蛋白與多糖基可食膜的研究進(jìn)展

成曉祎，王 歡，江連洲

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱 150030）

隨著社會的發(fā)展，塑料包裝變的必不可少。然而，塑料作為不可生物降解的聚合物，在填埋處理時(shí)面臨著巨大的環(huán)境問題，其可以在環(huán)境中長時(shí)間存在，并對人類健康和環(huán)境構(gòu)成威脅，不僅難以降解，而且很難再利用，估計(jì)只有不到14%的塑料包裝材料是可回收的[1]。同時(shí)，食品在加工及貯藏過程中，極易受到環(huán)境中細(xì)菌等有害微生物的入侵，食用后會對人體健康造成嚴(yán)重危害甚至死亡[2]。20世紀(jì)70年代以來，國外的一些科學(xué)家提出了關(guān)于可降解包裝材料的概念，開發(fā)具有可再生、可降解的可食膜來代替塑料包裝，不僅可以緩解塑料帶來的環(huán)境污染與資源短缺等問題，同時(shí)也可以適當(dāng)延長食品保質(zhì)期，達(dá)到節(jié)約資源的目的。例如，未包裝的黃瓜會在3 d內(nèi)失去水分，變得暗淡無光，但1.5 g的塑料包裝可以讓一根黃瓜保鮮14 d。一些更復(fù)雜的包裝可以延長特定產(chǎn)品的保質(zhì)期，這是由于其獨(dú)特的性能，如含有抗菌劑、氣體阻隔功能和環(huán)境適應(yīng)功能的可食膜[3]。

從材料、能源使用和廢物產(chǎn)生方面來看，生物聚合物被認(rèn)為是可持續(xù)性的。根據(jù)來源將生物聚合物分類：（1）直接從生物質(zhì)中提取的聚合物，如多糖（如淀粉、纖維素和半乳甘露聚糖）和蛋白質(zhì)（如酪蛋白和面筋）。（2）由可再生的生物衍生單體通過化學(xué)合成產(chǎn)生的聚合物，如聚乳酸，其單體本身是通過碳水化合物原料發(fā)酵產(chǎn)生的。（3）微生物產(chǎn)生的聚合物，如一些多糖（如結(jié)冷膠和支鏈淀粉）[4]。將這些生物大分子通過流延、噴涂等方法制備成食品包裝材料稱為可食膜，已被越來越多的科學(xué)家關(guān)注。

可食膜基質(zhì)來源廣泛，按照成分可大體分為多糖基、脂質(zhì)基、蛋白基3類。為改善單一可食膜在一些方面存在的缺陷，將多種大分子物質(zhì)進(jìn)行混合制備的復(fù)合可食膜應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合材料制成的可食膜具有優(yōu)異的性能，例如阻止微生物的生長，提高食品質(zhì)量[5]。將2種或2種以上的物質(zhì)通過共混法、涂層法和層壓法制備復(fù)合膜，使所得的復(fù)合膜機(jī)械性能的生物功能性達(dá)到最佳，使其應(yīng)用范圍更廣泛[6]。

如圖1所示，可食膜主要是通過浸漬、涂布、噴灑等方法覆蓋在食品表面對食品形成保護(hù)[7]。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：第一，可以一定程度阻止空氣中氣體和水分的遷移；第二，減少食品在運(yùn)輸過程中可能造成的機(jī)械損傷；第三，減少微生物對食品的污染，延長食品保質(zhì)期[8]。無論是蛋白質(zhì)基膜還是淀粉基膜，都可以在自然環(huán)境下以較快的速度完全分解，最終分解產(chǎn)物為二氧化碳和水，產(chǎn)物不會對環(huán)境產(chǎn)生毒害作用[8]。

圖1 可食膜形成原理圖

蛋白和多糖是種類豐富且具有成膜特性的大分子物質(zhì)，適用于食品包裝，在生產(chǎn)生活中具有廣泛應(yīng)用。文中綜述了蛋白膜、多糖膜和蛋白多糖可食膜的研究內(nèi)容、研究進(jìn)展及在食品加工中的應(yīng)用，為蛋白與多糖生物可食膜的發(fā)展提供研究思路和發(fā)展方向。

1 蛋白-多糖膜概述

1.1 蛋白基膜

蛋白質(zhì)是由100多個(gè)單體氨基酸通過肽鍵連接而成的雜聚物，蛋白來源十分豐富，分植物蛋白和動物蛋白。植物蛋白可來源于谷物，也可來自油料作物。動物蛋白主要來源于禽類、畜類以及魚類等的肉、蛋奶等[9]?？茖W(xué)家對蛋白可食膜的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多年，就阻隔性能而言，由于蛋白質(zhì)的親水性，與大多數(shù)合成聚合物相比，蛋白質(zhì)膜具有更高的水蒸氣透過率（WVP）[6]，限制了蛋白可食膜在包裝親水性食品中的應(yīng)用。目前已經(jīng)提出了各種方法來增強(qiáng)蛋白可食膜的物理性質(zhì)，最常見的解決方案之一是選擇合適的制備條件及添加小分子物質(zhì)來改善蛋白可食膜性能缺陷。

郭新華[10]通過對大豆分離蛋白成膜機(jī)理的研究，用物理（紫外照射，超聲處理）和化學(xué)（加熱處理，加堿處理等）的方法改善大豆分離蛋白膜性能，結(jié)果表明，經(jīng)過物理化學(xué)方法改善后，大豆分離蛋白膜的氧氣阻隔性、機(jī)械性能和外觀等都能得到優(yōu)化。Arciello等[11]用核桃仁殼提取物、乳清蛋白和甘油通過澆鑄法制備可食膜，通過機(jī)械性能和屏障性能分析發(fā)現(xiàn)，核桃仁殼提取物能夠提高可食膜的機(jī)械性能和屏障性能，尤其是抑制食源性細(xì)菌糞腸球菌和腸沙門氏菌亞種的生長，該研究為乳清蛋白基可食膜作為新的環(huán)保候選材料的使用奠定基礎(chǔ)。

1.2 多糖基膜

多糖是由糖苷鍵構(gòu)成的復(fù)雜碳水化合物，是植物（如纖維素）和動物外骨骼（如幾丁質(zhì)）的主要結(jié)構(gòu)元素之一，在植物能量儲存中具有重要作用（如淀粉）[12]。多種多樣的多糖及其衍生物已用于生產(chǎn)可生物降解的可食膜，并被用于各種行業(yè)，如食品、醫(yī)療、制藥和特定的工業(yè)過程[13]。多糖膜通常具有良好的氣體阻隔性，同時(shí)在較低或中等相對濕度下有較好的機(jī)械性能。盡管多糖具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也有一些缺點(diǎn)，如低耐水性、較高濕度下機(jī)械性能較低，阻礙了他們的廣泛使用和工業(yè)化[4]。隨著對綠色包裝越來越多的關(guān)注和研究，科學(xué)家對多糖膜的改性進(jìn)行了研究，以優(yōu)化可食膜性能，達(dá)到較滿意包裝要求，進(jìn)而擴(kuò)大其在工業(yè)上的應(yīng)用[14]。

畢會敏等[15]向馬鈴薯淀粉基膜中添加羧甲基纖維素鈉為增塑劑，通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化淀粉基膜的性質(zhì)，提高可食膜的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率。覃寒珍等[16]將普通淀粉、可溶性淀粉和水溶性淀粉為原料制備的可食膜進(jìn)行比較，以得到淀粉膜最優(yōu)的改性條件。于雪梅[17]以具有高阻氣性能的普魯蘭多糖為原料，對其進(jìn)行修飾加工，并將其與成膜性較優(yōu)的殼聚糖共混復(fù)合，制備具有特征性能的抗菌普魯蘭多糖食品包裝膜。Wang等[5]用流延法制備山藥粘液和淀粉可食膜，通過研究可食膜的物理、形態(tài)、機(jī)械和屏障特性，結(jié)果表明，山藥粘液和淀粉制備的可食膜結(jié)構(gòu)致密均勻，為制備無毒、可生物降解的可食膜提供潛力。

1.3 蛋白與多糖基可食膜

為了滿足食品多方面的保鮮需求，可食用膜必須結(jié)合許多特性，例如足夠的抗微生物活性、免受環(huán)境損害的保護(hù)、精確平衡的氣體和水蒸氣滲透性以及較好的粘附性。然而單一的可食膜材料很難滿足這種變化的要求，例如蛋白質(zhì)膜通常具有優(yōu)異的氣體阻隔性能，但與大多數(shù)合成聚合物相比，他們往往具有更高的水蒸氣滲透性、更弱的機(jī)械性能和更低的伸長率[18]，多糖膜水蒸氣透過率高[19]。因此，最近人們開始關(guān)注開發(fā)復(fù)合可食膜，該膜可以結(jié)合各種成分的多重優(yōu)勢。

Li等[20]通過研究花生蛋白納米顆粒對大豆蛋白和玉米淀粉膜特性的影響，借助掃描電子顯微鏡、結(jié)構(gòu)分析儀和熱重分析儀等對可食膜性質(zhì)進(jìn)行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含有2%納米顆粒的大豆蛋白膜表現(xiàn)最好，特別是在機(jī)械性能方面，添加結(jié)構(gòu)與膜基質(zhì)相似的納米填料可以更好地改善膜的功能特性，這可能是由于蛋白質(zhì)基質(zhì)和蛋白質(zhì)納米顆粒之間更好的相容性。李瑩等[21]將殼聚糖與其他物質(zhì)如淀粉、海藻酸鹽、玉米醇溶蛋白等物質(zhì)結(jié)合制備可食膜，通過測定可食膜的機(jī)械性能、阻隔性能及抑菌性能，把不同原料制備的可食膜進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，殼聚糖分子上的氨基、羥基等與淀粉和海藻酸鹽分子上的羰基、羥基、乙?；韧ㄟ^氫鍵和靜電相互作用結(jié)合，制備的可食膜性能優(yōu)異，為殼聚糖可食膜的開發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)支持。張小涵[22]以殼聚糖、大豆分離蛋白為基礎(chǔ)成膜劑，甘油為增塑劑制備可食膜，通過對可食膜各項(xiàng)性能的測定，得到了殼聚糖-大豆分離蛋白的最優(yōu)成膜條件。

2 蛋白與多糖基可食膜的應(yīng)用

2.1 在果蔬保鮮中的應(yīng)用

新鮮果蔬質(zhì)量的好壞是市場營銷的關(guān)鍵，蔬菜和水果在采摘后管理期間極易腐爛，昆蟲、微生物、呼吸和蒸騰作用造成了極大的損失，且在運(yùn)輸和儲存過程中也會迅速腐爛[23]，因此需要最佳的采后技術(shù)來維持其品質(zhì)和穩(wěn)定性[24]。由于可食膜能提供防潮和抑菌屏障，改善食品機(jī)械性能，將其應(yīng)用于保存水果和蔬菜中能有效改善這些問題?？墒衬けｕr果蔬的機(jī)理主要是通過在蔬菜和水果周圍形成半透性安全屏障來減少質(zhì)量損失，延長新鮮食品的保質(zhì)期，同時(shí)可食膜可以作為產(chǎn)品的一部分安全食用，對人體無害。

Liu等[25]用比例為1∶2的羥乙基纖維素和海藻酸鈉制備可食膜包裹草莓，將草莓放置在25℃和80%相對濕度下儲存8 d，發(fā)現(xiàn)可食膜包裹草莓能顯著延緩草莓顏色變化，減少重量損失，并保持了總酚和類黃酮的含量。Quoc等[26]使用1.4%黃原膠作為可食用的包衣，在針葉櫻桃表面形成一層保護(hù)屏障，可以防止氧氣滲透，延緩針葉櫻桃的成熟進(jìn)程，針葉櫻桃可以在30℃下保存6 d，而不會對果實(shí)品質(zhì)產(chǎn)生任何負(fù)面影響。Poverenov等[27]將殼聚糖和明膠復(fù)合物用作辣椒的涂層，可食膜形成使辣椒中微生物分解加倍減少，顯著地改善了辣椒的質(zhì)地，延長了辣椒的保質(zhì)期，而不影響辣椒的營養(yǎng)價(jià)值。Fakhouri等[28]將玉米淀粉和明膠制備的可食膜覆到深紅色葡萄上以延長其保質(zhì)期，研究發(fā)現(xiàn)，包衣葡萄在冷藏條件下儲存21 d后外觀得到改善，與對照組相比，重量損失也較低（見圖2）。

圖2 可食膜在食品體系中的應(yīng)用

2.2 在肉類保鮮中的應(yīng)用

肉及肉制品會由于脂肪氧化、蛋白質(zhì)氧化及微生物污染等原因而產(chǎn)生腐敗變質(zhì)，肉品變質(zhì)產(chǎn)生的微生物常始于其表面，因此通過表面處理或使用特殊包裝的方式，阻止肉制品汁水流失，減少脂質(zhì)氧化，改善肉制品的顏色、氣味等感官品質(zhì)，從而可以有效地延長肉及肉制品的貨架期。研究者們將蛋白與多糖基可食膜應(yīng)用于肉制品的保鮮，減緩了肉制品腐敗變質(zhì)速度，對保障肉制品的安全和品質(zhì)起著關(guān)鍵作用。

Sani等[29]使用乳清分離蛋白和纖維素納米復(fù)合材料制備可食膜來保護(hù)羊肉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可食膜包裹的處理組細(xì)菌數(shù)量顯著降低，感官評價(jià)表明，可食膜的使用顯著延長了羊肉的貨架期，由6 d增加到15 d。曾少甫等[30]研究發(fā)現(xiàn)制備殼聚糖/肉桂醛抗菌可食膜作為包裝保鮮豬肉可將其保質(zhì)期延長至8 d。Umaraw等[31]研究表明以山藥淀粉與丁香酚抑菌可食膜應(yīng)用于冷鮮豬肉可使其保質(zhì)期延長50%以上。以上研究說明蛋白與多糖的功能性包裝可食膜可有效延緩肉及肉制品因氧化或微生物污染而產(chǎn)生的腐敗，適宜被廣泛應(yīng)用于肉及肉制品保鮮中（見圖2）。

2.3 在其他食品保鮮中的應(yīng)用

油炸食品因酥脆可口，賦有特殊香味而深受廣大人民喜歡。將油炸食品放置在空氣中時(shí)，由于受到空氣中水分、氧氣和溫度的影響，食品會因油脂的氧化而產(chǎn)生難聞的味道，因此，防止油脂氧化可以使油炸食品在空氣中保存較長時(shí)間。夏明濤等[32]以大豆分離蛋白、殼聚糖和豌豆淀粉為原料制備可食膜，測定可食膜對裹衣花生儲存期間抗氧化性的影響，發(fā)現(xiàn)儲藏25 d后，裹衣花生的過氧化值有了明顯的下降，說明可食膜保鮮可有效延長裹衣花生儲藏期。

烘烤食品如餅干、面包等在儲藏期間容易吸潮而產(chǎn)生霉變，可食膜可以有效防止霉變現(xiàn)象的發(fā)生。Bravin等[33]將玉米淀粉、甲基纖維素和大豆蛋白組成的乳化可食膜包裹餅干，通過評估可食膜在控制餅干中水分轉(zhuǎn)移的有效性發(fā)現(xiàn)，可食膜包裹的餅干保質(zhì)期均比對照組的保存時(shí)間長（見圖2）。

3 結(jié)語

可食膜由于其綠色，無污染，不僅可以延長食品的貨架保質(zhì)期，且對人體健康也無害而日益受到人們的廣泛關(guān)注，但可食膜在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些未解決的難題。如我國可食膜研究起步較晚，有關(guān)可食膜的研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，沒有大規(guī)模的進(jìn)入生產(chǎn)生活中被廣大人民群眾接受，其次蛋白與多糖基可食膜仍存在一定程度的性能缺陷，如耐水性、阻油性和抑菌性較差等，以上問題都限制了可食膜在生活中的應(yīng)用。將來可以通過利用各組分的性質(zhì)，突出原料優(yōu)點(diǎn)，從而使可食膜性能得到提升。此外可以通過添加一些小分子輔助劑使可食膜具有抗菌、抗油等特殊性質(zhì)。同時(shí)可以開發(fā)多糖、蛋白和脂質(zhì)以外的大分子物質(zhì)優(yōu)化制膜工藝，隨著科技的快速發(fā)展，可食膜替代塑料包裝指日可待。