基于ε-聚赖氨酸抗菌食品包装纸的制作

张海婷，孙明曦，张振楠，魏盟，谷萤萤，李帅

吉林农业科技学院食品工程学院（吉林 132000）

目前市面上的食品包装成分不一，主要由石油基合成的多重复杂聚合物制成，是一种不可降解的有机物[1-2]，加热过程中易产生有毒致癌物质，对食品安全产生较大威胁。随着人们安全意识的提高，人们对可降解食品包装材料的研究正在逐步深入，但可降解包装纸仍存在稳定性低、抑菌性能不良和品质不一等问题。

ε-聚赖氨酸是一种含有25～30个赖氨酸残基的同源多肽。赖氨酸残基通过羧基和氨基形成的酰胺键连接形成ε-聚赖氨酸，其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等常见菌种的呼吸具有一定抑制作用，并与典型的呼吸途径抑制剂存在显著区别[3-4]；普鲁兰多糖是真菌出芽短梗霉菌株分泌出一种无毒、安全、黏性强的高分子物质[5]；魔芋葡甘聚糖是从魔芋的块茎里提取出来的一种高相对分子质量、非离子型水溶性多糖，其生物活性、流变学性能、亲水性、胶凝性、增稠性、黏结性、成膜性显著[6]。普鲁兰多糖和魔芋葡甘聚糖具有容易获取、成本低、成膜效果显著的优点[7-8]，ε-聚赖氨酸具有优良的抗菌性能。

此次试验选取魔芋葡甘聚糖和普鲁兰多糖为成膜基材，辅以添加ε-聚赖氨酸为抑菌成分[9-10]，制作抗菌食品包装纸，并对其抑菌性能进行测定，以期获得具有优良抗菌效果的可降解食品包装纸。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

试验仪器与设备见表1。

表1 试验仪器与设备

1.2 材料与试剂

ε-聚赖氨酸、普鲁兰多糖（98%，食品级）、魔芋葡甘聚糖（98%，食品级）、吐温20、氯化钠、胰化蛋白胨、酵母提取物、琼脂、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、去离子水（电导率 18.2 MΩ/cm，自制）。

1.3 抗菌食品包装纸制备工艺

魔芋葡甘聚糖与普鲁兰多糖混合溶解→糊化→加入ε-聚赖氨酸和吐温-20→静置→倒膜→干燥→成品

1.4 抑菌试验

1.4.1 混合菌液的制备

配制100 mL 0.90%生理盐水，在无菌环境下，接种大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌混合菌液。将抗菌食品包装纸裁成直径为20 mm的圆片，备用。

1.4.2 抑菌试验方法

在无菌操作台上，吸取1 mL混合菌悬液加入到空白培养皿中，倾注10 mL冷却至50 ℃的固体培养基。待培养皿冷却稳定后，用镊子放入直径为20 mm的可食膜，分别加入普鲁兰多糖、魔芋葡甘聚糖和ε-聚赖氨酸，以等量混菌液作为空白对照，平板经室温放置10 min，置于37 ℃恒温培养箱培养24 h，观察细菌生长情况，测定抑菌圈直径，所有试验重复3次，取平均值并记录结果。

1.4.3 单因素试验设计

单因素试验设计见表2。固定水平：普鲁兰多糖0.75%、魔芋葡甘聚糖0.75%、ε-聚赖氨酸0.2%。

表2 单因素试验因素水平表 %

1.4.4 响应面试验设计

以单因素试验为基础，根据Box-Behnken试验设计原理，选取普鲁兰多糖、魔芋葡甘聚糖和ε-聚赖氨酸三个因素，进行三因素三水平的响应面分析方法，因素与水平设计见表3。

表3 响应面试验因素与水平设计 %

2 结果与分析

2.1 单因素试验与结果分析

2.1.1 普鲁兰多糖对抑菌圈直径的影响

由图1可知，普鲁兰多糖添加量对抗菌食品包装纸的抑菌性有明显的影响。随普鲁兰多糖添加量的增大，抗菌性明显增强，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑制作用明显；随着添加量的增多，抑菌性负荷，细菌增长与其他成分拮抗，有效成分被破坏，所以当添加量为0.75%时，抑菌性较好。

2.1.2 魔芋葡甘聚糖对抑菌圈直径的影响

由图2可知，随魔芋葡甘聚糖质量分数的增大，抑菌圈直径先增大后减小。当添加量由少至多时，最大抑菌圈直径达34 mm，抑菌性逐渐敏感；当其添加量低于0.75%时，透明圈直径减小，魔芋葡甘聚糖属天然成分，添加量过多会抑制性能，与周围环境作用，细菌抑制不明显，而导致缩圈。

图1 普鲁兰多糖对抑菌圈直径的影响

图2 魔芋葡甘聚糖对抑菌圈直径的影响

2.1.3ε-聚赖氨酸对抑菌圈直径的影响

由图3可知，随着ε-聚赖氨酸添加量的增大，抑菌圈直径也随之增大。表明其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、杆菌枯草芽孢杆菌具有良好的抑菌性，当ε-聚赖氨酸添加量为0.3%时，抑菌性最强。可能是因为ε-聚赖氨酸中的活性物质破坏了微生物的细胞结构，能量物质运输中断，导致呼吸被其抑制。

图3 ε-聚赖氨酸对抑菌圈直径的影响

2.2 响应面试验结果及分析

以普鲁兰多糖添加量、魔芋葡甘聚糖添加量和ε-聚赖氨酸添加量为试验因素，抑菌圈直径为响应值，用响应面分析法对成膜配方进行优化，设计及测定的结果见表4。

表4 响应面试验设计及结果

2.3 回归方程拟合和方差分析

利用表4的响应面试验设计得出的数据进行多元回归方程拟合，建立回归模型，以此得到抗菌食品包装纸的抑菌性直观反映途径，抑菌圈直径与普鲁兰多糖、魔芋葡甘聚糖和ε-聚赖氨酸3个因素的二次多元回归方程为Y=-271.067 50+185.52X1+145.37X2+ 1 385.75X3+5.50X1X2-8.00X1X3+14.00X2X3-121.08X12-97.48-577.00。

由表5可知，回归方程模型的p=0.000 5＜0.01，模型极显著；由各项因素的p值可知，对抑菌圈直径的影响大小顺序为ε-聚赖氨酸＞魔芋葡甘聚糖＞普鲁兰多糖。说明ε-聚赖氨酸对抑制微生物呼吸影响最大，魔芋葡甘聚糖次之，普鲁兰多糖影响最小，但是三者均影响显著。决定系数R2=0.958 7，预测决定系数R2=0.905 7，所以参考值与模拟预测值有紧密联系，该方程模拟性较好。

表5 回归模型方差分析

2.4 等高线分析

由图4可知，普鲁兰多糖和魔芋葡甘聚糖两者交互作用最显著，普鲁兰多糖和ε-聚赖氨酸两者交互作用次之，魔芋葡甘聚糖和ε-聚赖氨酸交互作用最小。

图4 对抑菌圈直径影响的响应面及等高线

以抑菌圈直径取最大值为寻优目标，用软件Design- Expert 8.0.6的优化功能对因素综合寻优。确定的食品包装纸最佳制备工艺为0.78%的普鲁兰多糖、0.79%的魔芋葡甘聚糖和0.27%的ε-聚赖氨酸。在此条件下，制得的抗菌食品包装纸的抑菌圈直径为45.02 mm。按以上述优化结果的材料配比进行膜液的制备，进行3次平行验证试验，取平均值，测得抑菌圈直径为41.96 mm，验证试验结果与拟合值无显著性差异。

3 结论

综上所述，ε-聚赖氨酸抗菌食品包装纸以抑菌圈直径为指标，确定的抗菌食品包装纸的最佳制备工艺为0.78%的普鲁兰多糖、0.79%的魔芋葡甘聚糖和0.27%的ε-聚赖氨酸。在此条件下，抑菌圈直径为41.96 mm。