可降解抗菌聚乳酸薄膜在食品领域应用的研究进展

贺祺涵，袁 健，母志平，林永翅，严慧玲，赵江林

（1. 成都大学四川省杂粮产业化工程技术研究中心，四川成都 610106；2. 西昌市正中食品有限公司，四川西昌 615000）

0 引言

食品塑料包装主要用于食品的保护、封装、防潮、防污染等方面，此类塑料包装需求量大、消耗量大，具有较好的开发利用前景，但也造成了极大的环境问题。在现代化工业持续发展的过程中，环境问题越来越受到人们的重视，2021 年国家发展改革委生态环境部新发布的《“十四五”塑料污染治理行动方案》更加缩小了一次性不可降解塑料制品的使用范围和使用量[1]。由于市场的需求和国家对于生态文明建设的重视，制备出可降解聚乳酸薄膜具有很好现实意义及实用价值。

1 聚乳酸薄膜概述

传统塑料包装制品使用颇多且原材料来源单一、不易降解，常见的原材料主要包含聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、流延聚丙烯薄膜（CPP） 等。此类制品对于食品的保鲜效果差且降解困难，目前最常用的处理方式为焚烧、填埋，长久以往会对环境造成不可逆转的污染[2-3]。因此，研制出更加安全、易降解、易保鲜的新型包装材料是减少塑料制品污染的重要途径。

聚乳酸薄膜是以植物资源为基材，通过生物发酵方式利用乳酸缩聚而得的一种新型可降解的包装薄膜，具有来源广、绿色环保且易降解的特点，在包装材料行业备受关注，也是未来包装材料领域的重要发展方向[4-5]。由于聚乳酸薄膜还存在着脆性较大、撕裂强度较低等缺点，因此国内外对于聚乳酸薄膜的复合、物性强化等方面进行了大量深入研究，并取得了一定成果[6]。在食品领域的研究中，国内学者通过薄膜改性方式、丰富材料种类制备出不同的抗菌聚乳酸薄膜用于各个方向，也有研究者对薄膜类型、特点进行优化，使其抗菌性及力学性能突出。国外学者则更加侧重于不同种类聚乳酸薄膜制备及其抗菌性能的研究。目前对于聚乳酸薄膜制备方法的研究较为完善，在此基础上如何提高薄膜性能、如何将其运用到食品保鲜等问题值得研究者重点关注。

2 抗菌聚乳酸复合薄膜的类型

食品在制作处理、运输、销售等过程中会受到各种环境变化的影响，使其极易因部位损坏而感染微生物，造成食品保鲜时间不长甚至出现腐败现象[7-8]。据此研究抗菌聚乳酸薄膜，可在原有聚乳酸膜的基础上利用各类抗菌剂形成对腐败微生物有抑制作用的可抗菌聚乳酸复合膜。

2.1 有机抗菌剂/聚乳酸薄膜

2.1.1 聚乳酸-壳聚糖复合膜

壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，是第二大天然聚合物，其吸湿性、成膜性及通透性明显，特别是对大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus） 和枯草杆菌（Bacillus subtilis） 等细菌具有良好的抑制作用。该物质具有广谱高效的杀菌效果，也是一种有机可降解保鲜薄膜原料[9-10]。目前，对于聚乳酸-壳聚糖复合膜的研究主要集中在不同含量壳聚糖对于复合膜的机械性能和抗菌性能的研究[11]，利用不同种类的化学物质对壳聚糖进行改性来获取聚乳酸-壳聚糖薄膜的最佳薄膜状态也是未来一大研究方向[12]。通过各类研究制备而得的聚乳酸- 壳聚糖薄膜也极大地提升了聚乳酸的抗菌、机械性能及应用范围。

2.1.2 茶多酚-聚乳酸复合膜

茶多酚是茶叶中的主要生物活性物质，具有抗氧化、抗辐射、抗炎症等功能[13-14]。茶多酚能延缓采后果蔬的生化活动，还表现出广谱的抗菌性，能很好地起到食品保鲜作用。吕艳娜等人[15]通过流延法制备出不同茶多酚添加量的可降解聚乳酸-茶多酚共混膜，通过分析发现当茶多酚的质量分数为0.9%时，复合膜的力学性能、透湿透氧性和自由基清除率显著提高。顾晓华等人[16]制备了茶多酚-聚乳酸/聚碳酸丁二醇酯（PBC） 复合膜，茶多酚的加入使得聚乳酸复合膜的热分解稳定性、亲水性及抗菌性能有显著提高。各项研究表明，茶多酚不仅具有抗菌作用，而且与聚乳酸结合还能改变薄膜特性、强化薄膜性能，制成性能更优、使用范围更广的茶多酚-聚乳酸复合膜。

2.2 无机抗菌剂/聚乳酸薄膜

2.2.1 聚乳酸-银离子复合抗菌薄膜

银离子是一种最常用的无机抗菌剂，具有高效、安全等优点，但同时又有价格昂贵且易氧化等缺点。将银与聚乳酸结合，制备出抗菌性能好、成本低廉的可降解复合抗菌薄膜是目前的研究热点之一[17]。徐玥等人[18]选用纳米颗粒作为抗菌剂，二氧化钛作为增强相加入聚乳酸中制备的复合材料具有良好拉伸强度且能表现出较好的抗菌性能。张鹏飞[19]以聚多巴胺作为二次反应平台，合成新型纳米抗菌颗粒，加入聚乳酸基质中，制备出贻贝启发蒙脱石-纳米银/聚乳酸复合抗菌膜用于食物贮藏。Busolo M A 等人[20]将一种含新型银基抗菌层状硅酸盐添加剂的溶剂涂层运用于聚乳酸复合材料。穆金龙[21]制备出载银麦饭石/聚乳酸基纤维膜，解决了材料吸附细菌及病毒等污染问题。

2.2.2 聚乳酸-纳米氧化锌复合抗菌薄膜

纳米氧化锌是一种较为稳定的化合物，具有防紫外、抗菌和抗炎等作用。Zhang H 等人[22]将氧化锌纳米粒子纳入聚乳酸涂层，检测表明该复合膜对大肠杆菌具有灭活效果。另有研究表明，聚乳酸-纳米氧化锌复合薄膜具有更好的抗紫外线能力、力学性能及抗菌活性[23-25]。目前，对于聚乳酸-纳米氧化锌复合抗菌薄膜的制备及检测较多，但对于其作用机制的研究还不够深入。

2.2.3 聚乳酸-二氧化钛复合抗菌薄膜

二氧化钛具有高强度的机械性能、抗菌性能及抗紫外线性能等，常用于食品包装领域[26]。在聚乳酸中添加纳米二氧化钛制备抗菌薄膜，得到的薄膜对大肠杆菌、沙门氏菌及金黄色葡萄球菌等细菌具有较高的抑制率[27-28]。将聚乳酸-二氧化钛复合抗菌薄膜用于食品的保鲜研究，结果表明，该薄膜能更好地维持食品贮藏期间的感官品质及理化成分，具有较好的保鲜效果[29-31]。

2.3 有机-无机连用抗菌剂/聚乳酸薄膜

国内外对于有机-无机连用抗菌/聚乳酸薄膜的研究才刚刚起步，采用有机-无机抗菌剂连用的方法制备出的产品不仅抗菌性能好、不受紫外线干扰，而且还具有安全、高效等优点，但对于其抗菌机理方面的研究相对较少。毛龙等人[32]利用银离子代替三价铁离子引发吡咯在聚乳酸薄膜上化学氧化，聚合形成双重抗菌涂层，制备出聚乳酸-聚吡咯/银复合抗菌薄膜，热稳定性及抗菌性能得到相应提升。Fortunati E 等人[33]通过双螺杆挤出然后注塑成型的方法制备出微晶纤维素、银纳米粒子与聚乳酸三元复合材料，通过性能检测得出该三元复合材料在保持光学透明度和不可抗性的前提下对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌具有较好的杀菌活性。

目前，国内外对于各类抗菌聚乳酸复合薄膜研发仍处于初级阶段，并且相关产品未完全出现在公众视野，主要原因还是在于薄膜性能与抗菌性能还未达到一定平衡，薄膜制备工艺相对复杂、成本偏高，短期难以在市场推行。未来也应侧重于薄膜的力学性能、抗菌性及生物降解性等特性的研究，同时逐步摸索进一步简化生产工艺、降低生产成本，逐步向市场推进。

3 抗菌聚乳酸薄膜在食品领域的开发应用

通常而言，各类食品的保鲜主要在于控制其水分活度、抑制生理活动、抑制腐败菌生长等方面。聚乳酸薄膜具有良好的透气性、生物相容性、耐热性，还可起到隔离气味的作用，适合于食品中果蔬及肉类制品的保鲜。由于聚乳酸存在一些缺点，致使单层聚乳酸薄膜不能同时满足各类不同食品的保鲜要求，因此对聚乳酸的研究更多地集中在对聚乳酸薄膜改性及与其他材料复合制膜上。

3.1 水果类

水果是我国最主要的植物源鲜活农产品之一，其季节性、地域性强，贮藏及运输中的保鲜尤为重要[34]。现有的水果保鲜方法主要为物理保鲜、化学保鲜和生物保鲜，其中物理保鲜主要通过人为改变水果贮藏环境进行保鲜，如低温、气调、辐照及减压保鲜等；化学保鲜主要是利用涂膜保鲜剂、乙烯处理剂等化学试剂来保持水果新鲜；而生物保鲜主要有植物精油保鲜、生物拮抗菌保鲜及遗传工程保鲜等技术[35-36]。将聚乳酸薄膜运用于不同种类水果贮藏保鲜的研究，具有较大的应用前景。

张霖雲[37]通过分子包埋法将具有强力抗菌活性的肉桂醛制备成肉桂醛/ β -环糊精微胶囊，再将其加入聚乳酸基材制备出肉桂醛微胶囊聚乳酸抗菌薄膜，应用于番木瓜保鲜。张靳[38]以延长冬枣保鲜期为目的，制备适合于冬枣的具有拓扑结构的聚乳酸薄膜。李洋洋等人[39]制备3 种不同聚乳酸活性抗菌薄膜对樱桃进行保藏，结果表明聚乳酸活性抗菌薄膜能较好维持樱桃水分活度，利于其保藏保鲜。沈春华等人[40]制备含有质量分数为5%的茶树精油和尤加利精油的聚乳酸-聚羟基脂肪酸酯抗菌薄膜对蓝莓的保鲜进行研究，通过测定膜的基本性能、蓝莓烂果率、失重率等，结果表明，含有精油的抗菌薄膜保鲜效果更佳。Li W H 等人[41]将氧化锌纳米粒子与聚乳酸薄膜结合制备出复合薄膜用于鲜切苹果的保鲜研究，结果表明，该薄膜对于提高鲜切产品的保质期具有较好的作用。

以上各类研究表明，当聚乳酸薄膜运用于果类制品的贮藏保鲜时，较多的研究方法是利用各类分子技术制备聚乳酸复合膜，同时添加一定含量的精油对果类进行防腐保鲜处理。

3.2 蔬菜类

蔬菜营养丰富，是人们日常生活中必不可少的食物品类之一，而在贮藏及运输途中因为蔬菜腐败变质也造成过许多损失。目前，对于蔬菜保鲜的研究主要还是集中在通过改变蔬菜本身贮藏状态或是改变贮藏环境来达到保鲜效果[42-43]。而在蔬菜的保鲜、运输和销售过程中，选择具有抑制其生理活性、维持包装内气体条件、具有一定抗菌作用的薄膜包装材料也是行之有效的保鲜方法。

蒋金勇等人[44]以生姜精油、茶树精油为抗菌剂制备聚乳酸/聚丁二酸-己二酸丁二酯薄膜用于鲜切西兰花的保鲜以延长其货架期。Yin X 等人[45]将水杨酸及无机纳米二氧化钛2 种抗菌剂加入聚乳酸薄膜中制备可降解包装薄膜对中国油菜进行保藏，结果表明，2 种抗菌薄膜能有效降低中国油菜呼吸速度，适合于绿色蔬菜的保藏。李丹等人[46]选取上海青、油麦菜、杭白菜、菠菜及芹菜为试验对象，研究不同水降解聚乳酸保鲜袋对其保鲜效果，结果表明，水降解聚乳酸保鲜袋对各类绿叶蔬菜有较好保鲜性能。王莉梅等人[47]通过添加不同质量分数的左旋聚乳酸制备PBAT/PLLA（聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯/左旋聚乳酸） 气调薄膜对白鳞蘑菇进行保鲜，结果表明，PBAT/PLLA 30%气调包装处理可以维持白鳞蘑菇贮藏品质并延缓采后衰老过程，获得较好的鲜活贮藏品质。

3.3 畜肉类

畜肉常由于微生物污染、脂肪氧化、肌红蛋白变色等问题引起变质。目前，市面上相对成熟的保鲜技术有低温冷藏技术、热处理、防腐剂保鲜技术等[48]，对于如何将薄膜保鲜及气调保鲜技术相结合的研究也在稳步进行中。

宋树鑫等人[49]通过制备聚乳酸/聚对苯二甲酸-己二酸- 1,4 -丁二醇酯共混膜对阿拉善双峰驼肉进行自发气调保鲜，结果表明，采用该类共混膜可以有效延长肉样货架期。Yang H J 等人[50]制备柠檬草含油聚乳酸膜用于猪肉香肠的包装，可以有效减少李斯特菌（Listeria monocytogenes） 的繁殖，具有较好的抗菌活性。曾丽萍等人[51]运用溶剂浇注法，制备含柠檬精油的聚乳酸纳米抗菌复合膜，对冷却猪肉进行保鲜能有效保证冷却肉品质及延长货架期。

3.4 水产类

水产品主要包括海洋及淡水渔业生产的水产动植物产品，各类水产品现有可行的保藏方式主要有低温保存、腌制保藏、罐藏等。新鲜水产保鲜要求高、地区限制大，难以用上述方式进行保藏，因此如何延长新鲜水产品的货架期也是目前所需解决的一大问题。

Fathima P E 等人[52]制备包装用聚乳酸/壳聚糖薄膜对印度新鲜白对虾进行保藏，以延长其保质期。徐宇辰等人[53]通过静电纺丝法制备抗菌肽Piscidin 1 PG/聚乳酸纳米纤维膜，研究其性能及对腐败希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens） 生长的影响，再将其包裹海鲈鱼肉，最终结果表明膜的力学性能良好，具有一定抗菌活性，同时对海鲈鱼肉具有较好的保鲜效果。唐海兵[54]利用活性PLA/PHA（聚乳酸/聚羟基脂肪酸酯） 包装薄膜对河豚鱼片进行冷藏保鲜，结果表明，该薄膜能在保藏过程中维持鱼肉本身风味，延缓鱼肉腐败，推迟鱼肉中不愉悦滋味的产生。张龙翼[55]以食用冰乙酸代替氯仿制备的聚乳酸薄膜可有效延缓白乌鱼鱼肉的腐败变质，延长其冷藏及冻藏期。因此，聚乳酸薄膜在水产品保鲜和食品包装等方面具有较大的应用潜力。

4 结语

目前，抗菌聚乳酸薄膜由于其独特的可降解性及生物兼容性而备受关注。在食品领域的研究主要是通过各类抗菌剂对聚乳酸进行复合，制备出多样化的抗菌聚乳酸薄膜用于食品包装，但在其降解机理、作用机制等方面的研究偏少，还需要进一步探索。从工业化角度思考，可降解的抗菌聚乳酸薄膜在经济成本、原料等因素上还需逐步优化，将抗菌聚乳酸薄膜研究运用于实际生产开发也是未来的一大发展方向。