蛋白与多糖基可食膜的研究进展

成晓祎，王 欢，江连洲

（东北农业大学食品学院，哈尔滨 150030）

随着社会的发展，塑料包装变的必不可少。然而，塑料作为不可生物降解的聚合物，在填埋处理时面临着巨大的环境问题，其可以在环境中长时间存在，并对人类健康和环境构成威胁，不仅难以降解，而且很难再利用，估计只有不到14%的塑料包装材料是可回收的[1]。同时，食品在加工及贮藏过程中，极易受到环境中细菌等有害微生物的入侵，食用后会对人体健康造成严重危害甚至死亡[2]。20世纪70年代以来，国外的一些科学家提出了关于可降解包装材料的概念，开发具有可再生、可降解的可食膜来代替塑料包装，不仅可以缓解塑料带来的环境污染与资源短缺等问题，同时也可以适当延长食品保质期，达到节约资源的目的。例如，未包装的黄瓜会在3 d内失去水分，变得暗淡无光，但1.5 g的塑料包装可以让一根黄瓜保鲜14 d。一些更复杂的包装可以延长特定产品的保质期，这是由于其独特的性能，如含有抗菌剂、气体阻隔功能和环境适应功能的可食膜[3]。

从材料、能源使用和废物产生方面来看，生物聚合物被认为是可持续性的。根据来源将生物聚合物分类：（1）直接从生物质中提取的聚合物，如多糖（如淀粉、纤维素和半乳甘露聚糖）和蛋白质（如酪蛋白和面筋）。（2）由可再生的生物衍生单体通过化学合成产生的聚合物，如聚乳酸，其单体本身是通过碳水化合物原料发酵产生的。（3）微生物产生的聚合物，如一些多糖（如结冷胶和支链淀粉）[4]。将这些生物大分子通过流延、喷涂等方法制备成食品包装材料称为可食膜，已被越来越多的科学家关注。

可食膜基质来源广泛，按照成分可大体分为多糖基、脂质基、蛋白基3类。为改善单一可食膜在一些方面存在的缺陷，将多种大分子物质进行混合制备的复合可食膜应运而生。复合材料制成的可食膜具有优异的性能，例如阻止微生物的生长，提高食品质量[5]。将2种或2种以上的物质通过共混法、涂层法和层压法制备复合膜，使所得的复合膜机械性能的生物功能性达到最佳，使其应用范围更广泛[6]。

如图1所示，可食膜主要是通过浸渍、涂布、喷洒等方法覆盖在食品表面对食品形成保护[7]。其优势主要表现在：第一，可以一定程度阻止空气中气体和水分的迁移；第二，减少食品在运输过程中可能造成的机械损伤；第三，减少微生物对食品的污染，延长食品保质期[8]。无论是蛋白质基膜还是淀粉基膜，都可以在自然环境下以较快的速度完全分解，最终分解产物为二氧化碳和水，产物不会对环境产生毒害作用[8]。

图1 可食膜形成原理图

蛋白和多糖是种类丰富且具有成膜特性的大分子物质，适用于食品包装，在生产生活中具有广泛应用。文中综述了蛋白膜、多糖膜和蛋白多糖可食膜的研究内容、研究进展及在食品加工中的应用，为蛋白与多糖生物可食膜的发展提供研究思路和发展方向。

1 蛋白-多糖膜概述

1.1 蛋白基膜

蛋白质是由100多个单体氨基酸通过肽键连接而成的杂聚物，蛋白来源十分丰富，分植物蛋白和动物蛋白。植物蛋白可来源于谷物，也可来自油料作物。动物蛋白主要来源于禽类、畜类以及鱼类等的肉、蛋奶等[9]。科学家对蛋白可食膜的研究已经进行了很多年，就阻隔性能而言，由于蛋白质的亲水性，与大多数合成聚合物相比，蛋白质膜具有更高的水蒸气透过率（WVP）[6]，限制了蛋白可食膜在包装亲水性食品中的应用。目前已经提出了各种方法来增强蛋白可食膜的物理性质，最常见的解决方案之一是选择合适的制备条件及添加小分子物质来改善蛋白可食膜性能缺陷。

郭新华[10]通过对大豆分离蛋白成膜机理的研究，用物理（紫外照射，超声处理）和化学（加热处理，加碱处理等）的方法改善大豆分离蛋白膜性能，结果表明，经过物理化学方法改善后，大豆分离蛋白膜的氧气阻隔性、机械性能和外观等都能得到优化。Arciello等[11]用核桃仁壳提取物、乳清蛋白和甘油通过浇铸法制备可食膜，通过机械性能和屏障性能分析发现，核桃仁壳提取物能够提高可食膜的机械性能和屏障性能，尤其是抑制食源性细菌粪肠球菌和肠沙门氏菌亚种的生长，该研究为乳清蛋白基可食膜作为新的环保候选材料的使用奠定基础。

1.2 多糖基膜

多糖是由糖苷键构成的复杂碳水化合物，是植物（如纤维素）和动物外骨骼（如几丁质）的主要结构元素之一，在植物能量储存中具有重要作用（如淀粉）[12]。多种多样的多糖及其衍生物已用于生产可生物降解的可食膜，并被用于各种行业，如食品、医疗、制药和特定的工业过程[13]。多糖膜通常具有良好的气体阻隔性，同时在较低或中等相对湿度下有较好的机械性能。尽管多糖具有许多优点，但也有一些缺点，如低耐水性、较高湿度下机械性能较低，阻碍了他们的广泛使用和工业化[4]。随着对绿色包装越来越多的关注和研究，科学家对多糖膜的改性进行了研究，以优化可食膜性能，达到较满意包装要求，进而扩大其在工业上的应用[14]。

毕会敏等[15]向马铃薯淀粉基膜中添加羧甲基纤维素钠为增塑剂，通过正交实验优化淀粉基膜的性质，提高可食膜的抗张强度和断裂伸长率。覃寒珍等[16]将普通淀粉、可溶性淀粉和水溶性淀粉为原料制备的可食膜进行比较，以得到淀粉膜最优的改性条件。于雪梅[17]以具有高阻气性能的普鲁兰多糖为原料，对其进行修饰加工，并将其与成膜性较优的壳聚糖共混复合，制备具有特征性能的抗菌普鲁兰多糖食品包装膜。Wang等[5]用流延法制备山药粘液和淀粉可食膜，通过研究可食膜的物理、形态、机械和屏障特性，结果表明，山药粘液和淀粉制备的可食膜结构致密均匀，为制备无毒、可生物降解的可食膜提供潜力。

1.3 蛋白与多糖基可食膜

为了满足食品多方面的保鲜需求，可食用膜必须结合许多特性，例如足够的抗微生物活性、免受环境损害的保护、精确平衡的气体和水蒸气渗透性以及较好的粘附性。然而单一的可食膜材料很难满足这种变化的要求，例如蛋白质膜通常具有优异的气体阻隔性能，但与大多数合成聚合物相比，他们往往具有更高的水蒸气渗透性、更弱的机械性能和更低的伸长率[18]，多糖膜水蒸气透过率高[19]。因此，最近人们开始关注开发复合可食膜，该膜可以结合各种成分的多重优势。

Li等[20]通过研究花生蛋白纳米颗粒对大豆蛋白和玉米淀粉膜特性的影响，借助扫描电子显微镜、结构分析仪和热重分析仪等对可食膜性质进行评估，结果发现，含有2%纳米颗粒的大豆蛋白膜表现最好，特别是在机械性能方面，添加结构与膜基质相似的纳米填料可以更好地改善膜的功能特性，这可能是由于蛋白质基质和蛋白质纳米颗粒之间更好的相容性。李莹等[21]将壳聚糖与其他物质如淀粉、海藻酸盐、玉米醇溶蛋白等物质结合制备可食膜，通过测定可食膜的机械性能、阻隔性能及抑菌性能，把不同原料制备的可食膜进行对比发现，壳聚糖分子上的氨基、羟基等与淀粉和海藻酸盐分子上的羰基、羟基、乙酰基等通过氢键和静电相互作用结合，制备的可食膜性能优异，为壳聚糖可食膜的开发和应用提供技术支持。张小涵[22]以壳聚糖、大豆分离蛋白为基础成膜剂，甘油为增塑剂制备可食膜，通过对可食膜各项性能的测定，得到了壳聚糖-大豆分离蛋白的最优成膜条件。

2 蛋白与多糖基可食膜的应用

2.1 在果蔬保鲜中的应用

新鲜果蔬质量的好坏是市场营销的关键，蔬菜和水果在采摘后管理期间极易腐烂，昆虫、微生物、呼吸和蒸腾作用造成了极大的损失，且在运输和储存过程中也会迅速腐烂[23]，因此需要最佳的采后技术来维持其品质和稳定性[24]。由于可食膜能提供防潮和抑菌屏障，改善食品机械性能，将其应用于保存水果和蔬菜中能有效改善这些问题。可食膜保鲜果蔬的机理主要是通过在蔬菜和水果周围形成半透性安全屏障来减少质量损失，延长新鲜食品的保质期，同时可食膜可以作为产品的一部分安全食用，对人体无害。

Liu等[25]用比例为1∶2的羟乙基纤维素和海藻酸钠制备可食膜包裹草莓，将草莓放置在25℃和80%相对湿度下储存8 d，发现可食膜包裹草莓能显著延缓草莓颜色变化，减少重量损失，并保持了总酚和类黄酮的含量。Quoc等[26]使用1.4%黄原胶作为可食用的包衣，在针叶樱桃表面形成一层保护屏障，可以防止氧气渗透，延缓针叶樱桃的成熟进程，针叶樱桃可以在30℃下保存6 d，而不会对果实品质产生任何负面影响。Poverenov等[27]将壳聚糖和明胶复合物用作辣椒的涂层，可食膜形成使辣椒中微生物分解加倍减少，显著地改善了辣椒的质地，延长了辣椒的保质期，而不影响辣椒的营养价值。Fakhouri等[28]将玉米淀粉和明胶制备的可食膜覆到深红色葡萄上以延长其保质期，研究发现，包衣葡萄在冷藏条件下储存21 d后外观得到改善，与对照组相比，重量损失也较低（见图2）。

图2 可食膜在食品体系中的应用

2.2 在肉类保鲜中的应用

肉及肉制品会由于脂肪氧化、蛋白质氧化及微生物污染等原因而产生腐败变质，肉品变质产生的微生物常始于其表面，因此通过表面处理或使用特殊包装的方式，阻止肉制品汁水流失，减少脂质氧化，改善肉制品的颜色、气味等感官品质，从而可以有效地延长肉及肉制品的货架期。研究者们将蛋白与多糖基可食膜应用于肉制品的保鲜，减缓了肉制品腐败变质速度，对保障肉制品的安全和品质起着关键作用。

Sani等[29]使用乳清分离蛋白和纤维素纳米复合材料制备可食膜来保护羊肉，结果发现，可食膜包裹的处理组细菌数量显著降低，感官评价表明，可食膜的使用显著延长了羊肉的货架期，由6 d增加到15 d。曾少甫等[30]研究发现制备壳聚糖/肉桂醛抗菌可食膜作为包装保鲜猪肉可将其保质期延长至8 d。Umaraw等[31]研究表明以山药淀粉与丁香酚抑菌可食膜应用于冷鲜猪肉可使其保质期延长50%以上。以上研究说明蛋白与多糖的功能性包装可食膜可有效延缓肉及肉制品因氧化或微生物污染而产生的腐败，适宜被广泛应用于肉及肉制品保鲜中（见图2）。

2.3 在其他食品保鲜中的应用

油炸食品因酥脆可口，赋有特殊香味而深受广大人民喜欢。将油炸食品放置在空气中时，由于受到空气中水分、氧气和温度的影响，食品会因油脂的氧化而产生难闻的味道，因此，防止油脂氧化可以使油炸食品在空气中保存较长时间。夏明涛等[32]以大豆分离蛋白、壳聚糖和豌豆淀粉为原料制备可食膜，测定可食膜对裹衣花生储存期间抗氧化性的影响，发现储藏25 d后，裹衣花生的过氧化值有了明显的下降，说明可食膜保鲜可有效延长裹衣花生储藏期。

烘烤食品如饼干、面包等在储藏期间容易吸潮而产生霉变，可食膜可以有效防止霉变现象的发生。Bravin等[33]将玉米淀粉、甲基纤维素和大豆蛋白组成的乳化可食膜包裹饼干，通过评估可食膜在控制饼干中水分转移的有效性发现，可食膜包裹的饼干保质期均比对照组的保存时间长（见图2）。

3 结语

可食膜由于其绿色，无污染，不仅可以延长食品的货架保质期，且对人体健康也无害而日益受到人们的广泛关注，但可食膜在实际应用中也存在一些未解决的难题。如我国可食膜研究起步较晚，有关可食膜的研究仍停留在实验室阶段，没有大规模的进入生产生活中被广大人民群众接受，其次蛋白与多糖基可食膜仍存在一定程度的性能缺陷，如耐水性、阻油性和抑菌性较差等，以上问题都限制了可食膜在生活中的应用。将来可以通过利用各组分的性质，突出原料优点，从而使可食膜性能得到提升。此外可以通过添加一些小分子辅助剂使可食膜具有抗菌、抗油等特殊性质。同时可以开发多糖、蛋白和脂质以外的大分子物质优化制膜工艺，随着科技的快速发展，可食膜替代塑料包装指日可待。