天然抗菌物质在食品包装中的应用研究进展

蔡晨晨,王瑞琴,陈德昭,梁欣泉,陆登俊

(广西大学轻工与食品工程学院,广西南宁 530004)

食品中营养成分的种类丰富多样,可满足各种微生物的生长所需。食品从生产到被消费整个过程中,对安全有着较高的要求,包装对食品具有高效保鲜作用。在整个过程中可起到关键作用,不仅可以保持食品的外形,更为食品安全增加保障。

近年来,人们对于食品安全问题的关注度与日俱增,因此对食品包装新材料和新技术的研发与应用投入了更多精力。购买到有安全保障且含有少量甚至不含防腐剂的食品,是大众对食品的普遍要求。目前使用的抗菌剂大体可分为无机、有机和天然抗菌剂三大类。银沸石、银硅胶、银活性炭等是无机抗菌剂众多种类中,使用较多的抗菌剂。在有机抗菌剂中,主要为季铵盐、胍类和有机金属化合物等。但添加以上抗菌剂的食品包装会对环境造成污染并危害人体健康。天然抗菌剂因其抗菌性强、安全无毒和性能稳定等特性,使其在食品包装领域得到极大重视。

天然抗菌物质可以从动物、植物和微生物等不同来源获得。据一些研究报道，动物性来源抗菌物质溶菌酶对食物腐败微生物具有明显的抑菌作用[1]。也有研究证明,在表面活性剂和EDTA等螯合剂的共存下,革兰氏阴性菌对溶菌酶的敏感性可以得到提高[2]。一些与植物类抗菌剂有关的研究，已经证明了植物源抗菌化合物在食品应用中的有效性,以及影响这种有效性的因素[3]。然而,关于这些化合物结构功能关系的研究还很有限;因此,植物源性天然抗菌剂的化学成分在其抗菌活性方面的重要性仍然没有得到很好的理解。在众多植物源天然抗菌物质种类中,精油类抗菌物质已经得到广泛研究与应用,但以水果和蔬菜的副产品为来源的抗菌物质,其研究依旧是非常有限;这些副产品也可以作为抗菌化合物的来源,因此可能成为低成本天然抗菌物质的潜在来源[4]。在近期的一些研究中,微生物类抗菌物质作为新型抗菌物质的来源，受到了广泛的关注,其对一些病原体具有优异的抗菌效果。本文从天然抗菌剂的种类和在食品包装行业应用方式方面，综述了天然抗菌物质在食品包装中的应用研究进展。

1 天然抗菌剂

天然抗菌剂是指能够杀死微生物或抑制其繁殖,即为细菌、霉菌等微生物及病毒等病原体高度敏感的化学物质。其来源广泛,主要来自天然物质的提取物,根据其主要来源大致可分为三大类:动物类、植物类、微生物类。其中动物来源的抑菌剂包括乳铁蛋白、乳过氧化物酶、蜂胶、壳聚糖和溶菌酶等;植物类抑菌剂包括植物精油、树脂或植物提取物等;除此之外微生物也是来源之一,如抑菌化合物乳酸链球菌肽等[5]。

天然抗菌剂是由多种化学物质组成的复杂混合物,通常由一种化合物控制,其中大部分和各种特定的提取物成分被证明具有不同的抗菌活性。同时其具有来源广泛、毒性有限、成本相对较低等特性,且其良好的生物相容性使其更易与食品包装材料的基体相融合,从而可达到减少生产成本的目的。

1.1 动物类抗菌剂

动物类抗菌剂主要有蜂胶、壳聚糖和溶菌酶等。蜂胶因其含有多酚、萜类等抗菌物质从而达到保鲜食品的效果[6]。壳聚糖通过成膜作用起到抑菌、杀菌的效果。溶菌酶是由植物、真菌、细菌、鸟类和哺乳动物产生的一种重要的、具有抗菌潜力的酶,在自然界储量丰富，其能够水解细菌细胞壁上连接N-乙酰基胞壁酸和N-乙酰氨基葡萄糖的β-1,4糖苷键,尤其对革兰氏阳性菌有抑制效果[7]。美国美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration,FDA)已经将溶菌酶归为安全的抗菌剂[8]。

1.1.1 蜂胶 蜂胶是一种天然的树脂产品,通常含有多种化合物,如多酚(类黄酮、酚酸和酯类)、萜类化合物、类固醇、氨基酸、挥发性醛类和酮类[9]。蜂胶是由蜜蜂从花蕾和树叶中收集而获得,然后与蜂蜡混合而制得[10]。蜂胶比蜂蜜含有更多的酚类化合物,具有较高的抗菌素和抗氧化活性。蜂胶目前被用作糖果、生物制药和化妆品的组成成分,也可作为食品的一种天然防腐剂,以及作为饮料中生物活性化合物的来源,在食品行业越来越受欢迎[11]。Duman等[12]将蜂胶的水提取液添加到新鲜鱼类产品的真空包装中,对其感官品质和微生物生长进行评价,研究结果表明添加有蜂胶的样品与无添加蜂胶的样品相比较,其保质寿命延长了12 d。

1.1.2 壳聚糖 壳聚糖(Chitosan)是甲壳素脱乙酰基衍生物,在自然界中其储存量仅次于纤维素。其主要来源为天然蟹、虾和昆虫类的外壳[13]。壳聚糖具有良好的成膜能力、良好的生物相容性和抗菌活性。作为一种具有半透性膜的天然多糖,壳聚糖有许多独特的功能,如减弱呼吸速率、减少水分损失以及抑制微生物等[14]。壳聚糖是通过清除机体自由基等作用隔离食品与空气的接触,抑制好氧性细菌生长的同时达到抗氧化效果[15]，其对大肠杆菌,枯草杆菌,金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌等均有抑制能力,即具有优异的抗菌性。同时壳聚糖具有良好的无毒性、吸湿性、透气性、生物降解性、生物相容性、螯合性以及酶固化作用等特性,这使其在食品包装领域得到极大重视。

目前提出的壳聚糖抗菌机理大致有两种:一是：壳聚糖的氨基阳离子与构成微生物细胞壁的唾液酸磷脂等阴离子相互吸引,其结果微生物被束缚,限制了其自由度,阻碍其代谢和繁殖这一过程;二是：大量低分子量的壳聚糖侵入微生物细胞内,阻碍微生物的遗传密码由DNA向RNA复制,由此阻碍微生物的繁殖[16]。有文献证实,壳聚糖对大肠杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌等均有抑制能力[17]。

1.2 植物类抗菌剂

植物类抗菌剂主要为植物精油,其化学成分是复杂化合物的混合物,主要是由单萜、倍半萜和它们相应的含氧衍生物(醇类、醛类、酯类、醚类、酮类、酚类和氧化物)组成[18]。研究表明[19-21],在这些大量的精油成分中,主要的有效抑菌成分是小分子的酚类物质、萜烯类物质和醛酮类物质。植物精油的抑菌活性由精油的主要成分决定或者多种成分协同作用,即植物精油抑菌机制是一种多点作用机制[22]。植物精油抑菌机理可主要分为两种:第一,其可破坏微生物细胞和菌丝体的形态结构和组成,如可造成细胞膜、细胞壁和细胞器等结构的不可逆损伤,诱发溶解菌丝体,最终导致微生物死亡[23];第二是降低或抑制分生孢子的产生和萌发,从而抑制菌体后代对食品的继续伤害作用[24]。

植物精油的种类众多,包括有肉桂精油、丁香精油和柠檬草精油等[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浓度较低的条件下，对灰霉菌、链格孢菌、扩展青霉等菌体产生明显的抑制作用;罗勒精油、亚香茅精油、柠檬草精油等多种精油在较低浓度下，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、桂叶、桂枝等为原材料提取而得,一般为黄色或琥珀色液体,香气特异,味甜辛,主要化学成分为反式肉桂醛、反式邻甲氧基肉桂醛和乙酸桂酯等,具有强烈的芳香及辛辣气味,用途广泛。研究表明,肉桂油具有强烈的抑制或杀死微生物的特性,可以作为天然食品防腐保鲜剂用[30]。

研究发现[31],肉桂精油加入到海藻酸钠/羧甲基纤维素薄膜中,会增加薄膜的厚度、水汽的渗透性、透气性和伸长率,同时大大降低薄膜的含水率和抗拉强度。当15 g/L的肉桂精油被加入到薄膜中时,水蒸气的渗透性会降低,并随着浓度的增加,薄膜的透气性略有下降。将此复合膜用作保护香蕉的涂料,可以将香蕉的保质期延长到7 d。

吕明珠等[32]研究发现肉桂精油保鲜液在低温、高湿条件下，可以有效地抑制红提葡萄表面致病菌的生长,其良好的成膜性也能够较好地保存红提葡萄的含水量,降低呼吸强度,从而保持葡萄品质,延长其贮藏时间15～30 d,提高商品价值。

1.2.2 丁香精油 丁香精油是一种天然植物精油,它具有良好的抑菌、杀菌性能,是从丁香植物中提取出的一种植物精油,它具有良好的抑菌、杀菌性能,此种植物为落叶灌木或小乔木,原产东南亚,我国华南地区亦有少量种植。丁香精油中高浓度的丁香酚是提高精油抗菌活性的关键,丁香酚可以使细胞蛋白变性,并与细胞膜磷脂发生化学反应,从而改变菌体细胞的渗透性[33-35]。

崔海英等[36]通过测定丁香精油对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的最小抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC),对丁香精油的杀菌性进行评价,并且研究了丁香精油在嫩豆腐、老豆腐、内酯豆腐以及盐卤豆腐这四种豆制品中的杀菌特性,研究结果表明丁香精油对两种试验菌株的MIC均为0.025%,MBC均为0.05%。在豆制品中的应用试验中,在丁香精油作用24 h后,四种豆制品中细菌致死率均达到了99.9999%以上,表明丁香精油在四种豆制品中显示了较好的保鲜效果。潘磊庆等[37]研究丁香精油对樱桃番茄采后主要致病菌的抑制作用及对其采后品质和生理的影响,其研究结果表明丁香精油可有效抑制根霉、灰霉的生长,并可诱导樱桃番茄防御过氧化物酶、多酚氧化酶及氧化氢酶活性的升高;经丁香精油处理可降低果实的腐烂指数,120 μL/L丁香精油熏蒸对樱桃番茄的防腐保鲜效果最好,贮藏19 d后腐烂指数比对照降低了70.6%;20 ℃下贮藏19 d之后,丁香精油处理后樱桃番茄的果实硬度、可溶性固形物含量、颜色及可滴定酸与对照组果实相比均无显著差异。

1.2.3 其它植物精油 在众多植物精油种类中,肉桂精油与丁香精油已经得到大量研究与使用。其它种类的植物精油根据其独特的抗菌机理与抗菌效果,也在逐渐得到深入研究与投入使用。

Guo等[38]通过测量抑制区(ZOI)、MIC、MBC和死亡时间,研究了草果精油的对食源性病原菌的抗菌活性。结果表明,其对食源性大肠杆菌的易感性较好,最低抑菌浓度和最低杀菌浓度值分别为3.13和6.25 mg/mL。Ahmad等[39]研究将25%(w/w)香茅精油(LEO)加入到海鲈鱼的明胶薄膜包装中,评价在4 ℃的12 d贮藏过程中,其微生物、化学和物理性质的改变。结果表明,用LEO膜包裹的海鲈鱼片与对照组即未使用LEO明胶膜包裹的鲈鱼片相比,在12 d的贮藏过程中,乳酸菌、嗜冷菌和腐败微生物生长缓慢;同时LEO膜样品的颜色、阴离子交换柱层析法测定值、总挥发性碱氮值和硫代巴比妥酸活性物质值的变化和对照组相比,都有所降低;因此将香茅精油加入明胶薄膜可以增强膜的抗菌性和抗氧化性,从而保持海鲈鱼片的品质,延长在冷冻温度下的保质期。

1.3 微生物类抗菌剂

微生物类抗菌物质是由微生物代谢产生的一类抗菌物质,主要包括有机酸、多肽或前体多肽。这些物质分子量小、结构高度紧密,很容易能够进入微生物细胞,因而其能很迅速地抑制一些微生物的生长。其中乳酸链球菌肽(Nisin)是由乳酸链球菌分泌的一种多肽,能够抑制部分革兰氏阳性菌的生长。Nisin具有无毒、用量少、防腐效果好、价格低廉等特点,愈来愈受到人们的重视,已广泛应用于罐藏食品、植物蛋白食品、乳制品和肉制品的保藏中。

毕秀芳等[40]研究了超声波结合Nisin对胡萝卜汁中自然菌群的杀菌效果,其结果表明,在两者共同作用下,菌落总数下降了2.39个对数值,其中霉菌和酵母菌下降3.99个对数值。Wu等[41]通过席夫碱反应将Nisin锚固在氧化纤维素上,即建立了Nisin氨基与氧化纤维素膜醛基的接枝反应,得到了乳酸链球Nisin锚定纤维素膜;此膜具有优异的透明性能,其透光率在300～800 nm之间,且热稳定性好、易降解;同时其对酸度水杨酸杆菌具有较好的抗菌活性,即在玻璃干燥器中存放3个月后,复合膜仍具有抗菌活性,具有良好的食品包装材料潜力。

2 天然抗菌剂在食品包装领域的应用

天然抗菌剂在食品包装行业应用方式多种,有涂料、复合膜[42]和水凝胶等。

2.1 涂料

涂料是在食品表层形成的一层较薄的材料,可以存在于食品之间或食品成分之间[43]。涂料具有与传统包装类似的功能,包括可以形成对水、气体和风味化合物的屏障,保持食品的结构完整性和提高食品的机械处理特性。

吴慧等[44]以不同浓度的壳聚糖溶液涂膜保鲜葡萄,测定葡萄在贮藏期间的水分含量、总酸含量和还原糖含量的变化,并与空白组比较,从而探讨壳聚糖涂膜保鲜对葡萄的保鲜效果。试验结果表明:随着贮藏时间的延长,葡萄中的水分含量和总酸含量不断下降,还原糖含量先下降后上升;壳聚糖溶液涂膜处理的葡萄与空白组相比,各个指标下降速度均比较慢,质量浓度为1.5%～2.0%的壳聚糖溶液在室温下对葡萄有比较好的保鲜效果。

王娟等[45]在延长鲜切木瓜的保鲜时间的研究中,利用壳聚糖和尼辛、那他霉素、薄荷油、氯化钙、香兰素多种物质制成复合保鲜涂膜液，对鲜切木瓜进行涂膜。研究结果表明当壳聚糖质量分数1.0%、氯化钙质量分数0.6%、那他霉素14.0 mg/kg、Nisin 0.10 g/kg、香兰素质量分数0.3%、薄荷油1.5 mL/L、紫外照射时间22 min、紫外照射距离范围44～66 cm时,与对照组相比,涂膜处理可有效地减小鲜切木瓜色度值和褐变指数值的变化,同时保持较高的可溶性固形物含量,减少贮藏过程中的水分损失,抑制霉菌、酵母菌和细菌的增长。

2.2 复合膜

近年来,由于食品级膜具有抗菌效果且可降解其在合成包装材料上的优势受到越来越多的关注。活性食品包装膜是一种创新性概念,满足了当前消费者对天然且不含防腐剂食品的需求。它可将各种抗菌物质加入包装系统中,可以更有效地将活性物质迁移到食品中。

王磊明等[46]研究壳聚糖-肉桂精油复合膜对蓝莓保鲜效果,添加肉桂精油体积分数为0%、0.4%、0.8%及1.2%的壳聚糖处理后的保鲜指标的平均贡献率分别为0.097、0.149、0.191、0.205,肉桂精油的最佳添加量在0.4%～0.8%之间。在对壳聚糖生物膜中添加肉桂精油后,壳聚糖生物膜物理性能表现为抗拉强度上升,断裂伸长率、光线透过率和水蒸气透过率下降。张慧芸等[47]研究发现包裹丁香精油-壳聚糖复合可食性膜，可有效抑制生肉糜菌落总数和高铁肌红蛋白含量的增加;同时还可抑制贮藏过程中的脂肪氧化,对感官品质具有良好的保持作用,在(4±1) ℃条件下贮藏期可达10～12 d,明显提高了生肉糜贮藏过程中的品质和货架期。Arfat等[48]研究将丁香精油(15%～30%,w/w)和氧化石墨烯(1%,w/w)结合到聚乳酸中,通过溶液浇注,开发出一种抗微生物纳米级薄膜,此复合膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有良好的抗菌活性,具有作为食品安全和保鲜活性包装材料的潜力。

2.3 水凝胶

水凝胶具有优良的力学性能和与软组织相似的性能,已经被证明是控制和持续释放药物输送系统的重要工具。在众多的天然聚合物中,壳聚糖、果胶、海藻酸钠和淀粉等多糖,可作为制备水凝胶的基质,可满足不同方面的需求。

Wu等[49]通过静电相互作用形成了基于壳聚糖和海藻酸钠的水凝胶,并成功地将溶菌酶纳入复合水凝胶中。以壳聚糖/海藻酸钠为基体的新型水凝胶,在消除食源性微生物的同时,还能提供和保护溶菌酶。此水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较好的抗菌活性,此研究结果表明其在食品行业以及其他行业应用存在巨大潜力。李瑶瑶等[50]研究了壳聚糖水凝胶对青霉菌的抑制及其对脐橙的保鲜效果,研究结果表明壳聚糖水凝胶对脐橙采后青霉菌具有明显抑制作用:当壳聚糖浓度为2.0%时,经培养5 d后,菌落直径为15 mm,抑菌率达到42%,抑菌圈直径65 mm,且涂膜后贮藏90 d品质最好,能够提高脐橙贮藏品质。

3 展望

天然抗菌物质种类繁多,但目前被得到全面利用的种类还很有限,并且有些抗菌物质的抗菌机理并没有得到确切认证。同时,其应用在食品包装中时,对人体健康是否存在潜在性危害也尚未得到验证。并且,目前使用的大部分天然抗菌剂都是粗制品,其提取工艺尚未得到系统研究和完善。

天然抗菌物质的有效成分会因地理环境和季节而发生部分变化,这给研究其抗菌机理和提取工艺又增加了难度。此外各种抗菌剂的最优添加量还有待研究,其对基体材料的影响尚未得到充分解释与说明。对于符合材料的预处理方法会得到最好的工艺要求,做到最优的工艺,简化操作,降低成本,使其能够实现工业化,此技术也会对相关行业产生启发性,有助于行业进一步发展进步。

随着消费者对食品安全意识的提升,天然抗菌物质在食品包装及其他食品行业方面会有更广阔的市场前景。对于未来天然抗菌剂的发展,应该研究验证更多对人体无害且抗菌效果强的抗菌物质。相信通过对其安全性、增效作用、抗菌机理等方面的更为全面和深入的研究,天然抗菌物质在食品行业的应用前景会更为广阔。