树叶表皮蜡质主要以烷烃和脂肪酸类化合物为主，90%为大分子物质，其在表面形成一种疏水性结构，使葡萄糖等大分子物质不易进入，仅允许CO2、水等小分子物质通过，可抵御外来细菌的侵入，保护植物免受病虫害侵袭；同时，树蜡中存在酰胺，有强抑菌效果。3 种树蜡的体外抑菌实验结果也表明其对大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌有较好的抑制作用，能延长食品的货贺期，因此得出树蜡可作为食品涂膜保鲜剂的结论。Syahida等[36]研究了添加0～60%的棕榈蜡对食品包装用鱼胶薄膜物理机械、防水和抗菌性能的影响。

将石榴提取物与薄荷提取物混合制成的壳聚糖-聚乙烯醇膜具有良好的抗氧化性能，对金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌具有抗菌活性。葡萄籽提取物是另一种具有抗氧化和抗菌性能的化合物，主要含有具有抗菌作用的柚皮苷、抗坏血酸、橘皮苷和各种有机酸，可单独或与其他抗氧化技术相结合用于食品保鲜[37]。Duran等[37]以壳聚糖为载体，通过添加活性抗菌物质乳酸链球菌素、那他霉素和石榴、葡萄籽的提取物，制备了可食性抗菌活性包装膜，并发现该膜具有能延长鲜草莓货架期的潜力。

同样地，香蕉提取物也含有多种生物活性化合物，如酚类、类胡萝卜素、生物胺和植物甾醇等，这些化合物中有许多具有抗氧化活性，对人类健康有积极的影响，将其与可食性包装材料复合可用于食品的抗氧化[38]。

1.1.3 皂苷

还有一类植物抗菌剂主要来源于草药的分离物， 如皂苷，是取自于植物体内的一种抗菌活性物质，其药用价值十分突出，有助于降低胆固醇，对癌细胞株生长有抑制作用。含有皂苷的植物有豆科、蔷薇科、葫芦科、苋科等。皂苷是苷类中结构比较复杂的化合物，种类繁多，易溶于水或乙醇溶液，pH值为4.5～5.5；皂苷的化学结构中含有皂苷元与糖结构，皂苷元具有不同程度的亲脂性，而糖链具有较强的亲水性，故其表面反应活性较高，组成皂苷的常见糖有葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸等。皂苷按皂苷配基的结构可分为两类：甾族皂苷和三萜皂苷，其中甾族皂苷多存在于百合科和薯蓣科植物中，三萜皂苷多存在于五加科和伞形科等植物中。皂苷因其抗菌和抗真菌的特性常被广泛用作农药和杀菌剂。

近些年，皂苷在食品防腐抗菌方面的研究逐渐成为研究的焦点，皂树皮皂角苷是目前美国食品和药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）唯一承认的食品用皂角苷。无患子皂苷来源于无患子科植物无患子的假种皮，主要包括以常春藤皂苷元为基本骨架的三萜皂苷及一些倍半萜皂苷，具有抗病毒、降血压、抗真菌、杀虫等多种药理作用[29]。金秋等[39]采用滤纸片琼脂扩散法检测了无患子皂苷抑制细菌和真菌的活性，结果表明无患子皂苷对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、大肠杆菌、巨大芽孢杆菌、白色念珠菌、黑曲霉和绿色木霉具有很强的抑菌活性。

仙客来皂苷来源于野生植物报春花科的仙客来块茎，主要成分为三萜皂苷，具有抗癌、杀精、抗菌、镇痛、抗炎等药理作用。Saboora等[40]研究了从仙客来中提取的皂苷对5 种不同细菌（铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌、肺炎克雷伯菌和乳酸球菌）的抗菌活性，结果表明，仙客来提取物中皂苷含量较高，酚类化合物含量较低；在测定正丁醇皂苷提取物对粪肠球菌的抑菌作用时发现，含有0.08 μg总皂苷的水相糖苷配基对直径为14 mm抑菌圈内的铜绿假单胞菌具有更高的抑菌活性，而含有0.2 μg总皂苷的乙酸乙酯相糖苷配基分别对抑菌圈直径为9.3 mm和13.6 mm的铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌具有抑菌活性；提示仙客来中皂苷提取物可作为抗革兰氏阴性菌的强抑菌剂，可在食品抗菌包装中推广使用。

1.2 动物源抗菌剂

1.2.1 蜂胶

蜂胶是蜜蜂从植物芽孢或树干上采集树脂后将其混入其上腭腺、蜡腺的分泌物加工而成的一种具有芳香气味的胶状固体物，早在公元前300年，蜂胶就被用于民间医学，具有多种生物活性，如抗癌、抗氧化、消炎、抗真菌和抗肝毒性等，在亚洲、欧洲和美洲的许多国家，其也被用于制作保健饮料[41]。蜂胶的抗氧化性能主要源于 其含有的黄酮类化合物和酚类化合物。蜜蜂收集蜂胶是为了密封蜂巢，防止入侵蜂巢后被蜜蜂杀死的生物腐烂，因此，认为蜂胶具有抗菌活性，进一步研究发现其抗菌活性主要来源于极性酚类化合物。如科学家们从巴西蜂胶中分离出4 种烷型二萜酸的抗菌化合物——异柏油酸、乙酰基异柏烯酸、南阳杉酸和辛湿地松酸；科学家们从智利中部的蜂胶中分离出了17 种酚类化合物，其中黄酮、松柏醛和二氢苯并呋喃木酚醛具有抑制分枝杆菌的活性[41]。近些年，蜂胶逐渐从药用走向食品抗菌包装领域，这些具有抗菌作用的酚类化合物是植物在生长和繁殖过程中由于感染和损伤等胁迫条件自发形成的，将它们添加到食品包装材料中可发挥积极的抗氧化和抗菌活性作用[42-43]。

Hasan等[44]采用高速均质技术制备了以麦芽糖糊精为基材的纳米蜂胶包封膜，用琼脂扩散法进行抗菌活性实验，结果表明，纳米蜂胶对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有抗菌活性，对枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和沙门氏菌的抑菌率分别达到205.86%、211.83%、227.01%和230.29%。Rufatto等[43]以巴西红蜂胶为原料，采用生物导向分馏技术得到抑菌活性显著的亚组分，该亚组分对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌的最低抑菌质量浓度分别为56.75、28.37、454.00 μg/mL和227.00 μg/mL。

1.2.2 溶菌酶

溶菌酶又称胞壁质酶或N-乙酰胞壁质聚糖水解酶，是一种能水解致病菌中黏多糖的天然碱性酶。主要通过破坏细胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡萄糖之间的β-1,4糖苷键，使细胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，导致微生物细胞裂解，该酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用，也适宜于低酸性食品的防腐[45]。溶菌酶多存在于体分泌物和家禽的蛋清中，对许多革兰氏阳性菌具有抑制和灭活效果；然而，由于革兰氏阴性菌在细胞壁上存在一种保护性的多糖，对溶菌酶的敏感性较低，且由于游离溶菌酶分子不稳定且易失活，其实际应用十分有限[46]。

为提高溶菌酶的工业应用价值，科学家们开发了多种方法，如将溶菌酶与其他抗菌药物联合可获得较好的抗菌活性，也可以将溶菌酶以微胶囊、薄膜和纳米颗粒等形式与其他物质结合使用，其中，蛋白质/多糖复合物中的糖组分可以通过与蛋白质分子形成氢键来保护溶菌酶的结构，Liu Yong等[47]通过利用聚谷氨酸和壳聚糖包覆溶菌酶，拓宽了复合溶菌酶纳米试剂的抗菌谱，提高了其抗菌活性。Wu Tiantian等[48]利用离子凝胶技术制备了壳聚糖纳米颗粒（chitosan nanoparticles，CS-NPs）和壳聚糖-溶菌酶纳米颗粒（chitosan-lysozyme nanoparticles，CS-Lys-NPs），研究了CS-NP和CS-Lys-NP对大肠杆菌 和枯草芽孢杆菌的抗菌活性，结果显示，CS-NP和CS-Lys-NP 对大肠杆菌的抑制圈直径分别为（10.34±1.21）mm和（13.11±0.48）mm，对枯草芽孢杆菌的抑制圈直径分别为（11.70±1.51）mm和（12.89±1.25）mm，可见， CS-Lys-NPs具有更高的抗菌活性。Buonocore等[49]用鸡蛋清中的溶菌酶作为活性物质，以HCl为催化剂、乙二醛为交联剂，制备了以交联聚乙烯醇为基体的单层和多层抗菌包装膜，从控制活性化合物释放的能力和其对目标微生物的有效性两个方面评估了膜的抑菌性能。周林宗等[50]采用溶菌酶、海藻酸钠和壳聚糖复配抗菌液保鲜油桃，研究发现，在室温条件下，含1.0%的壳聚糖、0.07%的溶菌酶和1.0%的海藻酸钠复配抗菌液对油桃保鲜效果最好，降低了果实的腐烂率。

1.2.3 乳铁蛋白

乳铁蛋白是一种单分子、双叶形、分子质量约为80 kDa的铁结合糖蛋白，属于转铁蛋白家族，包括血清转铁蛋白和卵转铁蛋白，其存在于黏膜表面、多形核白细胞的特定颗粒内以及生物液体（包括牛奶、唾液和精液等）中，这表明其可能在先天免疫应答中发挥保护作用。动物源抗菌剂的抗菌机理主要是通过渗透方式进入微生物的细胞内，与胞内带有阴离子的物质通过吸附结合，导致细胞代谢紊乱，从而杀死细胞。乳铁蛋白的抗菌活性已被证实，这种活性归因于乳铁蛋白隔离铁的能力，从而“剥夺”了潜在病原体的必要营养素，乳铁蛋白对多种细菌（如变形链球菌和霍乱弧菌等）有抑菌作用，但对大肠杆菌无抑菌作用。目前，乳铁蛋白已被证实具有第二类抗菌活性，即杀菌活性，这是蛋白质与细菌直接相互作用的结果，进一步研究表明，乳铁蛋白只有在不含铁的状态下才具有杀菌作用，铁饱和乳铁蛋白的杀菌活性降低；乳铁蛋白还可以调节已知抗菌剂的活性，如与溶菌酶和抗生素协同使用抗菌效果更显著[51-52]。

Niaz等[53]报道了乳铁蛋白在食品抗菌包装方面的应用。Brown等[54]制备了含乳铁蛋白、溶菌酶、乳酸链球菌素的圆片状壳聚糖膜，研究了乳铁蛋白在壳聚糖基可食性薄膜中的抗菌活性，以及乳铁蛋白与溶菌酶对食源性致病菌大肠杆菌O157:H7和单核增生李斯特菌生长的联合抑制作用。将壳聚糖和甘油溶于体积分数1%乙酸溶液中，制备壳聚糖基薄膜，向膜中加入不同量（0.5、1、2 mg/片）的乳铁蛋白、溶菌酶或乳酸链球菌素，尽管与溶菌酶结合的膜对单核增生李斯特菌和大肠杆菌都有显著的抗菌活性，但加入乳铁蛋白的膜没有表现出任何明显的抗菌活性，乳铁蛋白与溶菌酶联用对两种细菌均有明显的协同作用；在溶菌酶膜中加入乳铁蛋白对单核增生李斯特菌的抑菌作用大于在0.4 mg/片下加入乙二胺四乙酸（ethylenediamine tetraacetic acid，EDTA）。结果表明，乳铁蛋白可替代EDTA等螯合剂，乳铁蛋白与溶菌酶 具有较高的抗菌协同效应。Rollini等[55]将溶菌酶和乳铁蛋白涂布在共挤聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）膜上，这种薄膜对鲑鱼片在较长的贮藏时间和较高的温度下产生硫化氢的细菌有较好的抑制作用，大大减少了食品中微生物数量。

Redwan等[56]指出乳铁蛋白是一种具有高铁结合能力的哺乳动物先天免疫防御糖蛋白，具有显著的消炎和抗菌特性，并评估了单独使用骆驼乳铁蛋白（camel lactoferrin，cLf）和人乳铁蛋白（human lactoferrin，hLf）以及联合多种抗生素对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin-resistantStaphylococcus aureus，MRSA）的抗菌效果，实验表明，cLf在0.25～3.00 mg/mL和hLf在1～3 mg/mL时可抑制MRSA的生长，cLf对MRSA的抑制作用比hLf高3 倍，cLf或hLf与抗生素联合使用可增强对MRSA的体外抗菌作用。Machado等[57]对负载20%牛乳铁蛋白（bull lactoferrin，bLF）的电纺聚乳酸（electrospun polylactic acid，PLLA）纳米纤维膜性质进行研究，结果发现bLF的存在降低了PLLA膜的疏水性，所制得的膜能通过抑制孢子萌发和菌丝生长来抗真菌，证明了bLF-PLLA 纳米纤维膜作为抗真菌材料的巨大潜力。Barbiroli等[58]将抗菌蛋白溶菌酶和乳铁蛋白掺入含羧甲基纤维素的纸中，发现在造纸过程中带正电的蛋白与纸基体非共价结合；造纸过程中将60%以上的蛋白质单独或联合添加到缓冲盐水中，结果表明缓冲盐水中释放出的蛋白质保留了它们的结构和功能特征，说明造纸过程没有影响它们的结构；释放的蛋白质中也保留了对常见食品污染物的抗菌活性，在用含有溶菌酶和乳铁蛋白的纸进行抗李斯特菌实验时，发现两种蛋白质的增效作用都很明显；对含有抗菌蛋白的薄肉片进行的实验结果表明，溶菌酶在阻止这种特殊微生物群的生长方面是最有效的。

1.2.4 葡萄糖氧化酶

葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GO）是一种从不同类型真菌中提纯的黄素蛋白，多存在于尼日利亚菌素和青霉菌中，对食物传播的致病菌，如婴儿沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、产气荚膜梭菌、蜡样芽孢杆菌、空肠弯曲杆菌和单核增生李斯特菌等有抗菌作用；葡萄糖氧化酶的抗菌活性是通过β-D-葡萄糖氧化形成的过氧化氢和葡萄糖酸的催化作用表现出来的[59]。

Murillo-Martínez等[59]研究了将2 种天然抗菌剂（乳酸链球菌素和GO）添加到pH值分别为5.5和8.5的乳清蛋白分离膜（whey protein isolate，WPI）基体中制备的可食用包装膜的抗菌活性和疏水性，评估了膜对李斯特菌、热死环丝菌、大肠杆菌和乳酸球菌的抑菌效果，结果表明：抗菌活性与WPI膜的疏水性和水溶性有关，抗菌活性排序为GO膜＞乳酸链球菌素膜＞GO膜+乳酸链球菌素膜，在大多数情况下，pH值为5.5时膜表现出更强的抗菌活性和更高的疏水性，GO膜可用于保存食品的涂层系统。

1.3 微生物源抗菌剂

1.3.1 细菌素及多肽

细菌素，特别是乳酸链球菌素，是由一些细菌产生的天然抗菌化合物，可被载入活性膜中，以控制食源性致病菌[60]。微生物源抗菌剂的抗菌机理主要有：通过分泌抗菌物质改变细胞膜的通透性；或寄生于微生物上；或通过竞争关系来抑制微生物的滋生。乳酸链球菌素是一种由食用级细菌乳球菌亚群产生的阳离子肽（34-氨基酸肽），乳酸菌能抑制多种孢子的萌发，对革兰氏阳性菌，尤其是单核增生李斯特菌有较强的抑制作用，其抗菌活性是由于静电与细胞膜的磷脂相互作用，干扰正常的细胞膜功能，从而导致细胞凋亡[59-61]。乳酸链球菌素是欧盟指定唯一具有食品防腐剂功能的细菌素（标签为E 234），乳酸链球菌素还被FDA于2001年批准为可用于食品中的抗菌剂，且具有商业可用性和耐热性，成为目前食品抗菌包装领域研究的热点，有关含有乳酸链球菌素的抗菌食品包装系统已被许多学者提出并研究，包括乳酸链球菌素在涂层或膜中的释放、乳酸链球菌素对食品成分的吸附或成膜方法以及影响乳酸链球菌素抗菌效果的各种因素等[62-63]。

多肽p34是一种类似细菌素的物质，由从亚马逊河流域的一种鱼身上分离出来的新型芽孢杆菌产生，这种物质可以抑制几种致病菌，如单核增生李斯特菌和蜡样芽孢杆菌，通过破坏目标细菌的膜功能杀死细菌，最近的一项研究表明，多肽p34与乳酸链球菌素类似，真核细胞对其不产生不良反应，因此多肽p34具有微生物抗菌剂的潜力[34]。

由于乳酸链球菌素在较高pH值下无抑菌性，加上潜在耐药菌株的发现，使得乳酸链球菌素的应用受到限制[64]； 将乳酸链球菌素与其他防腐抗菌剂结合在活性膜中使用受到相当大的关注，例如，将乳酸链球菌素Z和海藻酸结合加入到普鲁兰膜中，对食源性致病菌表现出良好的抑制作用[65]；乳酸链球菌素与EDTA联合加入到海藻酸钙膜中对嗜冷菌和嗜常温菌均有抑制作用[66]；将乳酸链球菌素（100 AU）、肉桂精油（0.6%）和氧化锌纳米颗粒（10 mg/15 mL）加入到琼脂基膜中，制备的共混膜具有显著抑制单核增生李斯特菌生长的作用，并对食品品质无影响[60]；将葡萄籽提取物（1%）、乳酸链球菌素（10000 IU/g）和EDTA（0.16%）的混合物加入到大豆分离蛋白膜中，对单核增生李斯特菌、大肠杆菌O157:H7和伤寒沙门氏菌均有抑制作用[64]。

能够负载抗菌剂乳酸链球菌素的基材种类有很多，例如可食性膜，包括酪蛋白酸钠薄膜、壳聚糖膜、海藻酸膜、甲基纤维素/羟丙甲纤维素膜、玉米蛋白/大豆蛋白/小麦面筋蛋白/乳 清蛋白/卵清蛋白膜等；还有可降解聚合物膜，如聚乙烯醇、线性低密度聚乙烯和聚乳酸等。这种混合使用方式均能有效抑制多种细菌，用于食品活性包装系统中[37,62,67]。

1.3.2 纳他霉素

纳他霉素又名游霉素，是一种天然的抗真菌剂，被归为大环内酯多烯类，由纳他霉素链霉菌发酵产生，具有广泛的抗菌谱[61]。纳他霉素和其他多烯类抗真菌药物类似，可以与细胞膜甾醇结合，主要是与麦角甾醇结合，由于细菌的细胞膜缺乏甾醇类物质，因此细菌对纳他霉素不敏感，但是纳他霉素可与真菌细胞膜上的甾醇结合，从而使细胞内容物渗漏，故纳他霉素可预防食品中真菌、霉菌的生长[37]。与乳酸链球菌素一样，欧盟和美国均批准可将纳他霉素（标签为E 235）用于保存某些食品；目前，纳他霉素通常用于肉类、乳制品（白干酪、酸奶油和酸奶）等，通常将纳他霉素悬浮液喷洒在一些硬型奶酪表面，形成可食用涂层，以防止霉菌在其表面生长[61,63]。

Duran等[37]以壳聚糖为基材，加入纳他霉素制成涂层液处理新鲜草莓，并将其利用保鲜盒密封贮存，结果发现壳聚糖与纳他霉素结合的抗菌包装对酵母菌和霉菌有明显的抗菌作用，可延长新鲜草莓的保质期。Lantano等[68]采用溶胶-凝胶法制备了以纳他霉素为活性剂、聚乳酸为基体的活性包装膜，发现该膜能够调节霉菌的数量，抑制工业半软干酪表面霉菌的生长。Romero等[69]研究了不同浓度的纳他霉素活化小麦面粉制成的包装薄膜的性能，用琼脂扩散法检测了活性小麦粉膜对白色念珠菌和黑曲霉的抑菌活性，发现高浓度时对白色念珠菌的抑菌圈直径更大，但对黑曲霉的抑菌圈直径则没有显著差异；将活性膜覆盖在软干酪上，并在室温和4 ℃下保存14 d，发现奶酪表面没有霉菌生长，提示在小麦面粉薄膜中添加纳他霉素可以用来包装奶酪，抑制奶酪变质。Türe等[70]将纳他霉素、迷迭香提取物和两者的混合物分别加入面麸和甲基纤维素基材中制成生物聚合物膜，用琼脂扩散法测定了该膜对黑曲霉和罗勒青霉的抗真菌活性，实验结果表明：纳他霉素对黑曲霉和罗勒青霉的最小抑菌浓度每10 g膜溶液分别为2 mg和1 mg；单独使用迷迭香提取物没有抗菌活性，而添加两者混合物的膜能够抑制霉菌的生长。

1.3.3 益生菌

益生菌是摄入体内的一定数量对健康有益的活微生物[71]，包括乳酸菌、双歧杆菌（包括嗜酸乳杆菌和两歧双歧杆菌）、酵母菌和链球菌等菌种，是一种活的微生物食品补充剂，其可以改变肠道微生物群的组成和代谢活动，并且调节免疫系统的反应，对宿主有益，无致病作用[72]。有些益生菌会产生一些天然抗生素，抑制或杀死肠道有害菌[73]，建议每日摄入约106～109CFU；果汁、饮料以及可食性的涂膜材料都可以作为益生菌的载体用于生物活性包装系统中。

López de Lacey等[71]将两种益生菌（嗜酸乳杆菌和双歧杆菌）接种于食用明胶涂膜中，用于保存鳕鱼，显著减少了鳕鱼产生H2S腐败菌的微生物数量。同时，López de Lacey等[74]又将绿茶提取物和两种益生菌 （乳酸菌和乳酸双歧杆菌）加入琼脂基膜中，然后将其应用于之前接种了腐败链球菌和磷酸光杆菌的鳕鱼片上，益生菌向鱼体内迁移，导致乳酸菌群增殖；含有益生菌和绿茶提取物的薄膜可降低鳕鱼片的化学腐败指标，并减少产生H2S腐败菌的微生物数量，使鳕鱼片货架期至少延长一周。Sánchez-González等[75]研究了植物乳杆菌在以不同的生物聚合物，包括酪蛋白酸钠、豌豆蛋白、甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素为基体的薄膜中的生存能力，结果显示植物乳杆菌在以蛋白质为基体的薄膜中具有较高的生存能力，但细菌素的生产速度比在以纤维素为基体的薄膜中慢，说明植物乳杆菌在以纤维素为基体的薄膜中具有较高的生产细菌素的能力；与植物乳杆菌共混的甲基纤维素膜和羟丙基甲基纤维素膜在5 ℃贮藏的前8 d内完全抑制了英诺克李斯特菌（Listeria innocua）的生长，说明这些基材是植物乳杆菌的有效载体。此外，Sánchez-González等[76]分别将嗜酸乳杆菌和罗伊氏乳杆菌（L. reuteri）与酪蛋白酸钠和甲基纤维素基体联用制备生物高分子膜，研究了两种益生菌在生物高分子膜上的存活率及其对L. innocua的抗菌作用，两种聚合物基体中嗜酸乳杆菌的存活率均大于L. reuteri；贮藏一周后L. reuteri的初始种群数量明显减少，说明该菌株对贮藏期间所受胁迫更为敏感；酪蛋白酸钠比甲基纤维素更有利于微生物的生存，但在抗单核增生李斯特菌活性方面，贮存3 d后的甲基纤维素膜效果最好。Zhang Min等[77]研究了含有植物乳杆菌素BM-1的聚乙烯生物保鲜膜对单核增生李斯特菌的抑制作用。

2 天然抗菌剂在食品包装中的应用

天然抗菌剂是类应用最早的抗菌剂，其在食品包装中的应用形式多样，主要有：1）抗菌小袋（或衬垫）。将天然抗菌剂放入小袋或垫子中后再将小袋或垫子放入食品抗菌包装系统，该方法简单易行，常用于面包等食品的抗菌活性包装[12]。2）抗菌薄膜。将天然抗菌剂直接添加到聚合物基体中，通过二者间的化学键合作用制成具有一定机械强度和阻隔特性的抗菌薄膜；合适的抗菌剂可以与成膜基材的抗菌谱互补，提高抗菌膜的抗菌能力，同时二者的协同作用对抗菌剂的释放起到缓释作用，延长抗菌时间，实现活性包装的目的[14]。3）抗菌涂料。将天然抗菌剂制成水凝胶，通过浸渍、涂布或喷洒的方式直接附着在食品或包装材料表面，该方法通常选用可食性的天然聚合物作为抗菌剂的载体，安全无毒、抗菌效果显著[15]。4）微胶囊技术。被认为是一种制备靶向抗菌化合物的新技术，可以实现微生物优先定位，随着其生物活性的增加，其使用量可以减少，抗菌效果明显；通常是将疏水的精油等天然抗菌剂包封在亲水的可食性聚合物中，不仅能够阻止精油与食品相互作用，以防精油失效，还可以掩盖精油挥发产生的强烈香味，防止食物味道发生改变[78]。天然抗菌剂在保证其无毒、高效、可操作的前提下，已得到广泛应用，表2列出了3 类天然抗菌剂在食品包装领域的应用。植物源天然抗菌剂因其来源广泛、成本低、兼具食用和药用价值，且制备技术成熟、抗菌效果显著，深受食品及包装行业的青睐。动物源天然抗菌剂对于食源性致病菌具有优良的抑菌、杀菌功效，并具有极好的生物相容性和成膜性，常以多糖类基材作载体，与基材或其他抗菌剂协同使用可增强其抗菌效果，是可降解可食用活性包装系统首选的抗菌剂，满足了人们对不添加防腐剂天然食品的需求；微生物源天然抗菌剂具有安全性高、抗菌效率高等优点，但其耐热性较低，且不同种类微生物的代谢产物在抗菌能力及抗菌范围上存在差异，使微生物源抗菌剂在实际应用中存在一定的局限性。

表 2 天然抗菌剂在食品包装中的应用Table 2 Applications of natural antibacterial agents in food packaging

另外，将天然抗菌剂用于食品包装，必须遵循相关的法律法规，国际上，欧盟2011年已经启动了关于修改食品接触材料的立法（EU10/2011）；美国对活性包装尚无特殊立法，但要求从包装材料迁移到食品中的抗菌剂必须符合食品添加剂的要求（美国联邦法规21章）；我国于2016年发布了GB 9685—2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品用添加剂使用标准》，对包括抗菌剂在内的食品添加剂的用量、特定迁移量、特定迁移总量等方面做出了限制要求[90]。只有严格按照法规要求使用，天然抗菌剂才能在食品包装领域发挥其作用，以减少食品污染和浪费，为保障健康生活奠定基础。

3 结 语

天然抗菌剂作为一种绿色、健康的食品添加剂可用于活性食品包装系统，实现健康与环保双重功效，与其他食品保鲜技术相比较，使用天然抗菌剂具有成本低、效率高、周期长、操作简单等特点，能从根本上解决微生物对食品的侵害，保证食品质量和人体健康，在食品贮存包装领域中已经具备了其他包装材料不可替代的作用，成为科研人员及商业人士关注的焦点。将多种不同功能的天然抗菌剂组合使用，可达到最佳的协同抗菌效果。天然抗菌剂的灵活使用方式，如直接涂布、与基体共混、分层携带和微胶囊等技术大大拓展了天然抗菌剂的应用领域，这种抗菌系统可在高/低温、高/低压和高湿等不同环境下使用。但是，随着科学技术的不断进步，某些对天然抗菌剂的包装系统使用时出现了一些问题，如对天然抗菌剂抑菌效果的评价和检测方法不统一、法律法规不够完善、无法定量地评估和测定不同抗菌剂间的性能差异；对抗菌剂的检测指标避重就轻，对天然抗菌剂的抗菌机理认识不足，对抗菌剂的添加量控制不当，有时造成抗菌剂向食品扩散迁移，对食品安全造成一定的隐患；再者，天然抗菌剂的气味，如植物精油，可能会影响包装食品的风味；最后，抗菌剂与成膜基材间的相互作用以及不当的加工方式，使得天然抗菌剂的功效无法实现，抗菌材料机械性能降低、阻隔性变差、实用性不强，造成极大的浪费。

对于天然抗菌剂的研究和使用，除了关注其在食品防腐、贮存保鲜等方面的应用外，今后可以开展微生物学、扩散和迁移动力学以及制备功能性、活性包装材料等方面，联合多学科的先进技术实现天然抗菌剂在食品包装领域的最佳利用，减少污染和浪费。由于天然抗菌剂在食品工业领域具有很高的应用价值和潜在发展，对其更深入的探索具有一定的战略意义。