天然抗菌物質在食品包裝中的應用研究進展

蔡晨晨,王瑞琴,陳德昭,梁欣泉,陸登俊

(廣西大學輕工與食品工程學院,廣西南寧 530004)

食品中營養成分的種類豐富多樣,可滿足各種微生物的生長所需。食品從生產到被消費整個過程中,對安全有著較高的要求,包裝對食品具有高效保鮮作用。在整個過程中可起到關鍵作用,不僅可以保持食品的外形,更為食品安全增加保障。

近年來,人們對于食品安全問題的關注度與日俱增,因此對食品包裝新材料和新技術的研發與應用投入了更多精力。購買到有安全保障且含有少量甚至不含防腐劑的食品,是大眾對食品的普遍要求。目前使用的抗菌劑大體可分為無機、有機和天然抗菌劑三大類。銀沸石、銀硅膠、銀活性炭等是無機抗菌劑眾多種類中,使用較多的抗菌劑。在有機抗菌劑中,主要為季銨鹽、胍類和有機金屬化合物等。但添加以上抗菌劑的食品包裝會對環境造成污染并危害人體健康。天然抗菌劑因其抗菌性強、安全無毒和性能穩定等特性,使其在食品包裝領域得到極大重視。

天然抗菌物質可以從動物、植物和微生物等不同來源獲得。據一些研究報道，動物性來源抗菌物質溶菌酶對食物腐敗微生物具有明顯的抑菌作用[1]。也有研究證明,在表面活性劑和EDTA等螯合劑的共存下,革蘭氏陰性菌對溶菌酶的敏感性可以得到提高[2]。一些與植物類抗菌劑有關的研究，已經證明了植物源抗菌化合物在食品應用中的有效性,以及影響這種有效性的因素[3]。然而,關于這些化合物結構功能關系的研究還很有限;因此,植物源性天然抗菌劑的化學成分在其抗菌活性方面的重要性仍然沒有得到很好的理解。在眾多植物源天然抗菌物質種類中,精油類抗菌物質已經得到廣泛研究與應用,但以水果和蔬菜的副產品為來源的抗菌物質,其研究依舊是非常有限;這些副產品也可以作為抗菌化合物的來源,因此可能成為低成本天然抗菌物質的潛在來源[4]。在近期的一些研究中,微生物類抗菌物質作為新型抗菌物質的來源，受到了廣泛的關注,其對一些病原體具有優異的抗菌效果。本文從天然抗菌劑的種類和在食品包裝行業應用方式方面，綜述了天然抗菌物質在食品包裝中的應用研究進展。

1 天然抗菌劑

天然抗菌劑是指能夠殺死微生物或抑制其繁殖,即為細菌、霉菌等微生物及病毒等病原體高度敏感的化學物質。其來源廣泛,主要來自天然物質的提取物,根據其主要來源大致可分為三大類:動物類、植物類、微生物類。其中動物來源的抑菌劑包括乳鐵蛋白、乳過氧化物酶、蜂膠、殼聚糖和溶菌酶等;植物類抑菌劑包括植物精油、樹脂或植物提取物等;除此之外微生物也是來源之一,如抑菌化合物乳酸鏈球菌肽等[5]。

天然抗菌劑是由多種化學物質組成的復雜混合物,通常由一種化合物控制,其中大部分和各種特定的提取物成分被證明具有不同的抗菌活性。同時其具有來源廣泛、毒性有限、成本相對較低等特性,且其良好的生物相容性使其更易與食品包裝材料的基體相融合,從而可達到減少生產成本的目的。

1.1 動物類抗菌劑

動物類抗菌劑主要有蜂膠、殼聚糖和溶菌酶等。蜂膠因其含有多酚、萜類等抗菌物質從而達到保鮮食品的效果[6]。殼聚糖通過成膜作用起到抑菌、殺菌的效果。溶菌酶是由植物、真菌、細菌、鳥類和哺乳動物產生的一種重要的、具有抗菌潛力的酶,在自然界儲量豐富，其能夠水解細菌細胞壁上連接N-乙?；谒岷蚇-乙酰氨基葡萄糖的β-1,4糖苷鍵,尤其對革蘭氏陽性菌有抑制效果[7]。美國美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration,FDA)已經將溶菌酶歸為安全的抗菌劑[8]。

1.1.1 蜂膠 蜂膠是一種天然的樹脂產品,通常含有多種化合物,如多酚(類黃酮、酚酸和酯類)、萜類化合物、類固醇、氨基酸、揮發性醛類和酮類[9]。蜂膠是由蜜蜂從花蕾和樹葉中收集而獲得,然后與蜂蠟混合而制得[10]。蜂膠比蜂蜜含有更多的酚類化合物,具有較高的抗菌素和抗氧化活性。蜂膠目前被用作糖果、生物制藥和化妝品的組成成分,也可作為食品的一種天然防腐劑,以及作為飲料中生物活性化合物的來源,在食品行業越來越受歡迎[11]。Duman等[12]將蜂膠的水提取液添加到新鮮魚類產品的真空包裝中,對其感官品質和微生物生長進行評價,研究結果表明添加有蜂膠的樣品與無添加蜂膠的樣品相比較,其保質壽命延長了12 d。

1.1.2 殼聚糖 殼聚糖(Chitosan)是甲殼素脫乙?；苌?在自然界中其儲存量僅次于纖維素。其主要來源為天然蟹、蝦和昆蟲類的外殼[13]。殼聚糖具有良好的成膜能力、良好的生物相容性和抗菌活性。作為一種具有半透性膜的天然多糖,殼聚糖有許多獨特的功能,如減弱呼吸速率、減少水分損失以及抑制微生物等[14]。殼聚糖是通過清除機體自由基等作用隔離食品與空氣的接觸,抑制好氧性細菌生長的同時達到抗氧化效果[15]，其對大腸桿菌,枯草桿菌,金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌等均有抑制能力,即具有優異的抗菌性。同時殼聚糖具有良好的無毒性、吸濕性、透氣性、生物降解性、生物相容性、螯合性以及酶固化作用等特性,這使其在食品包裝領域得到極大重視。

目前提出的殼聚糖抗菌機理大致有兩種:一是：殼聚糖的氨基陽離子與構成微生物細胞壁的唾液酸磷脂等陰離子相互吸引,其結果微生物被束縛,限制了其自由度,阻礙其代謝和繁殖這一過程;二是：大量低分子量的殼聚糖侵入微生物細胞內,阻礙微生物的遺傳密碼由DNA向RNA復制,由此阻礙微生物的繁殖[16]。有文獻證實,殼聚糖對大腸桿菌、枯草桿菌、金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌等均有抑制能力[17]。

1.2 植物類抗菌劑

植物類抗菌劑主要為植物精油,其化學成分是復雜化合物的混合物,主要是由單萜、倍半萜和它們相應的含氧衍生物(醇類、醛類、酯類、醚類、酮類、酚類和氧化物)組成[18]。研究表明[19-21],在這些大量的精油成分中,主要的有效抑菌成分是小分子的酚類物質、萜烯類物質和醛酮類物質。植物精油的抑菌活性由精油的主要成分決定或者多種成分協同作用,即植物精油抑菌機制是一種多點作用機制[22]。植物精油抑菌機理可主要分為兩種:第一,其可破壞微生物細胞和菌絲體的形態結構和組成,如可造成細胞膜、細胞壁和細胞器等結構的不可逆損傷,誘發溶解菌絲體,最終導致微生物死亡[23];第二是降低或抑制分生孢子的產生和萌發,從而抑制菌體后代對食品的繼續傷害作用[24]。

植物精油的種類眾多,包括有肉桂精油、丁香精油和檸檬草精油等[25-27]。在已有的研究中[28],丁香精油及其主要成分丁子香酚可在濃度較低的條件下，對灰霉菌、鏈格孢菌、擴展青霉等菌體產生明顯的抑制作用;羅勒精油、亞香茅精油、檸檬草精油等多種精油在較低濃度下，能完全抑制香蕉的炭疽病和冠腐病等病菌[29]。

1.2.1 肉桂精油 肉桂精油是以桂皮、桂葉、桂枝等為原材料提取而得,一般為黃色或琥珀色液體,香氣特異,味甜辛,主要化學成分為反式肉桂醛、反式鄰甲氧基肉桂醛和乙酸桂酯等,具有強烈的芳香及辛辣氣味,用途廣泛。研究表明,肉桂油具有強烈的抑制或殺死微生物的特性,可以作為天然食品防腐保鮮劑用[30]。

研究發現[31],肉桂精油加入到海藻酸鈉/羧甲基纖維素薄膜中,會增加薄膜的厚度、水汽的滲透性、透氣性和伸長率,同時大大降低薄膜的含水率和抗拉強度。當15 g/L的肉桂精油被加入到薄膜中時,水蒸氣的滲透性會降低,并隨著濃度的增加,薄膜的透氣性略有下降。將此復合膜用作保護香蕉的涂料,可以將香蕉的保質期延長到7 d。

呂明珠等[32]研究發現肉桂精油保鮮液在低溫、高濕條件下，可以有效地抑制紅提葡萄表面致病菌的生長,其良好的成膜性也能夠較好地保存紅提葡萄的含水量,降低呼吸強度,從而保持葡萄品質,延長其貯藏時間15～30 d,提高商品價值。

1.2.2 丁香精油 丁香精油是一種天然植物精油,它具有良好的抑菌、殺菌性能,是從丁香植物中提取出的一種植物精油,它具有良好的抑菌、殺菌性能,此種植物為落葉灌木或小喬木,原產東南亞,我國華南地區亦有少量種植。丁香精油中高濃度的丁香酚是提高精油抗菌活性的關鍵,丁香酚可以使細胞蛋白變性,并與細胞膜磷脂發生化學反應,從而改變菌體細胞的滲透性[33-35]。

崔海英等[36]通過測定丁香精油對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的最小抑菌濃度(MIC)和最小殺菌濃度(MBC),對丁香精油的殺菌性進行評價,并且研究了丁香精油在嫩豆腐、老豆腐、內酯豆腐以及鹽鹵豆腐這四種豆制品中的殺菌特性,研究結果表明丁香精油對兩種試驗菌株的MIC均為0.025%,MBC均為0.05%。在豆制品中的應用試驗中,在丁香精油作用24 h后,四種豆制品中細菌致死率均達到了99.9999%以上,表明丁香精油在四種豆制品中顯示了較好的保鮮效果。潘磊慶等[37]研究丁香精油對櫻桃番茄采后主要致病菌的抑制作用及對其采后品質和生理的影響,其研究結果表明丁香精油可有效抑制根霉、灰霉的生長,并可誘導櫻桃番茄防御過氧化物酶、多酚氧化酶及氧化氫酶活性的升高;經丁香精油處理可降低果實的腐爛指數,120 μL/L丁香精油熏蒸對櫻桃番茄的防腐保鮮效果最好,貯藏19 d后腐爛指數比對照降低了70.6%;20 ℃下貯藏19 d之后,丁香精油處理后櫻桃番茄的果實硬度、可溶性固形物含量、顏色及可滴定酸與對照組果實相比均無顯著差異。

1.2.3 其它植物精油 在眾多植物精油種類中,肉桂精油與丁香精油已經得到大量研究與使用。其它種類的植物精油根據其獨特的抗菌機理與抗菌效果,也在逐漸得到深入研究與投入使用。

Guo等[38]通過測量抑制區(ZOI)、MIC、MBC和死亡時間,研究了草果精油的對食源性病原菌的抗菌活性。結果表明,其對食源性大腸桿菌的易感性較好,最低抑菌濃度和最低殺菌濃度值分別為3.13和6.25 mg/mL。Ahmad等[39]研究將25%(w/w)香茅精油(LEO)加入到海鱸魚的明膠薄膜包裝中,評價在4 ℃的12 d貯藏過程中,其微生物、化學和物理性質的改變。結果表明,用LEO膜包裹的海鱸魚片與對照組即未使用LEO明膠膜包裹的鱸魚片相比,在12 d的貯藏過程中,乳酸菌、嗜冷菌和腐敗微生物生長緩慢;同時LEO膜樣品的顏色、陰離子交換柱層析法測定值、總揮發性堿氮值和硫代巴比妥酸活性物質值的變化和對照組相比,都有所降低;因此將香茅精油加入明膠薄膜可以增強膜的抗菌性和抗氧化性,從而保持海鱸魚片的品質,延長在冷凍溫度下的保質期。

1.3 微生物類抗菌劑

微生物類抗菌物質是由微生物代謝產生的一類抗菌物質,主要包括有機酸、多肽或前體多肽。這些物質分子量小、結構高度緊密,很容易能夠進入微生物細胞,因而其能很迅速地抑制一些微生物的生長。其中乳酸鏈球菌肽(Nisin)是由乳酸鏈球菌分泌的一種多肽,能夠抑制部分革蘭氏陽性菌的生長。Nisin具有無毒、用量少、防腐效果好、價格低廉等特點,愈來愈受到人們的重視,已廣泛應用于罐藏食品、植物蛋白食品、乳制品和肉制品的保藏中。

畢秀芳等[40]研究了超聲波結合Nisin對胡蘿卜汁中自然菌群的殺菌效果,其結果表明,在兩者共同作用下,菌落總數下降了2.39個對數值,其中霉菌和酵母菌下降3.99個對數值。Wu等[41]通過席夫堿反應將Nisin錨固在氧化纖維素上,即建立了Nisin氨基與氧化纖維素膜醛基的接枝反應,得到了乳酸鏈球Nisin錨定纖維素膜;此膜具有優異的透明性能,其透光率在300～800 nm之間,且熱穩定性好、易降解;同時其對酸度水楊酸桿菌具有較好的抗菌活性,即在玻璃干燥器中存放3個月后,復合膜仍具有抗菌活性,具有良好的食品包裝材料潛力。

2 天然抗菌劑在食品包裝領域的應用

天然抗菌劑在食品包裝行業應用方式多種,有涂料、復合膜[42]和水凝膠等。

2.1 涂料

涂料是在食品表層形成的一層較薄的材料,可以存在于食品之間或食品成分之間[43]。涂料具有與傳統包裝類似的功能,包括可以形成對水、氣體和風味化合物的屏障,保持食品的結構完整性和提高食品的機械處理特性。

吳慧等[44]以不同濃度的殼聚糖溶液涂膜保鮮葡萄,測定葡萄在貯藏期間的水分含量、總酸含量和還原糖含量的變化,并與空白組比較,從而探討殼聚糖涂膜保鮮對葡萄的保鮮效果。試驗結果表明:隨著貯藏時間的延長,葡萄中的水分含量和總酸含量不斷下降,還原糖含量先下降后上升;殼聚糖溶液涂膜處理的葡萄與空白組相比,各個指標下降速度均比較慢,質量濃度為1.5%～2.0%的殼聚糖溶液在室溫下對葡萄有比較好的保鮮效果。

王娟等[45]在延長鮮切木瓜的保鮮時間的研究中,利用殼聚糖和尼辛、那他霉素、薄荷油、氯化鈣、香蘭素多種物質制成復合保鮮涂膜液，對鮮切木瓜進行涂膜。研究結果表明當殼聚糖質量分數1.0%、氯化鈣質量分數0.6%、那他霉素14.0 mg/kg、Nisin 0.10 g/kg、香蘭素質量分數0.3%、薄荷油1.5 mL/L、紫外照射時間22 min、紫外照射距離范圍44～66 cm時,與對照組相比,涂膜處理可有效地減小鮮切木瓜色度值和褐變指數值的變化,同時保持較高的可溶性固形物含量,減少貯藏過程中的水分損失,抑制霉菌、酵母菌和細菌的增長。

2.2 復合膜

近年來,由于食品級膜具有抗菌效果且可降解其在合成包裝材料上的優勢受到越來越多的關注?；钚允称钒b膜是一種創新性概念,滿足了當前消費者對天然且不含防腐劑食品的需求。它可將各種抗菌物質加入包裝系統中,可以更有效地將活性物質遷移到食品中。

王磊明等[46]研究殼聚糖-肉桂精油復合膜對藍莓保鮮效果,添加肉桂精油體積分數為0%、0.4%、0.8%及1.2%的殼聚糖處理后的保鮮指標的平均貢獻率分別為0.097、0.149、0.191、0.205,肉桂精油的最佳添加量在0.4%～0.8%之間。在對殼聚糖生物膜中添加肉桂精油后,殼聚糖生物膜物理性能表現為抗拉強度上升,斷裂伸長率、光線透過率和水蒸氣透過率下降。張慧蕓等[47]研究發現包裹丁香精油-殼聚糖復合可食性膜，可有效抑制生肉糜菌落總數和高鐵肌紅蛋白含量的增加;同時還可抑制貯藏過程中的脂肪氧化,對感官品質具有良好的保持作用,在(4±1) ℃條件下貯藏期可達10～12 d,明顯提高了生肉糜貯藏過程中的品質和貨架期。Arfat等[48]研究將丁香精油(15%～30%,w/w)和氧化石墨烯(1%,w/w)結合到聚乳酸中,通過溶液澆注,開發出一種抗微生物納米級薄膜,此復合膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有良好的抗菌活性,具有作為食品安全和保鮮活性包裝材料的潛力。

2.3 水凝膠

水凝膠具有優良的力學性能和與軟組織相似的性能,已經被證明是控制和持續釋放藥物輸送系統的重要工具。在眾多的天然聚合物中,殼聚糖、果膠、海藻酸鈉和淀粉等多糖,可作為制備水凝膠的基質,可滿足不同方面的需求。

Wu等[49]通過靜電相互作用形成了基于殼聚糖和海藻酸鈉的水凝膠,并成功地將溶菌酶納入復合水凝膠中。以殼聚糖/海藻酸鈉為基體的新型水凝膠,在消除食源性微生物的同時,還能提供和保護溶菌酶。此水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較好的抗菌活性,此研究結果表明其在食品行業以及其他行業應用存在巨大潛力。李瑤瑤等[50]研究了殼聚糖水凝膠對青霉菌的抑制及其對臍橙的保鮮效果,研究結果表明殼聚糖水凝膠對臍橙采后青霉菌具有明顯抑制作用:當殼聚糖濃度為2.0%時,經培養5 d后,菌落直徑為15 mm,抑菌率達到42%,抑菌圈直徑65 mm,且涂膜后貯藏90 d品質最好,能夠提高臍橙貯藏品質。

3 展望

天然抗菌物質種類繁多,但目前被得到全面利用的種類還很有限,并且有些抗菌物質的抗菌機理并沒有得到確切認證。同時,其應用在食品包裝中時,對人體健康是否存在潛在性危害也尚未得到驗證。并且,目前使用的大部分天然抗菌劑都是粗制品,其提取工藝尚未得到系統研究和完善。

天然抗菌物質的有效成分會因地理環境和季節而發生部分變化,這給研究其抗菌機理和提取工藝又增加了難度。此外各種抗菌劑的最優添加量還有待研究,其對基體材料的影響尚未得到充分解釋與說明。對于符合材料的預處理方法會得到最好的工藝要求,做到最優的工藝,簡化操作,降低成本,使其能夠實現工業化,此技術也會對相關行業產生啟發性,有助于行業進一步發展進步。

隨著消費者對食品安全意識的提升,天然抗菌物質在食品包裝及其他食品行業方面會有更廣闊的市場前景。對于未來天然抗菌劑的發展,應該研究驗證更多對人體無害且抗菌效果強的抗菌物質。相信通過對其安全性、增效作用、抗菌機理等方面的更為全面和深入的研究,天然抗菌物質在食品行業的應用前景會更為廣闊。