姜黄素天然高分子智能活性包装膜研究进展

黄星海,韦建华,钟海艺

(广西中医药大学 药学院,广西 南宁,530200)

随着生活质量的提高,人们对食品安全问题越来越重视,而食品在贮存、运输和销售过程中极易腐败变质,从而造成一定的经济损失。食品保鲜可以较好地保护食品避免外部环境的污染,成为食品贮存、运输的重要部分。现如今主流的食品包装膜主要由聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)、聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)等材料制备而成[1],虽然该类型食品包装有一定的保鲜作用,但其保鲜能力有限,且废弃的食品包装难以降解,容易造成白色污染,不符合绿色环保的理念。因此,新型食品包装逐渐走入人们的视野,智能活性包装膜成为了众多科研人员研究的热点,该类食品包装膜主要由无毒、可降解、生物相容性好的天然高分子材料制备而成,如壳聚糖-聚乙烯醇抗菌膜[2]、海藻酸钠-壳聚糖-ZnO复合膜[3]等。智能活性包装膜与传统的食品包装相比,不仅能更大程度上延长食品的保鲜周期,而且可以指示食品的新鲜程度。虽然国内对智能活性包装膜的研究仍处于实验室阶段[4],但它满足了人们对食品品质、安全方面的深层次需求,为传统的食品包装行业带来了新的发展契机。近年来姜黄素(curcumin,CUR)因其良好的抗菌、抗氧化、pH响应等特性,已被广泛应用于智能活性包装膜的研究中,姜黄素智能活性包装膜不仅可视化的反馈食品包装内部环境的变化,而且能够延长食品的贮存周期。因此,本文总结了近几年关于姜黄素智能活性包装膜的研究与开发,为将来姜黄素智能活性包装的进一步研究提供参考。

1 姜黄素及其理化作用

姜黄素类成分是从姜科姜黄属(CurcumaL.)植物姜黄、莪术、郁金等提取出的酚类化合物,是最主要的活性成分且含量较高[5]。研究表明,姜黄素具有抗病原微生物、抗炎、抗氧化、抗肿瘤等多种药理作用。姜黄素对革兰氏阳性菌(G+菌)和革兰氏阴性菌(G-菌)均具有广谱抗菌活性和较强的生物活性[6],在一定浓度下,姜黄素可以使细菌细胞膜发生去极化、Ca2+流入等变化,诱导生成细菌细胞膜,影响细胞膜的结构,破坏细胞膜以起到抗菌的作用。此外,在光照条件下,姜黄素活性氧的爆发会破坏细胞的适应性机制,破坏铁的代谢,解除铁硫簇的生物合成,最终导致细胞死亡[7]。同时姜黄素通过抗菌素光动力处理(antibiotic photodynamic treatment,aPDT)后对金黄色葡萄球菌表现出较强的抗菌活性[8]。环加氧酶2(cyclooxygenase,COX-2)、脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)和诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)是介导炎症过程的重要酶,姜黄素的抗炎作用是其抑制COX-2、LOX和iNOS的能力介导的[9]。姜黄素的主要功能基团包括:β-二酮基、两个酚羟基、甲氧基等,姜黄素抗氧化活性主要受β-二酮基和酚羟基功能基团的影响[10],分子中的活性成分在抗氧化的过程中提供质子以起到抗氧化的作用。另外,姜黄素作为一种天然指示剂,其分子结构在不同的pH条件下以不同的形式存在[11],如图1所示。分子结构的变化导致姜黄素溶液的颜色可随pH的变化而变化,当pH<4时,姜黄素溶液呈红色,pH 5～6时,姜黄素溶液显淡粉色,pH>7时显黄褐色,即pH越大,姜黄素溶液的颜色就越深。

图1 姜黄素的分子结构在不同pH条件下的存在形式[11]Fig.1 The molecular structure of curcumin under different pH conditions[11]

2 智能活性包装膜

目前,市面上主流的PVC保鲜膜、PE保鲜膜、PP保鲜膜等食品包装膜,主要起到是物理阻隔的作用,保证食品尽可能免受外部环境的污染,确保食品的安全和延长食品的贮藏周期。随着技术的不断发展和生活需求的不断提高,科研人员在包装膜中添加一些活性成分,赋予包装膜智能指示、抗菌、抗氧化等功能,最常见的有智能包装和活性包装两种类型的包装[12]。

2.1 智能包装

智能包装指具有指示功能的包装,能够监测食品包装内部环境变化并给予及时的、直观的反馈,使消费者根据包装颜色变化判断食品的新鲜程度,智能包装是获知食品质量安全信息的一种新型包装技术[13]。肉类在腐败变质的过程中,由于所含的蛋白质分解和微生物的代谢作用,会产生大量的CO2、H2S、挥发性盐基总氮(total volatile basic nitrogen,TVBN)等化合物,生成的化合物会改变包装内部环境,如pH、气体浓度等,因此在成膜基材中添加合适的指示剂用于指示包装内部环境的变化,以监测肉类食品的新鲜程度。目前主流的智能包装主要为pH响应型智能包装,该类包装以检测包装内pH的变化为主,此类包装所添加的指示剂会根据检测pH范围的不同而不同,指示剂又可以分为CO2敏感型指示剂和含氮化合物敏感型指示剂[14]。

CO2敏感型指示剂主要是利用了酸碱指示剂的变色原理,因为肉类食品在腐败过程中,微生物分解产生高浓度的CO2后溶于水生成H2CO3,包装内的pH减小,含氮型化合物敏感型指示剂则是根据相同原理制备,因为肉类食品在腐败过程中蛋白质的分解会产生大量的挥发性含氮化合物,大量的含氮化合物会导致包装内pH增大,合适的酸碱指示剂可用于检测包装内pH变化的情况[15]。

2.2 活性包装

食品腐败变质主要是由真菌、细菌等微生物的繁殖以及食品氧化造成[16]。活性包装可根据食品腐败变质的原理和食品的特性,在包装基材中添加某些活性物质,不仅使食品包装具有良好的隔绝性能,而且使其具备良好的抗氧化、抗菌作用,从而延长食品的保质期,常见的活性包装主要分为抗氧化型和抗菌型。

抗氧化型活性包装膜由抗氧化剂与成膜基材混合制备而成,此类包装可以直接或间接延缓食品的氧化作用。其中,抗氧化剂可分为合成类抗氧化剂和天然类抗氧化剂,合成类抗氧化剂主要由化学试剂反应合成,虽然合成类抗氧化剂抗氧化能力强,但其存有潜在的毒性,过量使用会危害人体健康,天然类抗氧化剂主要是从植物体内提取分离出来的天然化合物,如黄酮类、酚类、维生素类等,天然类抗氧化剂不仅具有很好的抗氧化活性,而且安全性较化学合成类抗氧化剂高[17]。

抗菌型活性包装是将抗菌活性物质添加在不同成膜基材中,制备具有抗菌活性的食品包装。该活性包装可杀灭或抑制包装内食品表面的微生物,如霉菌、真菌等,以延长食品的保质期。目前,常见的抗菌剂包括金属纳米颗粒、化学抗菌剂、天然生物抗菌剂等,金属纳米颗粒类抗菌剂虽然具有强抗菌活性,但制备工艺复杂、成本高、易氧化、毒性大等缺点,限制了金属纳米颗粒类抗菌剂的应用。化学类抗菌剂具有抗菌活性强、造价便宜、工艺简单等优点,但化学类抗菌剂的稳定性较差,在加热或酸碱环境变化的情况下发生性质的变化,性质的变化不仅会影响抗菌效果,甚至会产生毒害作用,因此化学类抗菌剂的应用也受到了限制。天然生物类抗菌剂与金属纳米颗粒类抗菌剂及化学类抗菌剂相比,其同样具有强抗菌活性,但天然生物类抗菌剂的成本更低,安全性较其他两类抗菌剂高[18]。

3 姜黄素天然高分子智能活性包装膜的制备及应用

常见的天然高分子有壳聚糖、淀粉、纤维素、海藻酸盐等,这些天然高分子来源广泛、可再生,具有良好的生物相容性和生物降解性,被广泛应用在医药、生物、食品等领域,除以上特性外,天然高分子还具有良好的成膜性[19],是良好的食品包装材料。近年来,研究者们采用不同的成膜基材制备了一系列智能活性包装膜,如表1所示。姜黄素因其抗氧化、抗菌、高安全性等特性,而被广泛应用在智能活性包装膜的研究中,研究发现,姜黄素可作为一种指示剂,添加在智能包装膜中用于指示包装内pH的变化,从而判断食品的新鲜程度。添加姜黄素的活性包装膜可直接或间接延缓食品的氧化作用或抑制微生物生长,从而延长食品的贮存周期。

表1 不同基材的智能活性包装膜Table 1 Intelligent active packaging films of different substrates

3.1 壳聚糖

壳聚糖由甲壳素脱乙酰化所得,脱乙酰度为壳聚糖结构中最基本的参数之一,脱乙酰度是壳聚糖分子中脱乙酰基的葡萄糖单元数占总葡萄糖单元数的比例,壳聚糖的脱乙酰度通常在55%以上[25]。壳聚糖可从海洋甲壳动物(如,虾、蟹等)或昆虫(蝗虫、蝴蝶等)的外壳中提取[26],壳聚糖是一种普遍存在自然界中的多糖类高分子聚合物,其来源丰富,产量仅次于纤维素,壳聚糖呈白色或灰白色,一般不易溶于水,可溶于1%的乙酸或1%的盐酸中[27]。壳聚糖具有安全无毒、生物可降解、价格低、成膜性好等特点,因此壳聚糖被广泛地应用在医药、食品、化工等领域[28],是一种良好的天然高分子材料。壳聚糖还是一种天然的抗菌剂,其抗菌活性与它的脱乙酰度、浓度有关,壳聚糖的脱乙酰度和浓度越高,抗菌活性就越强[29]。壳聚糖的抗菌机理主要有两种:一是壳聚糖在酸性溶液中带正电荷,可以与细菌细胞膜上的负电荷发生静电吸附作用,从而阻碍细菌细胞膜进行物质运输和代谢,进而抑制细菌生长和繁殖;二是壳聚糖分子进入细菌细胞内部后,可与细胞内的DNA反应生成稳定的复合物,导致细胞的遗传信息传递被破坏,从而阻止细菌的繁殖,以达到抗菌的目的[30-31]。虽然壳聚糖具有较好的成膜性和抗菌作用,但成分单一的壳聚糖包装膜存在力学性能差、耐水性差、抗菌谱窄等不足[32],因此,研究人员会在壳聚糖膜中加入活性抗菌物质或与其他高分子材料混合,以扩大包装膜的抗菌谱或增强力学性能。RACHTANAPUN等[33]将姜黄素添加到壳聚糖薄膜中,使壳聚糖薄膜的力学性能得到改善,薄膜的水分含量、水溶性和水蒸气透过性均有降低,壳聚糖薄膜的抗氧化作用随着姜黄素的浓度增加而增强,因此,姜黄素作为抗氧化剂应用在食品包装中有较好的研究前景。YILDIZ等[34]以柠檬酸(citric acid,CA)为交联剂,壳聚糖(chitosan,CS)与鹰嘴豆粉(chickpea flour,CF)为基材,CUR为活性剂,采用溶剂铸造技术制备CUR-CF-CS薄膜,实验结果显示,随着CA浓度的增加,CUR-CF-CS薄膜的水蒸气透过性降低,力学性能也有所增加,但CA的浓度越大,薄膜的抗氧化活性越低,此外,添加姜黄素的薄膜的耐水蒸汽性比不添加姜黄素的薄膜高,抗菌实验中,CUR-CF-CS薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抑菌作用,该薄膜用于包装鸡胸肉贮存9 d后,包装内的微生物仍低于不可接受的阈值。LIU等[35]以明胶(gelatin,GEL)和CS为囊材,包覆CUR,制备GEL/CUR/CS微胶囊,将GEL/CUR/CS微胶囊加入羧甲基纤维素钠(carboxymethyl cellulose sodium,CMC-Na)凝胶中制备成微胶囊薄膜,微胶囊的加入显著提高了薄膜的力学性能,CMC/GEL-CUR-CS膜用于猪肉新鲜度检测,结果显示,在不同pH范围内微胶囊薄膜呈现明显的颜色变化,因此可知该薄膜有食品新鲜度指示的功能。

3.2 淀粉

淀粉主要来源于植物的种子、果实、根茎等,由植物的光合作用产生,常见的淀粉有玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉等[36],淀粉是由葡萄糖通过糖苷键连接而成的高分子聚合物。淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉组成,分子质量可达上百万。一般淀粉以颗粒状态存在,结构中存在大量的羟基,但淀粉颗粒不溶于水,主要原因是羟基之间会形成分子间和分子内氢键[37]。淀粉具有无毒、安全性高、生物可降解性、结晶性、糊化等特性,凝沉特性是淀粉成膜的原理,淀粉溶液在高温下糊化,淀粉颗粒结晶区的氢键遭到破坏,水分子进入结构内部使其形成透明均一且具有一定黏度的淀粉糊,在冷却的过程中,淀粉糊发生沉凝形成淀粉膜[38]。天然淀粉膜由于其力学性能差、耐水性差等缺点,在各领域上的应用受限,可通过物理、化学、酶等改性技术对淀粉进行改性,或与其他天然高分子材料共混改性,以扩大淀粉的应用范围[39]。BICH NGUYET等[40]在明胶-淀粉薄膜中添加姜黄素,制备成pH响应智能膜,明胶、甘油等成膜混合物的加入可对薄膜的力学性能有一定的影响,pH敏感实验发现,该薄膜在酸性或中性条件下显黄色,碱性条件下显红橙色,pH越大,薄膜的颜色越深,由此可知,该pH响应智能膜可用作智能包装材料。刘迪[41]为提高姜黄素的稳定性,以辛烯基琥珀酸变性淀粉为皮克林乳液的固体粒子包埋姜黄素,以淀粉、聚乙烯醇为基材制备智能包装膜,并通过测试包装膜的力学性能、水蒸气透过率等确定最佳的药物与基材比。作者以最佳药料比制备智能包装膜,并进行抗菌、抗氧化试验,结果显示所制备的包装膜有明显的抗菌、抗氧化活性,再以巴沙鱼作为试验对象,用制备的包装膜包覆巴沙鱼,研究发现,鱼肉在贮藏过程中由于肉中的蛋白质被分解而产生TVB-N而导致包装内的pH增大,随着pH的变化,所制备的智能包装膜的颜色也发生了明显的变化,该智能包装膜具有指示鱼肉腐败程度的作用。XIN等[42]在壳聚糖纳米粒中掺入姜黄素(curcumin chitosan nanoparticles,CCN),以玉米醇溶蛋白/马铃薯淀粉(potato starch,PS)为基材制备CCN/玉米醇溶蛋白/PS复合膜,该复合膜具有良好的机械性能、阻隔性能、抗氧化性,裂腹鱼鱼片贮存实验表明,由于CCN的抗菌和抗氧化活性,CCN/玉米醇溶蛋白/PS复合膜包装的腹裂鱼鱼片的保存周期明显延长。

3.3 纤维素

纤维素是自然界中存在最广、来源丰富的大分子多糖,主要来源是自然界中的植物通过光合作用产生,属于可再生资源[43]。纤维素由于无毒无害、高安全性、较好的机械性能、可生物降解等特性而被广泛应用。纤维素的化学结构主要由D-吡喃葡萄糖通过1,4-β-糖苷键连接形成的线性高分子化合物,其化学式为(C6H10O5)n[44]。纤维素分子结构中的每个葡萄糖均含有3个羟基,这使得纤维素分子间和分子内具有极强的氢键作用,这一作用使纤维素具有高结晶度、高稳定性的特性,但也使纤维素很难溶于普通溶剂。由于纤维素的这些特性,纤维素很难直接加工成纤维素制品,因此可通过酯化、醚化等化学方法对纤维素进行改性,使难溶的纤维素改性为易溶的纤维素衍生物,以扩大纤维素的应用范围[45]。现有研究表明,纤维素膜或纤维素衍生物膜被广泛应用在食品包装领域[46],为符合现代人们对智能活性包装膜的需求,有研究人员尝试将某些活性物质或指示剂添加到纤维素膜或纤维素衍生物膜中,使纤维素类包装膜具有抗菌、抗氧化、新鲜度指示等功能,研究取得了一定的成效。ROY等[47]以姜黄素、ZnO、羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose,CMC)为原料制备复合膜,姜黄素和ZnO的加入,提高复合膜的机械性能的同时,也显著提高了复合膜的物理阻隔性能(如紫外线阻隔、水蒸气阻隔等),CMC/Cur/ZnO复合膜不仅具有抗氧化作用,而且对食源性致病菌、大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌具有很强的抗菌活性。LI等[48]以姜黄素为指示剂,细菌纤维素纳米纤维(bacterial cellulose nanofibers,BCNs)为纳米填料掺入魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)基材后采用流延法制备智能薄膜,姜黄素的加入明显提高了薄膜的力学性能和阻隔性能。此外薄膜的抗菌、抗氧化得到显著提高,将载有3%姜黄素的智能薄膜用于包装牛肉5 d后,薄膜的颜色由黄色变为红色,发生了明显的变化,因此该薄膜在智能包装膜的开发上具有巨大的应用潜力。

3.4 明胶

明胶是一种含有18种主要氨基酸的蛋白质大分子化合物,可由动物胶原蛋白通过降解得到,其来源广泛,价格低廉。明胶的三螺旋结构主要由丙氨酸、甘氨酸、脯氨酸的重复三联体组成,明胶分子链中含有大量的羟基、氨基,这些电离性的基团使明胶具有一定的等电点,即当介质的pH值等于等电点时,明胶大分子既带正电又带负电[49]。明胶通常为无色或淡黄色固体,易溶于热水,可溶于醋酸和一些多元醇的水溶液,不溶于无水乙醇、乙醚等大部分非极性有机溶剂[50]。明胶根据提取方法的不同又可分为A型明胶和B型明胶。明胶因具有高水溶解性、成膜性、凝胶形成能力、乳化倾向等特性,被广泛应用在医药、食品、包装等领域[51]。明胶又因其良好的生物相容性和生物可降解性,被广泛用作食品包装材料。然而,单一的明胶薄膜对食品保质作用较小,而且由于明胶的高水溶解性和高黏性容易受到外部自然环境的影响,在实际应用中受到一定影响。因此,研究人员尝试在明胶基质中添加某些活性物质以增强明胶薄膜对食物的保质作用或与其他高分子材料混合,以增强薄膜的力学性能、阻隔性能等。ETXABIDE等[52]通过流延法制备含有姜黄素的明胶薄膜,随着姜黄素的添加,明胶薄膜表面呈现黄色,能够更好的阻隔紫外线的照射,从而防止食物被光氧化。在薄膜pH感知实验结果显示,添加了姜黄素的明胶薄膜具有感知和显示pH值变化的能力,该明胶薄膜具有很好的pH响应能力,可适用于智能食品包装的应用。ROY等[53]用乳化剂十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)制备明胶-姜黄素复合膜,姜黄素能够在明胶基材中均匀分布,姜黄素的添加明显改善了明胶薄膜的力学性能和阻隔性能,而且该薄膜表现出很强的抗菌活性和抗氧化活性,由此可知,该明胶-姜黄素复合膜在活性食品包装的应用中具有巨大的潜力。

3.5 海藻酸盐

海藻酸盐是一类从海洋褐藻中发现的天然高分子材料,其来源丰富,具有良好的生物可降解性和生物相容性[54]。海藻酸盐可分为海藻酸钠(sodium alginate,SA)、海藻酸钙(calcium alginate,CA)等,其中海藻酸钠是最常用的海藻酸盐,分子主链由β-D-甘露糖醛酸(M单元)和α-L-古洛糖醛酸(G单元)不规则连接而成[55],分子结构含有大量的羧基和羟基,在水溶液中,海藻酸钠中G单元中的Na+与二价阳离子发生离子交换,G单元堆积形成交联网络结构,在常温下不仅形成了三维网络结构并且形成海藻酸钠膜[56]。研究表明海藻酸钠具有良好的成膜特性,海藻酸钠膜还具有一定的力学强度,被广泛应用在医药、食品等领域[57-58]。FADDA等[59]将乙烯基月桂酸酯弹性体共聚物与姜黄素合成一种功能性涂料,他们将这种涂料涂抹在海藻酸盐膜和明胶膜表面,研究发现海藻酸盐膜和明胶膜不仅能够保持很好的韧性,而且水汽隔绝性能得到提高,涂抹该涂料的海藻酸盐膜和明胶膜均有较好的抗菌、抗氧化活性,被认为可应用在食品包装领域。

4 总结与展望

食品包装能够避免食物被外部环境影响,从而保证食品质量安全。传统的食品包装通常由塑料材料制成,虽然塑料食品包装能够防止食物与外部环境直接接触,但其功能单一,已经很难满足消费者的需求,而且塑料制品因为降解难、易造成污染等缺点而逐渐被淘汰。天然高分子材料具有生物可降解性、生物相容性、成膜性、安全性高等特点,由于其优良的特性被广泛的应用在食品包装领域,智能活性包装膜成为研究热点。姜黄素是从姜科植物中提取出来具有抗菌、抗氧化的天然化合物,在不同pH环境中,姜黄素溶液呈现出不同的颜色,根据姜黄素的这些特性,可在天然高分子薄膜中添加一定含量的姜黄素使薄膜具备抗菌、抗氧化、指示的功能。近年来,海内外关于姜黄素-天然高分子智能活性包装膜的研究取得了一定的成果,但发展仍处在实验阶段,现仍需要解决的是姜黄素在储存或生产过程中受加热、氧化、光照等影响而失效,以及制膜技术发展不成熟的问题,这在一定程度上影响了智能活性包装膜的发展,这也将为今后智能活性包装膜的研究指明了方向。