納米纖維素基抗菌復(fù)合材料及其在食品包裝中的研究進(jìn)展

康曉鷗，易蘭花,2，鄧麗莉,2，曾凱芳,2，阮長(zhǎng)晴,2,*

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.西南大學(xué)食品貯藏與物流研究中心，重慶 400715）

目前，各領(lǐng)域使用的塑料幾乎均由化石資源生產(chǎn)，使用后的塑料產(chǎn)品在處理和回收方面均面臨著巨大困難，塑料包裝的廣泛使用造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，而可生物降解的包裝材料能部分代替不易處理的化石資源衍生塑料；因此這種前瞻性解決方案的提出受到廣泛關(guān)注[1]，綠色環(huán)保的新型功能包裝材料成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[2]。

纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，是自然界中最豐富的生物聚合物之一，主要存在于樹木、棉花、大麻等植物中。天然纖維素具有成本低、無毒無害、可降解、改性后相容性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制備復(fù)合材料。纖維素可通過化學(xué)、機(jī)械、酶解等不同方法制備得到直徑為1～100 nm、結(jié)晶度高、長(zhǎng)徑比大且羥基含量豐富的納米纖維素（nanocellulose，NC）[3]。相比于天然纖維素，NC具有較高的強(qiáng)度、彈性模量、結(jié)晶度以及納米材料特有的性質(zhì)[4]，再加上NC具有可降解、生物相容及可再生等特性，在食品、醫(yī)藥、功能材料等領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿?。用NC制備高強(qiáng)度且具有功能性的納米復(fù)合材料已成為纖維素領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[5]，但目前NC在食品包裝材料中應(yīng)用的研究較少[6]。

近些年，抗菌材料的發(fā)展備受關(guān)注，其在醫(yī)療衛(wèi)生、生活用品、食品包裝材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。抗菌材料是一類具有抗菌功能的新型材料，主要通過物理或化學(xué)方法殺滅、抑制微生物生長(zhǎng)繁殖從而達(dá)到殺菌、抑菌以及防霉、防腐的作用[7]。而影響食品安全和品質(zhì)的主要因素是食源性致病微生物[8]。如何抑制微生物生長(zhǎng)繁殖已成為食品保藏研究的重點(diǎn)，其中具有抗菌性的食品包裝材料的研究發(fā)展迅速?？咕b主要通過釋放抗菌劑的方式發(fā)揮防腐保鮮的功效從而達(dá)到提高食品品質(zhì)、延長(zhǎng)貨架期的目的[9]，食品包裝中抗菌劑的添加是食品保鮮技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。Yildirim等[10]在2018年概述了應(yīng)用于食品的活性包裝技術(shù)，其中較為詳盡地介紹了研究較多的抗菌劑，并展望了抗菌劑在食品包裝領(lǐng)域面對(duì)的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展方向。Vilarinho等[11]綜述了NC基復(fù)合材料在食品包裝材料中的潛在應(yīng)用，并重點(diǎn)介紹了幾種可作為NC填料的生物聚合物。Khan等[12]重點(diǎn)介紹了NC基復(fù)合材料的潛在用途，通過列舉文獻(xiàn)具體說明NC中添加生物活性聚合物或生物活性劑可顯著提高食品在貯藏過程中的質(zhì)量和安全性。但目前對(duì)于NC基抗菌復(fù)合材料在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有較為系統(tǒng)的介紹。

NC基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的機(jī)械和阻隔性能以及能夠作為生物活性物質(zhì)載體的作用，在食品包裝工業(yè)中具有巨大的潛力。NC雖有很多優(yōu)良特性，但幾乎無抗菌性，在食品包裝中的應(yīng)用較少，開發(fā)具有抗菌性的NC基復(fù)合材料可將其應(yīng)用于新鮮果蔬、鮮肉等食品的包裝領(lǐng)域[13]。在NC基抗菌復(fù)合材料的研究中，既要關(guān)注其包裝功能，也要關(guān)注使用時(shí)的安全性、使用后的環(huán)保性以及生產(chǎn)的可持續(xù)性。本文通過綜述近幾年與NC基抗菌復(fù)合材料的制備和應(yīng)用相關(guān)的文獻(xiàn)，概述了NC基抗菌復(fù)合材料近幾年的研究進(jìn)展，以及該復(fù)合材料在食品包裝領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。

1 納米纖維素概況

1.1 纖維素

纖維素是自然界分布最為廣泛、含量最高的天然聚合物之一，它具有成本低、可再生、可生物降解、生物相容以及無毒無污染、化學(xué)特性穩(wěn)定、力學(xué)性能較好等優(yōu)點(diǎn)，是未來世界能源和化工的主要原料之一，也是工業(yè)上可持續(xù)發(fā)展的主要原料[14]。纖維素的化學(xué)式為(C6H10O5)n，其分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示，它是由D-吡喃式葡萄糖重復(fù)單元通過β-(1,4)-D-糖苷鍵連接而成的線性高分子，每個(gè)葡萄糖單元上包含3 個(gè)羥基，這些羥基是形成纖維素分子內(nèi)與分子間氫鍵的必要條件，強(qiáng)大的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得纖維素成為一種相當(dāng)穩(wěn)定的聚合物[15]。在生物界中，纖維素大約占到碳元素含量的一半以上，纖維素的來源可以分為植物來源與非植物來源?？梢詮闹参镌现刑崛》蛛x得到纖維素，而且植物中的纖維素含量約為33%，植物每年可生產(chǎn)約750億 t纖維素[16]，其中棉花中纖維素含量最高。除植物細(xì)胞壁含有大量纖維素之外，一些細(xì)菌和真菌中也含有少量的纖維素，而且一些海洋生物的生物膜中也發(fā)現(xiàn)纖維素的存在[17]。有研究表明，細(xì)菌纖維素與植物纖維素有相同的結(jié)構(gòu)，但卻具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如具有相對(duì)較高的比表面積和孔隙率、較高的純度和結(jié)晶度、較高的持水能力和聚合度以及優(yōu)異的機(jī)械性能[18]。

圖1 纖維素的分子結(jié)構(gòu)[19]Fig. 1 Molecular structure of cellulose[19]

1.2 納米纖維素

在自然界中，天然纖維素是來源最廣的生物高分子材料。對(duì)纖維素進(jìn)行深入再加工得到的NC是一種環(huán)境友好型納米材料，在強(qiáng)度、結(jié)晶度、比表面積、抗張強(qiáng)度等方面比纖維素性能更加優(yōu)越。NC是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問題，有著廣闊的應(yīng)用前景[20]。下面主要介紹NC的分類并概述其特性及應(yīng)用。

1.2.1 納米纖維素的分類

纖維素是由無定形區(qū)域和結(jié)晶區(qū)域構(gòu)成的線性高分子物質(zhì)，作為來源廣泛的天然可再生資源，其可替代不可再生的石油基資源，為綠色環(huán)保產(chǎn)品的開發(fā)提供豐富資源，但纖維素?zé)o定形區(qū)的存在使其在應(yīng)用中具有局限性，如強(qiáng)度有限以及不耐腐蝕[21]。將其制備成性能更優(yōu)良的NC，可在復(fù)合材料領(lǐng)域獲得更為廣泛的應(yīng)用。

NC主要以木質(zhì)纖維為原料，采用物理、化學(xué)或生物方法制備得到的粒徑小于100 nm的超微細(xì)纖維。Klemm等[22]已在其綜述中對(duì)NC的制備進(jìn)行了較為詳盡的介紹，本文不再贅述。NC是由纖維素晶胞組成的纖維狀聚集體，其無毒、可再生、易降解，并具有高強(qiáng)度、高結(jié)晶度、高親水性、高楊氏模量等納米顆粒的特點(diǎn)，以及優(yōu)異的力學(xué)性能、出色的生物活性等特性。雖然不同NC制備方法各有優(yōu)勢(shì)，但NC的分離純化工藝技術(shù)尚不成熟，仍存在許多局限，現(xiàn)今多采用多種方法結(jié)合的方式來制備NC[23]。在過去的十幾年里，國(guó)內(nèi)外針對(duì)NC的制備、表征、表面修飾及其復(fù)合材料開展了較多的研究工作。目前NC的制備方法逐漸向綠色、可持續(xù)、高效的方向發(fā)展[24]。根據(jù)NC尺寸、合成方法、功能以及來源等的不同，可以將其分為以下4 類：纖維素納米晶體（cellulose nanocrystal，CNC）、纖維素納米纖絲（cellulose nanofibrils，CNF）、細(xì)菌納米纖維素（bacterial nanocellulose，BNC）和靜電紡絲纖維素納米纖絲（electrospinning cellulose nanofibers，ESC），如表1所示。

表1 納米纖維素的分類Table 1 Classification of nanocelluloses

CNC的結(jié)晶度很高，可達(dá)到90%，比表面積大，約為250～500 m2/g，機(jī)械強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度為7 500 MPa，楊氏模量為100～140 GPa[25]。CNC大多數(shù)通過嚴(yán)格控制溫度以及攪拌時(shí)間并采用強(qiáng)酸水解制備，不同的原料和工藝條件可制備出不同直徑和長(zhǎng)度的CNC。通常纖維素的硫酸水解產(chǎn)生具有針狀晶體的CNC，其直徑在10～20 nm，長(zhǎng)度約為100 nm[26]。CNF具有更寬的尺寸范圍和更大的長(zhǎng)徑比，其直徑通常在5～60 nm，長(zhǎng)度為幾微米，具有極強(qiáng)的成氫鍵能力，經(jīng)干燥后均能形成透明的薄膜。其合成方法主要是研磨、高壓均質(zhì)化、高壓微流化和高強(qiáng)度超聲波處理等機(jī)械處理[27]。BNC是由微生物合成的具有高結(jié)晶度、高聚合度的纖維素，直徑20～100 nm，長(zhǎng)度不定，具有高抗拉伸強(qiáng)度和良好形狀維持能力。制備BNC常用的細(xì)菌有醋酸菌、土壤桿菌、根瘤菌和八疊球菌等[28]。ESC的常用原料是醋酸纖維素[29]，通過靜電紡絲制備，通常以薄膜的形式存在，采用靜電紡絲法制備NC操作簡(jiǎn)單，所制備NC直徑很小[30]，且性能不會(huì)受水解影響[31]。

1.2.2 納米纖維素的特性

NC作為一種新型納米材料在幾何尺寸、結(jié)晶度、形態(tài)、流變性能等方面具有與傳統(tǒng)材料不同的特性，且與一般無機(jī)材料相比，具有質(zhì)輕、可降解、可再生等特性；與其他功能材料相比，具有高強(qiáng)度、比表面積大、易化學(xué)改性等特性。高度結(jié)晶的NC缺乏鏈?zhǔn)秸郫B，具有接近完美晶體的優(yōu)異物理性能。據(jù)報(bào)道，NC的拉伸模量和強(qiáng)度分別高達(dá)140～150 GPa和7 GPa[32]。NC分子鏈上的大量羥基形成的氫鍵決定了其物理性能，使其在包裝材料中起重要的作用。透明度是食品包裝材料的重要評(píng)判指標(biāo)之一，它顯示了聚合物基質(zhì)與其他物質(zhì)混合的能力，NC由于自身的特性，對(duì)透明度的影響較小[33]。此外，NC具有廣泛的生物相容性，而且由于人體內(nèi)缺乏纖維素降解酶而不易降解。納米毒理學(xué)研究報(bào)告指出，NC幾乎沒有毒性[34-35]。NC的優(yōu)異性能使其在食品、醫(yī)藥以及新材料制備等方面具有很好的應(yīng)用前景，通過將NC與其他物質(zhì)復(fù)合，使制得的納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、可再生性、良好的生物降解性能以及無毒性的潛力，已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[36]。用NC增強(qiáng)天然或合成的生物可降解材料，制備性能優(yōu)良的可食性膜、可降解膜及水溶性膜也將成為未來食品科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一[37]。

2 基于納米纖維素的抗菌復(fù)合材料

抗菌劑在醫(yī)藥衛(wèi)生、食品包裝、水處理等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。NC因其優(yōu)異的特性可以作為基體相，與抗菌添加劑復(fù)合得到NC基抗菌復(fù)合材料。通常，抗菌物質(zhì)主要由無機(jī)抗菌劑、有機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑組成。不同種類的抗菌劑抗菌機(jī)理不同。不同類型的抗菌劑由于自身物化性能的差異，其與NC的復(fù)合機(jī)理也各有不同，這導(dǎo)致其復(fù)合效果存在一定的差異。無機(jī)抗菌劑的優(yōu)點(diǎn)是耐熱性好、抗菌譜廣且不易產(chǎn)生耐藥性，更容易承受嚴(yán)苛的加工條件。而合成有機(jī)抗菌劑具有見效快、殺菌作用強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其耐熱性差且易產(chǎn)生耐藥性。天然抗菌劑雖然安全無毒，但抗菌作用有限，耐熱性較差，殺菌率低，不能廣譜長(zhǎng)效使用。本文主要從抗菌聚合物、金屬納米粒子、金屬鹽納米粒子、精油和植物提取物、細(xì)菌素等介紹抗菌劑與NC復(fù)合得到具有抗菌性能的復(fù)合材料。

2.1 抗菌聚合物

抗菌聚合物與NC結(jié)合形成NC基抗菌復(fù)合材料，其中的抗菌聚合物按照其來源不同，可分為天然抗菌聚合物和合成抗菌聚合物。

2.1.1 天然抗菌聚合物

殼聚糖（chitosan，CS）是繼纖維素之后，在自然界中發(fā)現(xiàn)的含量第二豐富的多糖。CS是由幾丁質(zhì)脫乙?；瞥傻?，由葡糖胺、N-乙酰葡糖胺通過β-(1,4)-糖苷鍵重復(fù)連接組成的一種線性多糖。研究發(fā)現(xiàn)，CS具有良好的生物相容性、廣譜抗菌性、優(yōu)良成膜性且安全無毒、可生物降解，與NC具有較好的相容性[38]。已有研究證明，NC/CS復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗菌性能。Chi Kai等[39]用CNC作為增強(qiáng)劑制備的CNC/CS/羧甲基纖維素（carboxymethyl cellulose，CMC）三元多糖聚電解質(zhì)復(fù)合材料（polysaccharide polyelectrolyte complex，PPC）表現(xiàn)出均勻、致密的形態(tài)特征和較強(qiáng)的機(jī)械性能和阻隔性能，這主要因?yàn)镃NC在CS/CMC基質(zhì)中的均勻分布和良好的界面相容性。CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PPC膜拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別為60.6 MPa和4.7 GPa，并且水蒸氣透過率為7 982 （g·μm）/（m2·d）。此外，CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%的PPC對(duì)液體具有良好的阻擋性能。這些結(jié)果證明了PPC作為環(huán)保的生物基阻隔薄膜或包裝涂層的潛力。Bansal等[40]從甘蔗渣中提取出CNF，對(duì)CNF進(jìn)行高碘酸鹽氧化，獲得二醛基納米纖維素（nanocellulose dialdehyde，CDA）。CDA的醛基與CS的氨基反應(yīng)形成席夫堿，所得到的CDA/CS復(fù)合膜對(duì)Staphylococcus aureus和Escherichia coli顯示出優(yōu)異的抗菌性能，這種抗菌膜在抗菌包裝材料的發(fā)展中應(yīng)用潛力巨大。Ardila等[41]制備的BNC/CS復(fù)合敷料具有較強(qiáng)的抗菌性能，可使E. coli菌落減少99%以上。Soni等[42]通過摻入不同比例的CS、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基氧化改性的納米纖維素（TEMPO oxidation modified nanocellulose，TOCN）和山梨糖醇來制備CS/TOCN生物復(fù)合膜并檢測(cè)該膜的抗菌性和抗氧化性?？咕Y(jié)果顯示，隨著CS濃度的增加，膜表面的Salmonella enterica、E. coli O157:H7以及Listeria monocytogenes的生長(zhǎng)量顯著減少。另外，具有高濃度CS膜的抗氧化活性顯著增加，這種生物復(fù)合膜在食品包裝領(lǐng)域具有巨大潛力。

海藻酸鹽是一種重要的海洋生物資源，是從褐藻和細(xì)菌中獲得的天然聚合物，具有優(yōu)異的理化性質(zhì)、溫和的凝膠條件以及較強(qiáng)的生物降解性、生物相容性、可修飾性等性能，且其儲(chǔ)量豐富、可再生、成本低，已被廣泛研究。研究人員報(bào)道藻酸鋅薄膜對(duì)Klebsiella pneumonia和S. aureus具有顯著的抗菌活性[43]。同樣，Seo等[44]制備出一種藻酸鋅鈣復(fù)合膜，抗菌結(jié)果表明，這種復(fù)合膜對(duì)S. aureus和E. coli具有優(yōu)異的抗菌性能。劉長(zhǎng)瑜[45]采用TEMPO氧化體系對(duì)NC進(jìn)行選擇性氧化，得到TOCN，然后與海藻酸鈉（sodium alginate，SA）復(fù)合，通過兩種方法制備得到TOCN/SA復(fù)合膜及復(fù)合海綿，并對(duì)其進(jìn)行了理化表征及生物學(xué)性能評(píng)價(jià)。其中，均質(zhì)透明的TOCN/SA復(fù)合膜平均厚度在40 μm左右，具有較好的吸水性；形狀規(guī)則的TOCN/SA復(fù)合海綿，具有較高的孔隙率及吸水率。生物安全性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明TOCN/SA復(fù)合膜和復(fù)合海綿的指標(biāo)均符合ISO10993的要求。抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨TOCN含量的增加，TOCN/SA復(fù)合材料對(duì)S. aureus和E. coli的抑菌性能增強(qiáng)。進(jìn)一步的降解性能分析結(jié)果表明，TOCN/SA復(fù)合膜及復(fù)合海綿植入生物體內(nèi)14 d即可完全降解，且不會(huì)引起任何病理反應(yīng)。另外，由于CNF和生物提取物的協(xié)同作用，SA復(fù)合生物海綿的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性得到顯著的改善，且該復(fù)合膜對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌分別具有高達(dá)98%和90%的生長(zhǎng)抑制率[46]。CS和藻酸鹽已被廣泛地單獨(dú)或以混合物的形式用作抗菌劑。藻酸鹽常用作抗菌系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而一定比例的CS可增強(qiáng)其理化性質(zhì)和抗菌性能[47]。Lan Wenting等[48]制備的羧甲基纖維素鈉（sodium carboxymethyl cellulose，SCMC）/SA/CS復(fù)合膜具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、水蒸氣透過率和斷裂伸長(zhǎng)率，且抗菌實(shí)驗(yàn)表明該復(fù)合膜對(duì)S. aureus和E. coli的抑制率高達(dá)95.7%和93.4%，該復(fù)合膜有望應(yīng)用于抗菌食品包裝。聚賴氨酸（polylysine，PL）是一種天然的生物代謝產(chǎn)品，具有易降解、安全性高、抑菌范圍廣的特性，可作為食品添加劑使用，是一種擁有巨大商業(yè)潛力的生防劑。PL在日本作為易腐食品的天然防腐劑已有悠久的歷史，其被用于米飯、面條、壽司等中[49]。Li Yingqiu等[50]探究了ε-PL對(duì)S. aureus和E. coli的抑菌特性和抑菌機(jī)理。結(jié)果表明，ε-PL對(duì)S. aureus和E. coli的最小抑制濃度為12.5 μg/mL。掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果顯示ε-PL破壞了細(xì)胞形態(tài)；細(xì)胞懸浮液電導(dǎo)率的增加表明細(xì)胞質(zhì)膜被ε-PL破壞，導(dǎo)致細(xì)胞中的離子泄漏；細(xì)菌蛋白質(zhì)的十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳結(jié)果證明，ε-PL可通過破壞細(xì)胞蛋白質(zhì)破壞細(xì)菌細(xì)胞。這些結(jié)果表明，ε-PL具有作為天然食品防腐劑的良好潛力。Su Ruihua等[51]研究了ε-PL對(duì)魚糜產(chǎn)品中腐敗菌的影響，結(jié)果表明，高度聚合的ε-PL能夠降低魚糜制品中的總菌落數(shù)，并對(duì)Bacillus cereus具有明顯的抗菌作用。ε-PL的抗菌作用機(jī)理表現(xiàn)為破壞細(xì)胞膜，改變B. cereus的通透性，隨后細(xì)胞內(nèi)容物泄漏而達(dá)到抗菌作用。Zhu Huixia等[52]用ε-PL和細(xì)菌纖維素（bacterial cellulose，BC）制成的新型抑菌腸衣對(duì)E. coli和S. aureus有抑菌或殺菌效果。Tang Weihua等[53]同樣證明了ε-PL/BC膜作為抗微生物包裝膜的潛在適用性。

2.1.2 合成抗菌聚合物

除了天然聚合物，合成聚合物也可與NC復(fù)合制備成抗菌材料，如聚-3-羥基丁酸酯（poly-3-hydroxybutyrate，PHB）、聚六甲基雙胍（polyhexamethylene biguanide，PHMB）和聚吡咯（polypyrrole，PPy）等。聚合物的黏附會(huì)破壞細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

PHB是一種可生物降解的熱塑性脂肪族聚酯，Ma Linlin等[54]首次報(bào)道了低聚合度的PHB具有有效的抗菌性，并揭示了PHB寡聚體的抗菌機(jī)制包括生物膜和細(xì)菌膜的破壞、細(xì)胞內(nèi)含物的泄漏、蛋白質(zhì)活性的抑制和跨膜電位的變化。范曉燕等[55]也證實(shí)了氯化后的PHB/鹵胺化合物5,5-二甲基-3-(3’-三乙氧基硅丙基)-海因聚合物復(fù)合薄膜具有良好的抗菌效果，在5 min內(nèi)即可將S. aureus和E. coli全部殺滅，該抗菌復(fù)合薄膜在食品包裝、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域擁有巨大應(yīng)用潛力。Panaitescu等[56]提出了一種等離子體處理的PHB/BC納米復(fù)合材料作為食品包裝工業(yè)的綠色解決方案，結(jié)果表明等離子體處理對(duì)S. aureus和E. coli的生長(zhǎng)抑制率分別為44%和63%。另外也有研究表明PHB/BC復(fù)合物比單獨(dú)的PHB具有更高的生物降解速率，30 d即可達(dá)到80%的降解，而PHB在堆肥50 d還沒有達(dá)到該降解水平[57]。Seoane等[58]使用溶劑澆鑄法制備了CNC/PHB和BC/PHB復(fù)合材料，CNC改善了PHB薄膜的透明度、機(jī)械性能和阻隔性能。另一方面，與CNC相比，由于BC較低的降解溫度和較高的納米纖維長(zhǎng)度，導(dǎo)致添加BC會(huì)使熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能降低。研究結(jié)果顯示CNC/PHB膜表現(xiàn)出優(yōu)良的性能且沒有影響PHB的性質(zhì)。

此外，研究人員研發(fā)的一種由PHMB和絲膠蛋白組成的新型BNC傷口敷料具有較高的膠原形成度，可減少創(chuàng)傷面積，由于PHMB的抗菌性和絲膠蛋白的創(chuàng)面愈合性，可有效防止感染[59]。Wiegand等[60]用PHMB作為抗菌劑將BNC功能化，通過生物學(xué)測(cè)定證明了負(fù)載PHMB的BNC對(duì)S. aureus具有抑菌性，而且復(fù)合材料的壓縮和拉伸強(qiáng)度并沒有改變。de Mattos等[61]制備的BNC/PHMB傷口敷料，當(dāng)PHMB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%時(shí)即可抑制所有細(xì)菌生長(zhǎng)，這種新型傷口敷料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

Bideau等[62]研究發(fā)現(xiàn)TOCN和PPy顆粒能夠形成致密網(wǎng)絡(luò)，將其涂布紙板后機(jī)械性能和透氣性得到顯著改善。同樣，他們開發(fā)的基于TOCN、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）和PPy的復(fù)合薄膜復(fù)合材料具有與TOCN幾乎相同的楊氏模量（3.4 GPa）、伸長(zhǎng)率（2.6%）和拉伸應(yīng)力（約51 MPa），因此PPy的摻入不會(huì)影響機(jī)械性能。而且還發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料對(duì)食物中B. subtilia和E. coli均具有抑制效果。

2.2 無機(jī)納米粒子

廣泛用于NC基抗菌復(fù)合材料的無機(jī)納米粒子包括金屬納米粒子、金屬氧化物納米粒子等。研究表明，含有無機(jī)納米粒子的NC基材料的最低抑菌濃度遠(yuǎn)低于單一金屬或金屬氧化物納米顆粒。

2.2.1 金屬納米粒子

在眾多的納米復(fù)合材料中，抗菌金屬聚合物納米復(fù)合材料不僅擁有卓越的抗菌特性，而且它在公共衛(wèi)生護(hù)理和生物醫(yī)藥領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用價(jià)值。目前，有研究人員開發(fā)了一種基于殼聚糖-二醛基纖維素納米晶體-銀納米顆粒（CS-DCNC-AgNPs）的新型傷口敷料。通過將[Ag(NH3)2]+復(fù)合物還原為AgNPs來實(shí)現(xiàn)AgNPs在DCNC中的結(jié)合，其中AgNPs用來增強(qiáng)CS的抗菌作用，DCNC用來改善CS的機(jī)械強(qiáng)度和疏水性。研究結(jié)果表明，CS-DCNC-AgNPs具有良好的機(jī)械性能和疏水性、高抗菌活性和較低的細(xì)胞毒性，是一種有前景且安全的抗菌藥物，可以加入傷口敷料中[63]。Shin等[64]用負(fù)載AgNPs的CNF和藻酸鹽制備成的抗菌水凝膠與載有銀離子的藻酸鹽凝膠的抗菌活性相當(dāng)，但前者對(duì)動(dòng)物的細(xì)胞毒性更低。Berndt等[65]制備出一種由BNC和AgNPs組成的多孔雜化物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)到BNC/AgNPs雜交體對(duì)E. coli具有較強(qiáng)的抗菌性。此外，瓊脂擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)也證明，這種混合物可以作為新型抗菌傷口敷料，它的活性僅限于改良的敷料本身，避免了AgNPs釋放到傷口中。Zhang Xuewei等[66]以NC作為還原劑和穩(wěn)定劑，在NC水溶液中合成AgNPs，并評(píng)價(jià)了AgNPs/NC復(fù)合物的抗菌活性。結(jié)果表明，AgNPs/NC復(fù)合物對(duì)細(xì)菌和真菌均具有很高的殺菌效果。AuNPs生物相容性、光電特性、抗氧化作用優(yōu)異且密度好，使其具有廣闊的應(yīng)用前景。在Luo Jiwen等[67]的研究中，季銨化羧甲基殼聚糖（quaternized carboxymethyl chitosan，QCMC）作為還原劑和偶聯(lián)劑，不僅用于合成AuNPs，還將AuNPs與石墨烯連接起來，制備出的基于AuNPs共軛氧化石墨烯的功能化紙張通過近紅外激光觸發(fā)細(xì)菌的光熱消融，對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌（B. subtilia和S. aureus）和革蘭氏陰性菌（E. coli和Pseudomonas aeruginosa）具有較強(qiáng)的抗菌活性。制備出的這種紙張具有很大的應(yīng)用潛力，可用于有效防止病原菌的感染。

2.2.2 金屬氧化物納米粒子

由于BNC具有超精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及較高的持水率，張秀菊等[68]通過鈦酸異丙酯水解在BNC上原位負(fù)載TiO2顆粒，并探究了該材料的微觀結(jié)構(gòu)以及抗菌性能，抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TiO2/BNC納米復(fù)合材料具有很強(qiáng)的抗菌性能，對(duì)S. aureus和E. coli的抑菌圈直徑分別達(dá)到15 mm和10 mm。細(xì)胞相容性實(shí)驗(yàn)證明該復(fù)合材料不僅對(duì)3T3細(xì)胞無毒性，且具有良好的細(xì)胞相容性，3T3細(xì)胞能夠在復(fù)合材料表面上正常生長(zhǎng)、遷移鋪展。NC內(nèi)含有大量羥基可以實(shí)現(xiàn)TiO2納米粒子與NC以化學(xué)鍵鍵合方式結(jié)合，采用這種方式制備的復(fù)合材料不僅結(jié)合牢固，而且TiO2納米粒子分布均勻，分散性好。另外，El-Wakil等[69]研發(fā)了一種基于小麥面筋、CNC和TiO2納米粒子的生物納米復(fù)合材料，并測(cè)試了該材料對(duì)Saccharomyces cervisiae、S. aureus和E. coli的抗菌性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與不含TiO2的涂布紙相比，活菌數(shù)減少超過98.5%。ZnO納米粒子具有良好的熱穩(wěn)定性、持久性，Zn是人體所必需的微量元素之一，進(jìn)入人體后不會(huì)有不良影響，與人體相容性好。Lefatshe等[70]制備了ZnO/CNC復(fù)合材料，在CNC基質(zhì)上分散ZnO提高了ZnO的光催化效率。與純ZnO相比，ZnO/CNC復(fù)合材料顯著提高了對(duì)S.aureus和E.coli的抗菌活性。龐昕[71]探究了將改性后的ZnO作為抗菌劑加入到微纖化纖維素（microfibrillated cellulose，MFC）中制備成復(fù)合抗菌材料，同時(shí)對(duì)該復(fù)合材料進(jìn)行了抗菌性能測(cè)試、機(jī)械性能測(cè)試和阻隔性能測(cè)試，并將其在冬棗的抗菌包裝中進(jìn)行了初步應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，抗菌性能隨著涂布量的增加而增加，當(dāng)涂布量達(dá)到5.8 g/m2時(shí)，抑菌圈直徑已經(jīng)達(dá)到20 mm以上，且隨著涂布量的增加，涂布紙的伸長(zhǎng)率增加明顯，平滑度和抗張強(qiáng)度變化不明顯。MFC/ZnO抗菌涂布紙有效地抑制了冬棗表面菌落的增長(zhǎng)，且冬棗硬度變化不明顯。

2.3 精油和植物提取物

近幾年，精油和植物提取物作為抗菌劑的研究比較廣泛。精油和植物提取物作為植物次生代謝物質(zhì)，在自然界中分布廣泛，種類繁多且抑菌活性優(yōu)異[72-73]。精油的化學(xué)成分主要是單萜、倍半萜及其相應(yīng)的含氧衍生物。研究表明，在大量的精油成分中，有效抑菌成分主要是小分子的酚類物質(zhì)、萜烯類物質(zhì)和醛酮類物質(zhì)[74]。植物提取物主要包括一些生物堿類、糖苷類、萜類、黃酮類、鞣酸類和醌類等，其都已被證實(shí)具有較好的抗菌效果，而且這些植物提取物具有廣譜抗菌特性，不產(chǎn)生耐藥性，是一類潛在的綠色安全的抗菌劑[75]。

譚瑞心等[76]利用牛至精油與CMC混合制備得到具有抗菌和抗氧化的活性包裝膜，結(jié)果表明精油的加入一定程度上增加膜的厚度，但膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨精油添加量增加無顯著變化，抗拉強(qiáng)度顯著降低。牛至精油的加入能夠顯著提高膜的抗氧化能力，且抗氧化能力呈濃度依賴性，此外，牛至精油能夠顯著抑制S.aureus和E.coli的生長(zhǎng)，抑菌效果也呈濃度依賴性。de Castro等[77]用TEMPO氧化CNC得到具有羧酸鈉基團(tuán)和自由羧基的TOCNC（TOCNC-COONa和TOCNC-COOH），然后將香芹酚和姜黃素用羥丙基-β-環(huán)糊精（hydroxypropyl-βcyclodextrin，HP-β-CD）包封起來而延緩釋放時(shí)間，結(jié)果表明，TOCNC-COOH/HP-β-CD樣品在放置48 h后經(jīng)過2 次洗滌后仍顯示出抗菌活性。Sogut等[78]將NC和葡萄籽提取物（grape seed extract，GSE）添加到CS和聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）基質(zhì)中制得活性雙層薄膜，并發(fā)現(xiàn)NC的加入顯著降低了水蒸氣滲透性和不透明度，而GSE的加入對(duì)機(jī)械性能有不利影響，但抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明含有GSE的樣品表現(xiàn)出增強(qiáng)的抗菌活性?；钚晕镔|(zhì)的加入雖然會(huì)提高材料的抗菌性，但同時(shí)也會(huì)降低材料的其他機(jī)械性能，因此要尋求對(duì)抗菌性能和機(jī)械性能最合適的加入量以及適宜的材料。Sogut等[79]還研究了NC和GSE的加入對(duì)CS-環(huán)烯烴共聚物（cyclic olefin copolymer，COC）基活性雙層膜的影響，研究結(jié)果表明，NC的加入導(dǎo)致彈性模量增加以及拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率降低，并且所有膜樣品均顯示出對(duì)E.coli和L.monocytogenes的抗菌性，而且添加了GSE的薄膜也顯示出抗氧化性能。

2.4 細(xì)菌素

細(xì)菌素是由某些種類的乳酸菌產(chǎn)生的肽或小蛋白質(zhì)，可抑制食物腐敗細(xì)菌，主要是革蘭氏陽(yáng)性菌的生長(zhǎng)。乳鏈菌肽（Nisin）是一種由乳酸菌生產(chǎn)的全長(zhǎng)為34 個(gè)氨基酸的抗菌肽，是少數(shù)被批準(zhǔn)作為食品防腐劑的抗菌肽之一[80]。世界衛(wèi)生組織認(rèn)為Nisin安全無毒，其已被廣泛用于50多個(gè)國(guó)家的各種食品，如乳制品、肉制品、罐頭食品和啤酒[81]。Saini等[82]的研究表明載有Nisin的CNF對(duì)B.subtilia和S.aureus表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性。含有Nisin的BNC可以用來抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖，保持食品品質(zhì)。已有研究人員評(píng)估了載有Nisin的BNC抗菌活性，結(jié)果表明，Nisin對(duì)S.aureus表現(xiàn)出顯著的抗菌活性，這說明含有Nisin的BNC是一種有應(yīng)用前景的防止微生物污染的復(fù)合材料[83]。基于NC和Nisin的這類新型抗菌生物復(fù)合材料的深入表征可以指導(dǎo)可持續(xù)抗菌材料的合理設(shè)計(jì)[84]。

NC基抗菌復(fù)合材料的抗菌特性見表2。

表2 常見NC基抗菌復(fù)合材料的抗菌特性Table 2 Antibacterial properties of common nanocellulose-based antibacterial composites

3 納米纖維素基抗菌復(fù)合材料在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用

在食品包裝領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的材料中，用量最大的是不可降解的聚合物。隨著對(duì)全球環(huán)境問題的重視程度日漸增加，可生物降解的聚合物材料、生物納米復(fù)合材料以及生物活性包裝的開發(fā)越來越受到關(guān)注。在過去的幾十年里，由于NC的綠色來源以及優(yōu)良性能，其主要被用于制備復(fù)合材料。目前已有大量研究表明，將NC與其他物質(zhì)復(fù)合可賦予其功能性，如阻隔性能、機(jī)械性能、抗菌性能等[85]?？咕b是一個(gè)很有發(fā)展前景的領(lǐng)域，并且會(huì)隨著納米技術(shù)的應(yīng)用而快速發(fā)展。

Dehnad等[86]使用分子質(zhì)量為600～800 kDa的CS以及直徑20～50 nm的NC制備成了NC/CS復(fù)合材料?？咕鷮?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該納米復(fù)合材料對(duì)S. aures、E. coli和S. enterica具有抑制作用。而且與尼龍包裝樣品相比，應(yīng)用NC/CS納米復(fù)合材料包裝的碎肉在3 ℃和25 ℃下貯藏6 d后乳酸菌分別降低了1.3和3.1 個(gè)對(duì)數(shù)周期。何依謠[87]采用溶液澆鑄法制備一系列不同NC含量的聚乳酸（polylactic acid，PLA）/NC復(fù)合薄膜，并將其應(yīng)用到西蘭花的保鮮中，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的復(fù)合薄膜綜合性能最佳，且該復(fù)合膜對(duì)西蘭花常溫貯藏保鮮效果最好，較好地維持了外觀品質(zhì)，保留原有風(fēng)味口感。Salmieri等[88-89]研究了納米復(fù)合薄膜對(duì)火腿和蔬菜中L. monocytogenes的抑制作用。其采用壓縮成型法，將Nisin作為抗菌劑制備了PLA/CNC/Nisin納米復(fù)合薄膜，用于火腿包裝，火腿中L. monocytogenes從第1天開始就顯著減少，第3天開始完全被抑制，抑制作用可持續(xù)到第14天。且通過紅外光譜表征發(fā)現(xiàn)PLA/CNC/Nisin納米復(fù)合膜可能允許抗菌化合物在儲(chǔ)存期間緩慢釋放，但還需進(jìn)一步探究。他們還使用溶劑澆鑄法，通過摻入牛至精油作為抗菌劑制備了PLA/CNC/牛至精油納米復(fù)合薄膜用于蔬菜的包裝，在4 ℃下貯存14 d后，該膜對(duì)L. monocytogenes表現(xiàn)出完全抑制作用。并觀察到牛至精油的添加不會(huì)影響水蒸氣滲透性，在第0天膜的斷裂伸長(zhǎng)率增加，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量降低，在第14天，斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度和拉伸模量略微增加。Dong Feng等[90-91]證明了質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% CS和質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% NC的NC/CS復(fù)合涂層的使用可以更好地保持黃瓜、草莓等的品質(zhì)并延長(zhǎng)貨架期。孟令馨[92]探究了乙?；{米纖維素（acetylated nanocellulose，ANCC）/AgNPs/PLA復(fù)合材料對(duì)桑葚的保鮮效果。研究結(jié)果表明，適量ANCC的加入提高了復(fù)合薄膜的力學(xué)性能及阻隔性能，對(duì)透光率和霧度幾乎無影響，但熱穩(wěn)定性有一定程度的下降。AgNPs的加入可提高薄膜力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、阻隔性及抗菌效果。并用ANCC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%）/AgNPs（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%）/PLA復(fù)合薄膜對(duì)桑葚進(jìn)行保鮮實(shí)驗(yàn)，對(duì)其感官品質(zhì)、腐爛指數(shù)、質(zhì)量損失率和可滴定酸等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果表明AgNPs的加入不僅降低了材料的透氣性，還抑制了細(xì)菌的增長(zhǎng)，顯著延長(zhǎng)桑葚的貨架期至4 d。Sarwar等[93]采用溶液流延法制備了NC/AgNPs/PVA復(fù)合膜用于食品的包裝，并評(píng)估了該納米復(fù)合薄膜的物理、機(jī)械和熱性能。研究結(jié)果表明，填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的NC時(shí)，PVA的拉伸強(qiáng)度可從（5.50±0.27）MPa提高到（12.32±0.61）MPa。且隨著AgNPs的加入，機(jī)械性能提高，水蒸氣滲透率降低。該膜具有較高的保水能力，有利于呼吸速率較高的新鮮果蔬。另外該復(fù)合材料對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌均有較強(qiáng)的抑菌活性，且對(duì)E. coli具有最高的抑菌活性。此外，該納米復(fù)合材料薄膜對(duì)HepG2沒有細(xì)胞毒性作用。因此基于此納米復(fù)合膜的機(jī)械性質(zhì)和抗菌潛力，可將其應(yīng)用于食品包裝。但是，在直接作為食品包裝材料使用時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步考慮AgNPs的安全性。

NC具有優(yōu)異的機(jī)械性能、化學(xué)反應(yīng)性能以及生物相容性，但本身抗菌性不強(qiáng)，抗菌物質(zhì)的添加可以抑制微生物的生長(zhǎng)，顯著提高食品在貯藏過程中的質(zhì)量和安全性。因此，利用NC的納米級(jí)尺寸，將其作為基材，與抗菌劑復(fù)合得到NC基抗菌復(fù)合材料，在食品包裝領(lǐng)域具有巨大的潛力。另外，納米技術(shù)的使用不僅可以增強(qiáng)薄膜的機(jī)械性能和阻隔性能，而且還可以控制抗菌劑或生物活性劑的釋放來延長(zhǎng)保質(zhì)期，提高食品品質(zhì)。近幾年，NC與抗菌劑或生物活性劑的組合研究越來越受到關(guān)注，是一個(gè)非常有前景的研究領(lǐng)域，預(yù)計(jì)未來幾年將會(huì)對(duì)食品包裝產(chǎn)生巨大影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

以天然纖維素為原料制備的NC具有綠色可回收、可持續(xù)、無毒等優(yōu)點(diǎn)以及其他功能材料無法比擬的優(yōu)越性（如高強(qiáng)度、比表面積大等特性）。在NC基復(fù)合材料中，NC既可作為增強(qiáng)劑，增強(qiáng)復(fù)合材料的理化性能，也可利用其表面易修飾的特點(diǎn)合成高性能復(fù)合材料，還可在復(fù)合材料中引入其他所需的功能物質(zhì)，如抗菌劑。利用NC作為基體相，與抗菌劑復(fù)合制備成新型抗菌復(fù)合材料，使其既具備了NC的優(yōu)良特性，又被賦予了較強(qiáng)的抗菌性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。迄今，NC基抗菌復(fù)合材料在食品包裝領(lǐng)域中，僅成功應(yīng)用于少數(shù)果蔬和肉類的包裝。制約NC基抗菌復(fù)合材料在食品包裝領(lǐng)域應(yīng)用的原因在于，一方面NC及其衍生物的制備成本高、工藝復(fù)雜，影響其工業(yè)化推廣；另一方面NC基抗菌材料用于食品包裝領(lǐng)域的安全性評(píng)價(jià)尚無確定性結(jié)論，因此需要更深入地探究關(guān)于NC及其衍生物的制備工藝。另外在今后的研究中，除了開發(fā)用于延長(zhǎng)食品保鮮時(shí)間的NC基抗菌材料外，還應(yīng)當(dāng)研究材料的安全性問題，以確定他們是否對(duì)人體和環(huán)境存在安全風(fēng)險(xiǎn)隱患?？傊诎踩约案咝缘玫奖Ｕ系那疤嵯?，NC基抗菌復(fù)合材料在食品包裝領(lǐng)域的發(fā)展前景十分廣闊。