抗生物被膜材料在食品微生物安全领域的应用研究进展

田翠芳，张昭寰,2,*，陶 倩，吴 倩，潘迎捷,3,4，赵 勇,3,4,*

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；3.农业农村部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室（上海），上海 201306；4.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306）

微生物导致的食品安全问题给人类健康造成了严重影响，据统计，2000ü2015年间我国平均每年食物中毒人数约为10 609，其中56%以上因微生物感染。研究表明，大多数微生物以生物被膜的形式存在，通过微生物细胞的大量聚集，并与胞外分泌物（多糖、蛋白质、DNA等）进行黏连形成复杂的群落，广泛存在于不锈钢、玻璃、橡胶、金属及食品表面，有助于细菌抵抗饥饿、抗生素侵袭、宿主细胞防御等不利条件。生物被膜在食品工业中的危害巨大，微生物极易在食品加工设备（如热交换器）或封闭表面（如管道）上形成生物被膜，其赋予了微生物极强的环境适应能力，不仅难以消除，导致设备腐蚀或管道堵塞，严重影响食品的生产效率；而且容易造成食品的二次污染，加速食品腐败变质，使得产品保质期大大缩短。

当前食品工业或食品科学研究中，为降低、消除生物被膜的危害，常使用消毒剂、紫外辐射和超声等杀死微生物细胞的处理方式，虽能达到较好的杀菌效果，但并不能从根本上解决生物被膜的危害，亚致死或重新污染的微生物细胞仍能黏附在食品加工相关材料表面，形成新的生物被膜，导致新一轮的食品安全问题。因此，对食品加工相关材料进行改性，开发针对性的抗生物被膜材料，能够从根源上减少微生物的附着，阻止生物被膜的形成。不仅能降低食品工业中微生物的危害，而且有助于控制食品生产及加工中的交叉污染问题，对保障食品安全、促进食品工业健康可持续发展具有十分重要的现实意义。

近年来，国内外关于抗生物被膜材料的研究已陆续开展，但缺少相关综述汇总。因此，本文首先概述了抗生物被膜材料的定义及制备方法，基于活性物质的种类对抗生物被膜材料进行详细的分类，并进一步描述抗生物被膜材料在食品工业的应用现状，最后对抗被膜材料的未来发展进行展望。本文可为抗生物被膜材料的进一步研究提供理论参考，以期全面促进此类材料在食品微生物安全领域的应用，为保障食品安全与人类健康提供有效的技术策略。

1 抗生物被膜材料的定义及制备方法

抗生物被膜材料是一类通过改变材料表面涂层性质或加入抗菌物质所构建的新型功能性材料，能够有效减少或抑制生物被膜的生长，常应用于医疗（耳蜗或牙科植入物、关节假体、伤口敷料）、食品加工行业（食品包装、食品加工设备）等微生物容易聚集的领域。目前，常用的抗被膜材料制备方法包括静电纺丝法、共价结合法、溶液浇铸法等。图1总结了抗生物被膜材料3种常用制备方法的基本流程。静电纺丝法是在高压条件下，使聚合物在注射器的推动下运行一段距离形成丝状，从而合成纤维类抗生物被膜材料的一种方法（图1A）。共价结合法是通过化学方法进行处理，使材料和酶、抗菌肽等活性物质的基团间形成共价键，从而使活性物质固定在材料表面的一种方法（图1B）。在酶、抗菌肽等活性物质共价结合的过程中，对于温度、酸碱度等条件的要求极其严格，需根据具体情况进行调节以保证物质的活性。溶液浇铸法常用于膜类材料的制备，其原理是将液态的铸膜液倾注于相应的载体或模具中，并进行干燥使其聚集成膜（图1C）。该方法原理简单、制备方便，但应用范围较窄。除上述方法外，喷射共沉积技术、化学还原法、直接浸泡和热解法、光交联技术等也可用于制备抗生物被膜材料。

图1 抗生物被膜材料常见制备方法的示意图Fig.1 Schematic diagram of common preparation methods for anti-biofilm materials

2 抗生物被膜材料的活性物质

目前，用于抗生物被膜材料的活性物质多种多样，且合成材料及功能也存在一定的差异。常用的抗被膜材料主要包括酶基材料、肽基材料、多糖基材料、植物提取物基材料、金属纳米粒子材料、复合材料等。

2.1 酶基材料

抗生物被膜酶基材料的核心物质是生物被膜水解酶，这种酶主要通过水解胞外基质（如胞外多糖、胞外蛋白和胞外DNA等）使生物被膜裂解，基于此类水解酶开发的新型材料能够从源头上阻止细菌的有效黏附，从而抑制生物被膜在材料表面的生长。Asker等将糖苷水解酶PslGh共价结合到玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯表面，形成了一种新型的生物活性材料，能够抑制假单胞菌的生物被膜长达8 d。Rajasekharan等利用纤维素酶能够裂解胞外多糖-1,4-糖苷键的特性，将其与不同植入性假体材料（聚苯乙烯、聚乙烯醇、玻璃、聚碳酸酯）合成，研究发现这4种材料对洋葱伯克霍尔德菌生物被膜均有很好的抑制作用。Kisch等将马肝酯酶、猪肾酰化酶和猪肝酯酶固定在医用塑料上，利用其裂解高丝氨酸内酯的能力，抑制生物被膜的生长。结果表明，在细菌生长68 h后，相比于未改性材料，改性后的材料能有效减少54%～97%的生物被膜生物量。Szymańska等将糖苷水解酶PelAh固定在细菌纤维素的表面，结果表明，这种新型的生物材料能够有效抑制铜绿假单胞菌生物被膜的形成，可作为伤口敷料类产品的有效成分。

2.2 肽基材料

抗生物被膜肽基材料的核心物质是抗菌肽，抗菌肽是一类具有抗菌活性的碱性多肽物质，广泛分布于动物、植物、真菌以及细菌中，不易驱动微生物产生耐药性，仅需较低浓度即可达到很好的被膜抑制效果。Yala等将肽类抗生素短杆菌肽A共价结合在金的表面，发现该表面细菌生物被膜的形成量显著降低，且这种作用能维持半年之久。Moussa等将以两亲性抗菌肽（amphipathic antimicrobial peptides，AAMPs）为基础的抗被膜涂层应用于牙齿表面，发现牙釉质上的AAMPs涂层对3种主要的产酸微生物具有长效的抗被膜活性，并能够抵抗龋齿的复发。Agrillo等将细菌素衍生肽1018K6与食品中最常见的包装材料聚对苯二甲酸乙二醇酯进行偶联，该活性材料能够显著减少乳制品中细菌及霉菌的数量，并能有效抑制单核细胞增生李斯特菌（以下简称单增李斯特菌）生物被膜的形成，具有降低食源性致病菌风险、延长食品货架期的应用价值。Borowski等证明了天然辣椒肽能够在没有抗生素的情况下，防止耐甲氧西林表皮葡萄球菌生物被膜的形成，并在此基础上研制了一种表面涂层，该涂层能减少细菌的黏附、聚集和积累，且不存在细胞毒性，具有广阔的应用前景。Gao Qiang等合成了阳离子抗菌多肽，并将3种含阳离子多肽的共聚物分别接到硅橡胶（一种常用的医用导管材料）表面，结果均能有效抑制生物被膜的形成，说明该阳离子多肽可应用于预防医用导管污染所引起的相关临床感染。

2.3 多糖基材料

一些多糖（如壳聚糖、透明质酸等）具有良好的生物相容性、抗菌性和亲水性，对生物被膜有显著抑制作用，可用于制备、合成功能化抗生物被膜材料。Ambrogi等制备了能延长氯己定（chlorhexidine，CLX）释放的壳聚糖/蒙脱土复合膜，研究发现该复合膜对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌、铜绿假单胞菌和白色念珠菌均显示出良好的抗被膜活性，并证明了CLX添加量为1%的蒙脱石-CLX膜没有细胞毒性，具有作为伤口敷料的潜力。透明质酸是一种具有生物被膜排斥作用的多糖，Morra等证明了经透明质酸共价结合修饰后玻璃表面的抗被膜活性，该涂层具有亲水性（接触角为22°），与未改性玻璃相比，能够降低表皮葡萄球菌和大肠杆菌的黏附量。Harris等的研究结果同样证实了涂有透明质酸涂层的表面能显著降低细菌附着力。

2.4 植物提取物基材料

植物精油中的酚类物质具有抗菌活性，主要包括百里香酚和香芹酚两种。研究表明将香芹酚添加到材料中，其固有的杀菌特性可导致表面张力降低，从而影响细菌的初始附着阶段，并破坏正常的生物被膜。Sharma等采用溶剂浇铸法制备了含不同浓度百里香精油和丁香精油的聚丙交酯-聚己二酸丁二醇酯膜，结果表明两种复合膜对大肠杆菌生物被膜的抑制率均高达80%以上，且丁香精油复合膜具有较强的抗紫外线性能，可作为食品包装材料。Pazarci等将长叶薄荷精油添加到钛表面，发现精油修饰的材料能很好地抑制金黄色葡萄球菌生物被膜的形成。精油的抗菌性能主要是多种成分协同作用的结果，因此目前的研究更倾向于将不同精油复合使用，以达到最佳的抑菌效果。Luís等制备了含岩玫瑰精油的薄膜，该薄膜能够影响细菌的黏附，具有抗生物被膜活性，有望应用于食品贮藏保鲜领域。

除精油以外，植物中其他提取物也被证实有抗生物被膜的潜能，Nazli等利用聚氨酯和贯叶连翘提取物复合成一种具有抗生物被膜活性的新材料，结果表明，与对照组相比，该材料表面的金黄色葡萄球菌生物被膜量减少了92.85%。此外，植物肉桂（如肉桂醛、肉桂酸等）中也含有具有抗菌活性的物质。Dell’Orto等以2-羟甲基丙烯酸甲酯为连接剂，将肉桂酸和水杨酸修饰于聚乙烯表面，结果表明，新合成材料表面的大肠杆菌生物被膜量明显降低。

2.5 金属纳米粒子材料

金属纳米粒子材料具有抗生物被膜的潜力和应用前景。其中最常见的是含银、铜和氧化锌等金属粒子的纳米材料。Mahamuni-Badiger等利用静电纺丝技术制备了聚3-羟基丁酸盐-co-3-羟基戊酸盐（poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate)，PHBV）/聚乙烯氧化物（polyethylene oxide，PEO）-纳米氧化锌（ZnONPs）材料，ZnONPs的加入增强了PHBV/PEO微纤维的力学性能和抗生物被膜活性，含有ZnONPs的复合膜对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌生物被膜均有抑制作用。Jang等采用化学还原法，在氧化石墨烯表面修饰了Ag和Cu双金属纳米粒子，该材料可去除微流控通道中铜绿假单胞菌的生物被膜，并能使生物被膜感染的皮肤伤口迅速愈合。Rosenberg等研究表明，在寡营养条件下，纳米氧化锌涂层能使金黄色葡萄球菌生物被膜量显著减少，加入银的纳米氧化锌涂层同样能抑制大肠杆菌生物被膜的形成。Partoazar等通过天然沸石（ZnO/Ze）制备了纳米氧化锌（NanoZnO/Ze），结果发现，与ZnO/Ze相比，NanoZnO/Ze能有效抑制粪肠球菌生物被膜的形成，并使粪肠球菌的基因显著下调。

2.6 复合材料

将不同的抗生物被膜活性物质进行合理搭配，使其功能互补，能制备抑菌效果更好、稳定性更强、靶向性更强的复合材料。Karthika等在壳聚糖聚合物中注入纳米FeO，并以还原氧化石墨烯为涂层制备了复合材料，该材料对铜绿假单胞菌生物被膜的抑制率高达74%。Vasile等制备了天然精油复合纳米银的功能性材料，该材料具有抑制微生物定植和生物被膜的潜力，能够用于伤口敷料和防腐材料的制备。Park等基于脂质-水凝胶-纳米的混合搭配，开发了一种高效耐用的抗被膜材料，研究发现，即使材料在外部机械刺激下受损，也能保持较强的抗被膜活性。Ficai等采用基体辅助脉冲激光蒸发技术制备了以聚乳酸-羟基乙酸（poly(lacticco-glycolic) acid，PLGA）和抗生素功能化磁石纳米粒子（FeO@CEF）为基材的复合薄膜（PLGA/FeO@CEF），其对葡萄球菌和大肠杆菌具有显著和持久的抗生物被膜活性。

胞外多糖具有生物相容性，常被用作金属纳米粒子的封盖剂。Garza-Cervantes等以一种来自黏质红酵母UANL-001L的胞外多糖作为覆盖锌、镍纳米粒子的封盖剂，合成了一种复合材料，该复合材料对耐药性金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌具有明显的抗生物被膜活性。Mohankandhasamy等将天然植物提取物肉桂醛固定在金纳米粒子上，制备肉桂醛金纳米颗粒，其对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）、革兰氏阴性菌（大肠杆菌和铜绿假单胞菌）和真菌（白色念珠菌）有高达80%的生物被膜抑制作用。Naha等发明了一种新型的纳米酶，该酶由右旋糖酐包裹氧化铁的纳米粒子组成，在酸性条件下表现出很强的催化活性，能特异性靶向抑制生物被膜形成。

2.7 其他材料

除了以上类型的抗生物被膜材料之外，还有一些其他功能性材料具有抑制生物被膜活性。Cristea等采用固定比例的反应气体（85% N＋15% O）通过反应磁控溅射法制备了钽氧化氮薄膜，该薄膜具有良好的抗生物被膜性能。Pietrella等基于已有的研究结果，将CLX负载于硅烷化MCM-41上，并应用于丙烯酸树脂材料，硅烷化MCM-41能够延长CLX的释放时间，抑制念珠菌生物被膜的生长。Rupf等将奥替尼啶盐酸盐（octenidine dihydrochloride，ODH）掺入树脂基材料，与不加ODH相比，含ODH的样本可使生物被膜的形成量显著减少。Pilownic等将Vitapex在内的5种充填材料与生物被膜标本接触，发现Vitapex抗生物被膜最有效。

生物活性玻璃（bioactive glass，BAG）对临床常见的需氧菌和厌氧菌都具有显著的杀菌作用，且BAGS53P4的抗菌性能最好。Lindfors等研究表明BAGS53P4具有良好的抗菌性能；Drago等进一步研究发现BAG-S53P4对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌生物被膜具有显著抑制作用。此外，Höing等同样发现BAG-S53P4可以减少人工耳蜗表面的铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的成熟生物被膜附着量。

常用的含活性物质的抗生物被膜材料总结如表1所示。

表1 含活性物质的抗生物被膜材料汇总Table 1 Summary of anti-biofilm materials containing active substances

续表1

3 抗生物被膜材料在食品工业中的应用及现状

生物被膜是导致食品工业中微生物安全问题的重要因素，在食品加工与生产过程中，食品会频繁与加工设备、管道等接触，并且传统的消毒剂不能有效地消除生物被膜。抗生物被膜材料具有降低微生物的危害、减少食品生产及加工过程中的交叉污染等优点，已逐步应用于食品微生物安全领域，主要包括食品包装材料、食品加工设备、食品器具等方面，如图2所示。

图2 抗生物被膜材料在食品工业中的应用Fig.2 Application of anti-biofilm materials in food industry

3.1 食品包装材料

生物被膜极易附着在包装材料上，对食品造成二次污染，加速其腐败变质，使得产品货架期大大缩短，因此将抗生物被膜材料应用于食品包装工业十分必要。Naskar等采用室温溶液法制备了基于聚乙二醇封接Ag-ZnO-石墨烯纳米复合材料（AZGP），通过研究证实该复合材料对细菌生物被膜有95%的抑制作用。在此基础上该学者制备了用于食品包装的琼脂AZGP薄膜，该薄膜抗生物被膜活性能维持3个月之久，这种包装材料的制备方式十分简便且价格低廉，具有较为广阔的应用前景。Manukumar等利用新型光交联技术将肉桂醛交联在低密度聚乙烯上，制备了一种新的食品包装材料，该包装材料能很好地抑制细菌生长，并能够破坏细菌生物被膜结构。Brandwein等将新型噻唑烷二酮衍生物与丙烯酸乳液聚合物混合制成一种抗生物被膜聚合物，将其涂覆于瓦楞纸板包装表面，能够使表面生物被膜量降低80%。

木瓜蛋白酶能够减少生物被膜中胞外多糖和蛋白质的含量，因此将其添加到食品包装材料中，能达到很好的生物被膜抑制效果。Prabhawathi等将木瓜蛋白酶与聚己内酰胺共价交联并添加到包装材料中，使用该材料包裹预接种大肠杆菌的新鲜干酪样品，结果发现该材料表面的大肠杆菌量、胞外多糖和蛋白质含量均明显减少。Manohar等以姜黄素为光交联剂，将木瓜蛋白酶共价固定化于低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯和聚己内酰胺中，经木瓜蛋白酶修饰的线性低密度聚乙烯抗生物被膜性能最好，且能使微生物数量降低9个数量级。

3.2 食品加工设备

食品加工设备为生物被膜的形成提供了有利条件，一些食源性致病菌如单增李斯特菌和产志贺毒素大肠杆菌极易在设备表面形成生物被膜，形成难以消除的顽固屏障，并赋予微生物极强的环境适应能力，使其能够反复污染食品，造成极大的食品安全危害。Yin等用人工合成的调节性肽1018对不锈钢和聚碳酸酯表面进行修饰，并研究了该材料对单增李斯特菌和产志贺毒素大肠杆菌生物被膜的灭活效果。与对照相比，50 μg/mL的活性肽1018能够显著灭活两个表面的所有生物被膜。由此可见，该材料可应用于以不锈钢和聚碳酸酯为基础的食品加工设备，从而预防单增李斯特菌、产志贺毒素大肠杆菌等致病菌生物被膜的危害。

3.3 食品器具

将抗生物被膜材料应用于食品器具能有效防止食品污染。3D打印越来越多地应用于日常生活，特别是食品领域（厨房工具和食品接触容器），等离子体涂层可用于3D打印制造安全的食品器具，为抗生物被膜类食品器具的研发提供了适宜的材料，能够有效解决与生物被膜相关的食品安全问题。Muro-Fraguas等将丙烯酸和正硅酸四乙酯等离子聚合涂层用于3D打印聚乳酸材料，结果表明，所有涂过1～2 次涂层的材料对铜绿假单胞菌、大肠杆菌和单增李斯特菌都有抗生物被膜特性。

4 结 语

抗生物被膜材料能直接减少材料表面微生物数量，阻碍生物被膜的形成，相较于传统杀菌方式，节约了大量时间成本，且不会影响食品的风味、色泽以及营养成分。但食品安全领域的抗生物被膜材料开发和应用才刚刚起步，存在许多研究空白，面临极大的挑战并具有极大的提升空间。本文基于抗生物被膜材料的研究现状，对抗被膜材料的未来发展提出了以下几点展望，以期为提高抗生物被膜材料性能、开发新型抗生物被膜材料提供理论参考，推动抗生物被膜材料在食品微生物安全领域的应用，以更好地保障食品安全与公众健康。

4.1 提高抗生物被膜材料性能

目前，抗生物被膜材料技术逐渐成熟、应用领域日趋广泛，而部分抗被膜材料性能还有待完善和提高。抗生物被膜活性往往是多种物质协同发挥作用，这些物质在物理、化学及生物性质方面可能会存在一定差异，尤其是基于酶、抗菌肽等成分的材料，易受外界条件的影响，导致抗生物被膜材料的稳定性较差。如何保证持久的酶活性是亟待解决的关键问题，在未来的研究中，需对此进行深入研究。例如，定向进化技术可提高酶的稳定性，可将该技术应用于酶基抗被膜材料的开发，以此提高材料的稳定性和抗生物被膜性能。此外，在保证抗生物被膜效果前提下，提高材料的力学性能（弹性模量、拉伸强度）、热学性能（热容、热导率、熔沸点）、光学性能（光的反射、吸收）以及吸水性等，也能够促进抗生物被膜材料综合性能的提升，使其更好地服务于食品安全生产。

4.2 制备高效多功能复合材料

在食品安全领域，可形成生物被膜的食源性致病种类多样，且同一菌种也可能存在异质性，使得生物被膜污染机制更加复杂。目前抗生物被膜材料的作用机制主要是抗黏附、杀菌和水解胞外分泌物等，多为一种活性物质单独作用，存在不能广泛使用的局限性。因此，在未来的抗生物被膜材料研究中，应综合考虑菌株异质性和生物被膜形成机理等基础问题，将多种活性物质协同使用，制备效率更高、应用范围更广的多功能复合抗生物被膜材料。

4.3 推动抗生物被膜材料在食品安全领域的应用

生物被膜为食品带来了极大的污染风险，抗生物被膜材料的使用是减少被膜的有效措施。未来应基于已有研究，挖掘其他具有抗生物被膜性能的化学物质，制备新型安全无污染、价格低廉、抗被膜效果更好的材料，用于食品包装、加工设备和管道以及各种食品器具，并将新型材料在食品行业中进行推广。除此之外，还可结合其他领域的抗被膜材料，将其进行修饰改性，使其可用作食品接触材料。同时开发新型抗生物被膜材料制备技术，提高抗生物被膜材料合成率，推动新型抗生物被膜材料的发展。