王启明1，唐瑜婉1，杨雅轩1，唐宇1，李富华1,2，赵吉春1,2，明建1,2*
1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715) 2(西南大学，食品贮藏与物流研究中心，重庆，400715)
摘 要 植物多酚作为一种天然抗菌剂，因具有良好的抗氧化和抗菌活性，在抗菌膜材料领域倍受关注。针对植物多酚-蛋白复合抗菌膜的研究现状，该文综述了蛋白抗菌膜的制备原理、性能和应用，重点阐述植物多酚对蛋白膜抗菌性、抗氧化性、机械性能、阻隔性能、微观结构等理化性质的影响，并对植物多酚-蛋白抗菌膜的发展前景进行了展望，以期为深入挖掘植物多酚-蛋白抗菌膜应用范围提供参考。
关键词 植物多酚；蛋白膜；抗菌性
第一作者：硕士研究生(明建教授为通讯作者，E-mail：mingjian 1972@163.com)。
基金项目：国家重点研发计划专项课题(2016YFD0400203)；国家自然科学基金面上项目(31471576)
收稿日期：2018-10-10，改回日期：2018-11-26
DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.019016
蛋白膜是一种可食性膜，以蛋白质为原料，通过涂布或包覆等形式覆盖在食品表面形成薄膜，起到隔油、阻气、延长食品保质期等作用[1]。具有良好的可降解性、安全性及食品添加剂(营养强化剂、抗氧化剂、抗菌剂)的优良载体等优点，成为食品包装领域的研究热点[2]。但是，蛋白膜丰富的营养会导致微生物滋生，易造成食品阻隔性能及机械强度下降。因此，增强蛋白膜的性能，防止食品腐败变质，是未来食品包装安全发展的主要方向。植物多酚作为一种天然抗氧化剂，具有良好的抗氧化及抗菌活性，可与蛋白质结合形成复合抗菌膜，在食品抗菌包装应用中有广阔的前景[3-4]。本文就植物多酚抗菌活性、蛋白抗菌膜成膜机理、性能及应用等方面进行了综述，重点阐述了植物多酚对蛋白膜抗菌性、抗氧化性、机械性能、阻隔性能、微观结构等理化性质的影响，并对植物多酚-蛋白复合抗菌膜的发展前景进行了展望，以期为深入开发植物多酚-蛋白复合抗菌膜的应用领域提供参考。
抗菌包装膜是膜基质与抗菌剂结合的活性包装形式，在包装薄膜中添加抗菌剂，达到食品抗菌、保鲜作用效果[5]。在诸多膜体系中，蛋白膜是重要的形式之一。近年来，加入抗菌剂的包装膜在改进包装食品的保存方面取得了显著进展，抗菌膜允许抗菌剂迁移到膜表面，并在食物暴露期间，在其表面产生持续的抗菌效果(如图1所示[6])。目前，蛋白复合抗菌膜在食品中的应用备受关注，成为研究热点。KASHIRI等[7]以玉米醇溶蛋白膜作为香芹素和百里香酚的载体，发现该膜可用于巴氏消毒奶的保存。
A-包装前喷涂/涂层;B-包装后喷涂/涂层; C-并入包装;D-包装中的化学固定
图1 活性物质在抗菌包装系统中的迁移[6]
Fig.1 Migration of active substance in antimicrobial packing systems
根据蛋白质的来源，可以分为大豆分离蛋白膜、小麦面筋蛋白膜、乳清蛋白膜、玉米醇溶蛋白膜等，其特点及应用见表1。
表1 蛋白膜的特点及应用
Table 1 The characteristics and applications of protein film
1.3.1 成膜机理
蛋白膜一般是以蛋白质、多糖、脂质等为原料制备而成的，比多糖膜表现出更低的O2和CO2渗透率，机械性能也优于多糖基和脂肪基膜[16]。蛋白质的二级、三级和四级结构导致了分子在不同位置的各种相互作用，包括共价与非共价相互作用，如图2所示[17]。
图2 蛋白质与食品组分间相互作用示意图[17]
Fig.2 Schematic diagram of interactions between proteins and food ingredients
蛋白质的成膜机理比较复杂。在没有多酚化合物存在的情况下，蛋白质成膜机制主要通过氢键和疏水相互作用以及S—S键来稳定[18]。多酚化合物存在时，可能包含多种途径的交联方式：(1)酚的二酚结构可被氧化成邻醌，然后与另一醌反应形成二聚体；(2)邻醌与肽的氨基侧基反应，然后用第二个氨基进一步氧化以交联相邻链；(3)邻醌可以与另一种邻醌反应形成二聚体并将2条链连接在一起[18]。
影响蛋白膜成膜因素较多，主要有酸碱性条件、温度和化学试剂等。这些因素会破坏蛋白质分子内亚基结构，打断二硫键，使蛋白质分子伸展，暴露疏水基团，形成新的二硫键，影响分子间相互作用[19]。有研究表明，蛋白质膜液在碱性(pH 10)条件下，蛋白质分子伸展，蛋白质分子间产生SH/S—S反应，增强膜的交联性；在等电点附近，蛋白质易沉降，难以成膜[20]。成膜过程中温度的影响也较大，若干燥温度过低，分子热运动慢，不利于蛋白质分子空间结构展开，难以形成稳定薄膜；温度过高，溶剂蒸发过快，蛋白质还未充分交联反应就被固定下来，膜表面粗糙不均匀且脆性高[21]。此外，化学试剂(如增塑剂)可以增加蛋白质分子自由体积，促进聚合物链流动性，影响成膜性[22]。因此，蛋白质分子的适度变性是成膜的先决条件，强化分子间的作用力，适当的处理条件可使形成的膜网状结构更为致密。
1.3.2 成膜方式
蛋白膜的成膜方式主要有2种：
(1)溶液浇铸成膜。根据蛋白质的分散性和溶解性，改变溶液pH使其远离等电点，使蛋白质构象打开，然后将溶液倾注于平板中，在环境或热风、微波等条件下干燥成膜。
(2)涂布或喷雾成膜。将果蔬浸渍在膜液中，取出后进行风干或自然晾干，即可在其表面形成一层保护膜，果蔬保鲜常用此种成膜方法。可将膜液喷雾于食品表面，干燥后即形成薄膜。
此外，还有自组装成膜、挤压成膜、静电纺丝成膜、浸出成膜等方式，这些成膜方式的优缺点及应用见表2。
表2 蛋白膜不同成膜方式比较
Table 2 The comparison of film forming methods of protein membrane
蛋白质与植物多酚可以通过非共价键和共价键相互作用，导致蛋白膜微观结构形态变化，从而影响其理化性质，改善其性能[27]，主要表现以下几个方面。
蛋白膜的抗菌性能与植物多酚的释放量密切相关，总的来说，释放越多其抗菌性能越强[4]。测定类似于香芹酚的化合物(例如百里香酚)的抗微生物活性表明，羟基和离域电子系统的存在对抗微生物活性很重要，其抗菌活性与细胞膜中磷脂的攻击有关，膜的流动性和质子及钾离子泄漏，从而破坏细胞质膜及ATP合成，最终导致细胞死亡[28]。此外，植物多酚与蛋白质的结合力也会影响抗菌性能。研究发现，当茶多酚与玉米醇溶蛋白的氢键、疏水作用等较弱时，茶多酚更容易释放，膜的抗菌性能更强[4]。蛋白膜结合植物多酚后，抑菌圈直径显著增大，对金黄色葡萄球菌抑菌效果显著，结合百里香酚的大豆蛋白膜对新鲜牛肉饼的抗菌活性增强，在实际食品保藏中具有良好效果[29]。
植物多酚在中和自由基，淬灭单线态氧和分解过氧化物等方面起着重要作用[28]。植物多酚的侧芳族官能团，增强蛋白质的静电相互作用；同时，蛋白膜在溶液中的溶胀，增加了植物多酚的扩散系数，其抗氧化性增强[30]。研究发现，在制冷和有氧条件下4 d的储存过程中，鸡肉会变质，而添加槲皮素的蛋白膜，可抑制亚铁(Fe2+)氧化成三价铁(Fe3+)，延缓脂质氧化速率[31]。
植物多酚化合物可以通过化学交联方式与多个蛋白质位点反应并导致蛋白质之间的交联，减少蛋白质聚合物的链间空间，增强蛋白膜的机械性能，特别是拉伸强度(tensile strength, TS)和断裂伸长率(elongation at break, EAB)[18]。在添加葡萄籽原花青素和绿茶多酚的蛋白膜中，观察到TS增加和EAB减少，表明植物多酚导致刚性薄膜具有较小的延展性[27]。这与FRIESEN等[18]的研究结果类似。在茶多酚处理过的明胶薄膜和添加了丁香提取物的明胶薄膜中，也报道了TS的增加，原因是多酚与蛋白质之间存在的疏水作用[32]。
此外，膜的机械性能受酚类化合物种类和浓度的影响[18]。研究发现，添加10～20 g/L没食子酸的蛋白膜的EAB增加，而没食子酸大于30 g/L时，EAB减少[33]。
蛋白膜的阻隔性能是评价膜的重要指标之一，阻隔性能的优劣有助于延缓食品氧化变质，延长食品货架寿命。研究表明，添加多酚可以增加蛋白膜的憎水片段和水分子阻力，使水蒸气透过性(WVP)减少，透气性、透油性降低，阻光性增强[8]。分散在蛋白膜中的多酚对光的散射作用使透明度下降，且多酚能插入薄膜中的脂质双层中，影响生物系统中阴离子-脂质相互作用，阻止氧化剂运动，防止产品氧化或挥发性芳香化合物损失[34-35]。在添加芦丁的大豆蛋白膜中WVP降低，可能是多酚化合物与大豆蛋白之间的相互作用导致更紧密的结构，链间空间减少，降低膜基质中水分子流动性并限制水通过膜迁移[18]。
蛋白膜微观结构的改变会直接影响其性能和应用。通过SEM显微照片观察膜的表面和横截面，用30 g/L咖啡酸处理的蛋白膜表面比对照膜平滑，且没有发现裂纹，而对照膜的裂纹明显；对于横截面，在用3%咖啡酸处理的膜中观察到更有序的基质，不存在不规则形态[36]。使用阿魏酸和缩合单宁来交联基于明胶薄膜，通过SEM分析发现，加入阿魏酸和单宁后，明胶膜失去原纤维取向，自由体积明显减少，观察到明胶链沿变形方向的排列增加，层的厚度以及层间空间减小，交联的复合膜通过酰胺键和酯键形成网状结构，可以推测其具有疏水键，氢键或酯化作用[37]。
植物多酚的添加对蛋白膜的厚度、色泽等也会产生影响。通常，植物多酚的添加会使膜的厚度有所增加，均与ASTM提供的薄膜定义中的推荐厚度(<0.25 mm)一致[38]。对于蛋白膜的色泽，研究发现，当多酚释放时，赋予食品颜色，可能会影响薄膜亮度和食品的感官特性[39]。因此，植物多酚的选择决定膜的性质。
目前，植物多酚-蛋白抗菌膜的应用越来越广泛。由于含植物多酚的蛋白抗菌膜可以有效阻隔食品与微生物接触，同时可以调节食品包装内微环境，延长食品的保质期，主要应用于果蔬保鲜与加工[40]。此外，蛋白膜还可以为其他组分提供受控递送[41]。
植物多酚能抑制细菌活性，减少果蔬贮藏过程中的失水、软化等[34]。将成膜溶液涂抹或喷雾在果蔬上，能降低WVP，抑制呼吸作用，缓解水分流失，对黄瓜营养物质的保持时间延长至12 d，还能抑制圣女果淀粉降解和果胶质转化，减缓软化速度，在维持果蔬食用品质等方面具有发展前景[8-9]。
在加工过程中，食品易被微生物污染[40]。对于肉制品，向蛋白膜中加入槲皮素、茶多酚、百里香酚等，可提高鸡肉片、冷却猪肉的抗氧化和抗菌能力，鲜牛肉浸渍在成膜溶液中1 min，0～4 ℃下贮存35 d，仍有效地保持感官品质[42-44]；对于海鲜产品，G
MEZ-ESTACA等[45]将添加了丁香和百里香的蛋白膜应用在鱼货保存上，发现乳酸菌的生长维持稳定状态，表明复合膜在海鲜产品的保存上具备可行性；对于油炸食品，预先在表面涂抹适当成膜材料，能有效降低食品的吸油率[46]；对于含油原料(如巧克力花生酱)，油脂发生迁移导致外层的巧克力变软发黏和“反霜”，而多酚-蛋白膜分子间存在大量二硫键，键合作用较强，且分子间空穴很小，具有优良的隔氧和阻油性，可防止挥发性成分的扩散[47]。因此，复合膜在食品加工上具有潜在的应用价值。
目前，蛋白膜作为多种药物控制递送的载体已被用于制药行业[41]。研究表明，将姜黄素和甾醇并入高粱醇溶蛋白纳米颗粒膜中，可以提高口服型药剂的稳定性[42, 48-49]，氢键、静电吸引和疏水相互作用被认为是颗粒制剂和姜黄素包封的主要驱动力[23]。百里香酚添加到明胶膜中，用于伤口敷料，利用其抗氧化及抗菌性，加速伤口愈合[28]。植物多酚-蛋白抗菌膜在药物传递中具有较大负载面积、易制备、较好的组织黏性等优点，但也存在载药量和载药效率较低及药物爆发性释放等问题[41]。因此，植物多酚-蛋白抗菌膜在药物载体系统中的应用有待深入研究。
含植物多酚的蛋白抗菌膜是非常有前途的一种新型包装形式，由于其在延长食品货架期上的显著效能，有必要将其应用范围拓宽到食品包装的各个领域。但目前，蛋白膜的应用还受到诸多条件的限制，某些植物多酚具有强烈的气味和鲜艳的颜色，添加到蛋白膜中用来包装食品时，气味和颜色会扩散到食品中，影响食品品质。同时，蛋白膜作为载体时，植物多酚的稳定性、缓释速度等与抑菌效果密不可分，其变化规律和变化机理尚不完全清楚。因此，复合膜分子间的相互作用等问题有待进一步探讨。
随着微胶囊技术、纳米技术的逐渐成熟，将植物多酚以微胶囊的形式加入到蛋白膜中，为控制抗菌效果的研究提供了一种新思路。由于植物多酚-蛋白抗菌膜在食品和医药工业生产中具有很高的应用价值，人们必将对蛋白膜中多酚释放的动态变化规律、抑菌机理等的研究会越来越深入。因此，微胶囊技术、纳米技术在植物多酚缓释控制上的应用将是多酚-蛋白抗菌膜未来研究的重点。
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WANG Qiming1, TANG Yuwan1, YANG Yaxuan1, TANG Yu1, LI Fuhua1,2, ZHAO Jichun1,2, MING Jian1,2*
1(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China) 2(Research Center of Food Storage & Logistics, Southwest University, Chongqing 400715, China)
ABSTRACT As a natural antibacterial agent, plant polyphenols have attracted many attentions in the field of antibacterial film materials for its good antioxidant and antibacterial activity. Based on current researches on plant polyphenol-protein composite antimicrobial films, this article summarized the preparation principle, properties, and applications of antimicrobical protein films. The focus was to elucidate the effects of plant polyphenols on antibacterial activity, antioxidant activity, mechanical properties, barrier properties, and microstructure etc. of protein films. Furthermore, the prospects for developing plant polyphenol-protein antibacterial films were prospected to provide references for further investigation of applying plant polyphenol-protein antimicrobial films.
Key words plant polyphenols; protein film; antibacterial activity