改性壳聚糖基抗菌食品包装材料的研究进展_陈景华.pdf

改性壳聚糖基抗菌食品包装材料的研究进展doi:10.3969/j.issn.1674-7100.2023.02.002收稿日期：2022-12-08作者简介：陈景华（1970-），女，黑龙江哈尔滨人，上海理工大学副教授，主要研究方向为功能性包装材料，E-mail：陈景华 林 旻 段真利仁逸夫 金家乐 李凯齐上海理工大学出版印刷与艺术设计学院上海 200093摘要：壳聚糖作为绿色天然的可降解材料，是塑料较为理想的替代品，也是食品包装行业的优选功能性材料。为体现壳聚糖的抗菌性在食品包装行业的应用价值，对壳聚糖的抗菌机理及抗菌性的影响因素进行梳理与分析。研究发现，壳聚糖的抗菌性不仅与其分子结构有关，还与其相对分子质量、脱乙酰化程度以及外界环境等有关；通过总结改善壳聚糖抗菌性的方法以及壳聚糖基包装材料在果蔬、肉制品等食品中的应用，发现改性后的壳聚糖在抗菌性增强的同时，阻隔性、机械性等也有一定的改善，并且该包装材料在果蔬、肉制品的食品包装中具有抗菌保鲜性。综述改性壳聚糖基抗菌食品包装材料的研究进展，以期为制备绿色抗菌性食品包装材料提供理论基础及研究思路，推动功能性食品包装材料的开发与应用。关键词：壳聚糖；改性；抗菌机理；食品包装材料 中图分类号：TS206.4；TB484 文献标志码：A文章编号：1674-7100(2023)02-0008-10引文格式：陈景华，林 旻，段真利，等.改性壳聚糖基抗菌食品包装材料的研究进展 J.包装学报，2023，15(2)：8-17.2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL02在食品流通、储存过程中，食品包装材料与食品间存在着或多或少的接触，食品包装材料内含的各类添加剂，随时间积累会逐渐向与其接触的食品中迁移，进而对人体健康产生影响。如聚碳酸酯材质的奶瓶在使用过程中会释放出残留的双酚 A，影响婴儿的身体发育；聚氯乙烯塑料保鲜膜等在生产过程中添加的塑化剂含有邻苯二甲酸酯类化合物，会干扰人体的内分泌，等等。因此，开发安全环保，又具有一定抗菌性的食品包装材料成为研究热点，如壳聚糖（chitosan，CTS）基包装材料。CTS 是一种从甲壳类动物（如螃蟹、虾）壳中大量提取的甲壳素经脱乙酰化获得的生物聚合物，其在自然界中资源丰度仅次于纤维素。甲壳素和 CTS两者的结构差异主要在于前者糖环结构单元的 C-2上连接 N乙酰胺基，后者则连接氨基1。CTS 分子中游离的氨基，在无机强酸作用下会与溶液中氢离子结合，使其分子内部的氢键断裂；结构中的糖苷键容易断裂形成不同聚合度的分子片段，使得 CTS 具有较好的生物降解性。此外，氨基的存在亦使得 CTS成为目前唯一大量存在的正电荷碱性生物基线性多糖，并具有抗菌、抗氧化等功能特性2。GB 299412013、SC/T 34032018 等3-4已将CTS 列为食品添加剂，并作为一种功能性物质应用于食品包装中，这使 CTS 功能性食品包装材料备受青睐5。本文论述了 CTS 的抗菌机理、改性方法以及 CTS 在抗菌食品包装中的应用，为制备绿色抗菌性食品包装材料提供理论基础及研究思路，推动食品包装向着安全化、功能化、智能化方向发展。-9-1 CTS 抗菌机理CTS 的抗菌机理主要包括以下 3 种：电荷相互作用机理、抑制蛋白质合成机理、螯合作用机理，三者抗菌机理示意图如图 1 所示。图 1a 电荷相互作用机理中，酸性条件下 CTS 的C-2 位上的氨基易质子化成NH3+，随后与带负电荷的细菌胞壁结合并附着在细胞壁外，进而破坏细胞结构，使胞内物质渗漏，致细菌死亡6。图 1b 抑制蛋白质合成机理中，酶是细菌生存的必要条件，若酶失活会引起细胞代谢受阻，影响微生物生长和繁殖。低浓度的 CTS 会穿透细胞进入细胞核与 DNA 相互作用，影响 RNA 聚合酶的转录及蛋白质合成，以此达到抑菌效果。I.Galvn Mrquez等7将融合构建体酵母细胞转移到含有半乳糖的培养基培养 8 h，当酵母细胞暴露于 0.35 mg/mL 的 CTS时，半乳糖苷酶活性降低到无 CTS 的 32%；且 CTS浓度越高，半乳糖苷酶活性越低。该实验证实 CTS会影响蛋白质的合成。图 1c 螯合作用机理中，CTS 分子的氨基和羟基可选择性吸附金属离子，与细菌表面的 ATP 酶必需的金属离子（如 Fe3+、Mg2+）螯合，以金属离子作为电子受体，通过氨基与羟基形成桥接，连接一个或多个 CTS 链并附着在细菌表面，阻碍部分营养物质的流动，致细胞死亡8。在 CTS 抗菌机理研究过程中，也要考虑其本身因素及环境因素，如相对分子质量、pH 值、脱乙酰化程度。一般情况下，当相对分子质量低于 100 000时称为低分子量 CTS，相对分子质量高于 1 000 000时称为高分子量 CTS。高分子量 CTS 无法通过细菌外膜，只能黏附于细胞表面并在其周围形成不透水层，阻挡营养物质向细胞运输9。低分子量 CTS 会渗透到菌体细胞核中，与 DNA 结合并抑制 mRNA的合成10。CTS 相对分子质量越高，分子内和分子链间的氢键越密集，溶解度越差，抗菌性越弱11。CTS 的溶解度还与溶液 pH 值有关。当溶液 pH 6时，氨基完全质子化，此时溶解度较高，抗菌性较强12。当 pH 6 时，氨基因去质子化而失去正电，溶解度会降低。此外，脱乙酰化程度与质子化氨基酸量呈正相关，进而与 CTS 抗菌性亦呈正相关。M.S.Benhabiles 等13在比较 CTS 对细菌的抑制性研究时发现，在测试的菌种中，除伤寒沙门氏菌外，相对分子质量小、脱乙酰度高的 CTS 对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、霍乱弧菌等菌体均具有较好的抑菌作用。2 改性 CTS 基抗菌食品包装材料CTS 虽有较好的抗菌性，但分子链上存在许多羟基和氨基，导致不同分子链基团之间易形成氢键，从而使 CTS 在水及一些有机溶剂中溶解度较差。细菌一般在近水环境中正常生活，与细菌生命活动有关的各种酶促反应也几乎都是在近水环境中。因此，抗菌材料需要具有一定的亲水性，在与菌体充分接触后，其能在细胞表面形成抗菌膜或直接进入细胞内部才能发挥抗菌作用14。CTS 分子中有 3 个亲核基团，分别是位于 C-2 的氨基以及位于 C-6 和 C-3 的羟基。一定条件下，通过季铵化、羧基化、烷基化、共混等改性方法，在CTS表面引入带电基团或亲水基团，不仅可实现 CTS 在疏水和亲水之间的平衡，还可改善其化学、机械和生物特性15-16。2.1 季铵化改性 CTS在 制 备 季 铵 化 壳 聚 糖（quaternary ammonium chitosan，HACC）过程中，CTS 分子中位于 C-2 位的亲核基团氨基逐渐被位阻大、水合能力强的季铵盐基团取代，导致 CTS 分子间以及分子内的氢键作用被 CTS 分子链与水分子间的作用力取代，从而提高其水溶性。此外，直接对 CTS 氨基中的 N 原子季铵化可得到永带正电的 HACC，其抗菌活性高于单一CTS。图 1 CTS 的抗菌机理Fig.1 Antibacterial mechanism of CTS b）抑制蛋白质合成 c）螯合作用 a）电荷相互作用改性壳聚糖基抗菌食品包装材料的研究进展陈景华，等02-10-N,N,N-三甲基壳聚糖（N,N,N-trimethyl chitosan chloride，TMC）是 HACC 的最简单形式，是由 CTS在强碱性条件下与碘化物反应生成，其中 TMC 的抗菌活性受 pH 值的影响很大。Xu T.等17用甲酸和甲醛对 CTS 进行预处理，制备不含 OCH3的 TMC。研究发现在 pH 值为 5.5 时，TMC 的抗菌性比 CTS的强，而在 pH 值为 3.5 时，TMC 抗菌性比 CTS 的弱。这是由于 pH 值较低时有利于氨基质子化，但会抑制N(CH3)3+CL-基团的电离。随着N(CH3)3+CL-基团的累积以及与 H 之间的斥力作用，TMC 链卷曲严重，从而导致其与细胞膜的作用减少。Min T.T.等18 通过在 CTS 的氨基上接枝 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵制备 HACC，再以 HACC 与聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）为原料制备复合涂膜，并用该薄膜包覆草莓测试其防雾性和抗菌性（见图 2）。HACC 的加入使包覆草莓的复合涂膜同时具有防雾和抗菌保鲜功能：复合涂膜的透光率接近98%；复合涂膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和灰霉病菌的杀伤率高达约 99%。对照组的草莓在存放 3 d后出现腐烂，而用该复合涂膜包覆的草莓在 5 d 后仍保留原有外观和风味，且草莓新鲜度随 HACC 含量的增加而提高。这是因为改性后 CTS 中的三甲基氯化铵亲水性较强，同时 PVA 中含大量羟基，使得涂膜吸水性增强即防雾性较好；且该涂膜含较多强电性阳离子，易与细菌表面的蛋白质和脂多糖发生静电作用，进而破坏细胞膜，使胞内物质渗漏引起细菌死亡。图 2 HACC 的制备及复合涂膜的防雾性和抗菌性测试Fig.2 Synthesis of the HACC,and antifogging and antibacterial testing of complex coating2.2 羧甲基化改性 CTS羧甲基化改性是指在 CTS 分子链上引入羧甲基基团，其改性主要发生在 CTS 分子结构 C-6 的羟基或 C-2 的氨基上，根据羧基的取代位置不同，可分为N,O-羧甲基壳聚糖（N,O-carboxymethyl chitosan，N,O-CMC）、N-羧甲基壳聚糖（N-CMC）以及 O-羧甲基壳聚糖（O-CMC）。携带NH、CH2、COOH基团的 CTS 存在额外官能团，因而具有良好的螯合能力。A.Anitha 等19就 CTS、N,O-CMC 和 O-CMC对金黄色葡萄球菌的抗菌性进行测试，发现 CTS 的抗菌性低于 N,O-CMC 和 O-CMC。M.Kurniasih 等20利用 CTS 与氯乙酸在碱性条件下反应制备 CMC 溶液，再将浸入该溶液的纱布覆盖在细菌培养基顶部，通过测量抑菌圈直径反映抗菌性。结果表明，含 CMC 培养基上的白色念珠菌明显少于无涂层的培养基；且 CMC 包覆的纱布抑菌圈直径比无涂层纱布抑菌圈直径大 0.30 cm。白色念珠菌的减少可能是由于 CMC 阳离子链与白色念珠菌表面的负电荷相互作用，造成细胞代谢紊乱、抑制其生长和繁殖，导致细胞死亡。该实验表明 CMC 的抗菌性强于单一 CTS 的。该方法同样适用于食品的纸质包装材料，将制备的 CMC 涂膜溶液涂布于纸张表面或将纸张浸入该溶液制备食品抗菌纸；也可将该溶液直接涂覆在水果上或直接将水果浸入该溶液，使其完全被包覆，以此提高水果的保鲜性和抗菌性。在 CMC 基体中加入纳米抗菌材料可进一步提高抗菌性。Zou P.F.等21利用不同浓度的 CMC 包覆抗菌肽纳米颗粒制备了静电 CTS/PVA 纳米纤维。结果表明，该材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌表现 a）HACC 的制备 b）防雾性和抗菌性测试2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL02-11-表 1 CTS 及烷基壳聚糖的粒径、Zeta 电位和抗菌数据Table 1 Particle size,zeta potential and antibacterial data of chitosan and alkyl chitosanMIC/(gmL-1)测试样品粒径/nmZeta 电位/mVCTSCTS 0.5-RedCTS 1.0-RedCH 1.5-Red481.5 11.91170.7 17.29161.0 1.98199.8 29.23+（27.6 3.66）+（43.0 0.78）+（43.4 2.52）+（41.2 4.56）1500 1000 500 500出双重抗菌活性；且当静电纺丝纤维复合膜的质量