1、抗菌包装,当前食品包装常用抗菌方法,食品防腐抗菌最广泛使用的方法是巴氏杀菌和添加防腐抗菌剂。但巴氏杀菌无法彻底杀灭食品中的所有微生物，而防腐剂的加入，一方面会改变食品品质，同时一些防腐剂存在诱癌、致癌、致畸和易引起食物中毒等问题，反而又造成食品安全的隐患。例如 2009 年国家质检总局检出的不合格肉制品主要是防腐剂或菌落总数超标。其他常用的抗菌及保藏食品的方法还有辐射杀菌、干燥、冷冻、冷藏、真空和气调保鲜、以及加入盐类物质等，但这些方法也具有一定的局限性，或是杀菌不彻底，或是抑菌活性容易失去，或是会改变食品品质，对一些食品，尤其是高水分活度食品并不适用。此外，由于微生物的滋生是从食品表面开始，
2、也常在食品表面喷洒或涂抹适量抗菌物质来提高其安全性，抑制微生物滋生。但由于抗菌物质容易与食品组分相互作用而失去抗菌活性，抗菌活性不持久，因此也没有广泛应用。,抗菌包装需满足需求,首先必须卫生安全，应完全杀灭致病菌，最大程度的减少微生物的数量，防止腐败菌滋生，保障消费者的身体健康 其次必须保证良好的品质，在加工和灭菌保藏的过程中，应尽量采用温和的方法，以保持原有口感和品质 第三应具有长的货架期，以适应市场的不断扩大和远程物流配送体系的要求 但目前的食品防腐抗菌方法不能充分满足这些需求需要进一步发展食品的抗菌保藏方法，消除食品安全隐患。,抗菌活性包装,抗菌活性包装是将抗菌剂混入高聚物包装材料中，使
3、其具有抗菌活性的包装方法。抗菌活性包装可以缓慢的释放出抗菌剂，在包装内部维持长期稳定的抗菌剂浓度，达到抗菌防腐的目的，以逐渐减少或代替向食品中加入的防腐剂。抗菌活性包装替代了传统的向食品中添加抗菌剂的食品保藏方法，能长时间保持食品的营养和风味，延长货架期，提高安全性，能够有效解决高水分活度食品的抗菌防腐难题。,淀粉/聚乳酸/壳聚糖共混抗菌活性材料,1.开发淀粉/聚乳酸/壳聚糖共混抗菌活性包装材料的背景 2.目前抗菌活性包装材料的研究现状和发展趋势 3.制备淀粉/聚乳酸/壳聚糖共混抗菌活性包装材料的优势和可行性 4.在制备过程中需要解决的一些基础理论问题,开发淀粉/聚乳酸/壳聚糖共混抗菌活性包装
4、材料的背景,高水分活度食品主要包括生鲜肉、新鲜果蔬、肉肠制品、酱料包等。其特点是： 1. 水分活度高（aw 0.90），有利于致病菌和微生物的生长繁殖； 2. 含有丰富的碳源、氮源和无机金属离子，营养丰富，是致病菌和微生物生长繁殖的良好环境； 3. 水分活度对食品颜色、味道、香味等品质的影响很大，无法利用干燥脱水、盐浸、或低温冷冻的方法进行防腐保藏。这类食品易被微生物侵蚀，发生腐败变质，因此相关标准对其卫生标准的要求非常严格。国家标准GB 2726-2005 熟肉制品卫生标准规定，在熟肉制品中不得检出肉毒梭状芽抱杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌；国家标准GB 2718-1996 酱卫生标准也规定
5、酱料中不得检出肠道致病菌。,高水分活度食品的防腐抗菌方法,加热杀菌：有残存杆菌、细菌 低温冷藏：成本高 真空和气调包装 辐射杀菌 添加防腐剂和喷洒 涂抹抗菌剂,抗菌材料制备方法,Siragusa 等人（1999）将尼生素以液体的形式涂抹在聚乙烯塑料表面，然后真空包装牛肉，贮藏20天后发现，牛肉表面的微生物低于直接用尼生素溶液浸泡过的牛肉。Scannell 等人（2000）将尼生素通过共价键固定到聚乙烯/聚酰胺材料上，用于包装火腿，发现无论是在冷藏还是室温下，三个月后仍可维持抗菌活性不变，有效抑制了火腿表面乳酸菌的生长。Ha 等人（2001）指出将质量分数为 0.5%1%的葡萄柚子提取物（GFS
6、E）通过共混挤出法加入到多层聚乙烯薄膜中，用于包装牛肉，在 3C 下贮藏后发现，可以显著减少牛肉中的好氧菌和大肠杆菌的数量，贮藏期延长至 18 天。Seydim等人（2006）将牛至精油和大蒜精油加到以乳清蛋白为基材的薄膜内，用于牛肉和乳酪包装，在 4C 的储藏环境中可有效抑制病原菌及腐败菌的生长，延长保质期。Vargas等人（2006）将壳聚糖膜用于草莓的包装，在低温冷藏环境中对草莓的品质没有影响，同时又能够抑制真菌的滋生。Marcos 等人（2007）将细菌素加入到以海藻酸钠、玉米蛋白或聚乙烯醇为基材的薄膜中，发现在6C的贮藏条件下，含有2000 IU/cm2细菌素的海藻酸钠真空包装是火腿
7、有效的防腐抗菌方法。,Salleh等人（2007将月桂酸、壳聚糖和淀粉共混，利用流涎法制膜，发现薄膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌都具有良好的抗菌活性，且淀粉/壳聚糖的比例为9:1时活性最高，可以用来延长液体和半固体食品的货架期。Millette 等人（2008）将细菌素添加到棕榈酰化海藻酸钠材料中，用来包装新鲜牛肉，发现包埋在材料内部的细菌素可以缓慢释放出来，有效避免了牛肉中活性成分对细菌素抗菌活性的影响，含106 IU/L 细菌素的棕榈酰化海藻酸钠薄膜使贮藏 7天的牛排中的金黄色葡萄球菌减少了1.86 log CFU/ cm2。Jin 等人（2008）将细菌素加入到聚乳酸材料中制备食品抗菌包装
8、材料，并在培养基、液体果汁和蛋清液中检验了其对李斯特菌、大肠杆菌和沙门氏菌的抗菌活性，结果表明，抗菌材料对三种微生物的抗菌活性分别达到4.5 log CFU/mL，2 log CFU/mL，3.5 log CFU/mL，具有显著抗菌活性。Beverly 等人（2008）将壳聚糖溶解在醋酸和乳酸中制膜，用于即食型牛肉制品的包装，发现在 4C 的环境中储存 28 天后，肉制品表面李斯特菌的数量由高于 10 log CFU/g 降低至 23 log CFU/g。Vasconez 等人（2009）将壳聚糖和山梨酸钾分别加入到木薯淀粉中，流涎法制膜，并用于鲜鲑鱼片的包装，发现在冷藏环境中，能够显著抑制乳
9、酸菌和酵母菌的滋生，将品质保证期延长至6天。,抗菌活性包装材料的抗菌机理,Veronique（2008）将目前应用于肉制品的抗菌活性包装分为两类：（1）将抗菌剂包埋在基材内部或直接涂抹在表面，通过向食品表面释放抗菌剂实现抗菌活性，同时又通过控制抗菌剂的迁移溶出速率，实现抗菌的持续性；（2）将抗菌剂分子与基材通过化学键等方式结合，固定在基材表面，使其不溶出，通过材料与食品的紧密接触来实现抗菌活性，并阻止环境中微生物对食品的侵蚀，抗菌活性能够长期保持。两种抗菌材料比较而言，由于前者能够更好的实现抗菌活性，因此对其的研究和使用最为广泛。,抗菌活性包装材料的设计与制备,根据Han（2000）的综述，食
10、品抗菌活性包装材料的制备方法主要有四种：一种是直接将抗菌剂喷涂在包装材料的表面，但由于抗菌剂容易释放，长效抗菌活性不强；第二种是将抗菌剂加入到挤出机中和塑料母粒共混挤出，由于抗菌剂的添加量不大，因此对塑料母粒的熔融性质影响不大，制备工艺简单；第三种方法是将抗菌剂与基材通过离子键或共价键相连，制备成结构均一的抗菌活性包装系统，抗菌剂不释放，抗菌活性能够长时间维持，可以阻止环境中微生物对食品的侵蚀，但对食品本身微生物的抗菌活性不高。第四种是将抗菌活性包装材料制备成多层复合材料，抗菌剂分散于其中的一层，从而对抗菌剂的溶出释放进行控制，实现抗菌的实效性和持续性。,考虑因素,抗菌剂的热稳定性 .挤出加工
11、后抗菌剂的抗菌活性 .食品组分对抗菌活性的影响 食品的保藏温度 抗菌剂的释放动力学 包装材料的物理性能,基材的性质是决定抗菌剂迁移溶出的关键，也是抗菌材料实现抗菌活性的关键。Weng 等人（1993）37的研究表明，将山梨酸钾加入到聚烯塑料中后，由于聚乙烯的疏水性，山梨酸钾在水中以及乳酪中的迁移速率有限，抗菌活性无法显现。而将山梨酸加入到厚度0.0080.010 mm的聚乙烯异丁烯酸（PEMA）共聚膜中，由于薄膜厚度薄，抗菌剂能够溶出（55 mg/g），因此对真菌的生长具有显著抑制活性42。An 等人（2000）43的研究表明，将细菌素加入到聚乙烯材料中，细菌素的迁移速率低，无法对琼脂培养基上
12、的微生物产生抑菌活性。Natrajan等人（2000）44研究了细菌素在聚氯乙烯膜（PVC）、线性低密度聚乙烯膜（LLDPE）和尼龙材料中的迁移情况，发现由于 LLDPE 疏水性最强，细菌素的迁移速率最慢，直接影响了材料的抗菌活性。Mucha 等人（2005）45将壳聚糖与聚乙烯醇（PVOH）共混成膜，发现两者可以通过氢键增加相容性，不同的比例会影响水分子的迁移扩散，并进一步影响壳聚糖的溶出。Liu 等人（2007）46将一些多肽和细菌素加入到聚乳酸（PLA）材料中，并在聚乳酸中加入了亲水性的果胶，通过在琼脂培养基和液体培养基中的抗菌实验发现，果胶的存在有助于细菌素的溶出迁移。Tripathi
13、 等人（2008）47分别在琼脂培养基上检测了粉/壳聚糖溶液、淀粉/壳聚糖共混薄膜的抗菌活性，发现溶液的抗菌活性非常明显，清晰的观察到抑菌圈，相比之下，薄膜周围的抑菌圈很微弱。,壳聚糖抗菌剂,壳聚糖是甲壳素（Chitin）脱乙酰基后的衍生物（参见图 1-3），是自然界中唯一带正电荷的氨基多糖，化学名称为(1, 4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡聚糖。壳聚糖（甲壳素）在自然界中含量丰富，且制备工艺简单，具有良好的生理活性，已广泛应用于医学、化工、食品、化妆品、农业、环保等各个领域,壳聚糖的制备,1979年，Allan首次发现壳聚糖具有广谱抗菌活性63，之后人们对其抗菌活性进行了广泛的研究53, 6
14、4-66，发现在液体培养中，壳聚糖对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度（MIC）为20 mg/Kg，对霉菌的MIC为100 mg/Kg。Prashanth等人（2007）62和Chung等人（2008）67对壳聚糖的抗菌机理进行了阐述，指出壳聚糖C2位带正电的质子化铵-NH3+是其抗菌的主要活性部位。另一方面，研究者也对其抗菌活性的影响因素进行了研究。Yang 等人（2005）68研究指出，壳聚糖的抗菌活性随着脱乙酰度的提高而提高。Zheng等人（2003）69研究指出，由于壳聚糖对微生物的抑菌机理不同，对于革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌），壳聚糖分子量越大，抗菌活性越大；而对于革兰氏阴性菌
15、（大肠杆菌），其抗菌活性随着壳聚糖分子量的增大而减弱。Tokura 等人（1994）70研究指出，分子量在 10,000 到100,000 之间的壳聚糖能够抑制大肠杆菌的生长繁殖，而分子量为 2200 的壳寡糖会促进其生长繁殖。此外壳聚糖还具有良好的成膜特性，但力学性能不强，Park等人（2002）71将壳聚糖在四种有机酸溶剂中流涎成膜，发现在乙酸溶液中成膜时，材料的拉伸强度最大（150.2 MPa），断裂伸长率为4.1%，水蒸气透过率为0.310-9 gm/m2sPa。壳聚糖的耐热性不高，分解温度为180C。,Li 等人（2002）73将壳聚糖经羧甲基化改性后，与纤维素共混制膜，发现羧甲基后
16、壳聚糖的水溶性增强，在液体培养基中检验其抗菌活性，发现材料中含有 2%的羧甲基壳聚糖即能显著抑制大肠杆菌的滋生。Moller 等人（2004）74将壳聚糖与羟丙基甲基纤维素共混制膜，发现能够显著抑制李斯特菌的生长，但是将两者交联后，抗菌活性消失。Pranoto等人（2005）75利用壳聚糖做基材，向其中加入香精油、山梨酸钾和细菌素来加强其抗菌活性，发现由于壳聚糖基材的抗菌活性不高，而加入其他抗菌剂后，可以显著提高抗菌活性，且对壳聚糖薄膜各项性能的影响不大。Li 等人（2006）76将葡甘露聚糖和细菌素加入到壳聚糖材中，利用琼脂培养基法研究其抗菌活性，发现材料对常见的食品微生物具有良好的抗菌活性
17、，抑菌圈非常明显。Kanatt 等人（2008）77将壳聚糖与葡萄糖共混制膜，用于包装羊肉制品，发现其对微生物的抑菌活性很高，可以将保质期提高到 28 天。Joerger等人（2009）78将壳聚糖涂膜在表面改性的乙烯基共聚材料上，用于包装火鸡肉，在4C环境中储藏 12天后，发现大肠杆菌的数量降低5 log CFU/mL，李斯特菌的数量降低23 og CFU/mL。Tripathi 等人（2010）79利用壳聚糖/聚乙烯醇/果胶共混制备三层复合材料，研究了抗菌活性，发现其对食品中的致病菌，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽胞杆菌等均有良好的抗菌活性。,淀粉/壳聚糖抗菌活性包装材料,Zhai等人
18、（2004）83利用热压成型法制备淀粉/壳聚糖共混材料，结果表明淀粉和壳聚糖分子之间可以通过氢键相互作用，增加相容性，但微相分离仍不可避免；加入20%壳聚糖后，材料的拉伸强度提高了20%，达到42 MPa；而加入5%壳聚糖后，共混材料即具备显著抗菌活性。Suzuki等人（2005）84将壳聚糖与直链淀粉共混流涎制膜，发现壳聚糖在10%的添加量下，由于淀粉与壳聚糖分子间氢键的作用，共混薄膜的力学性能和抗菌活性均高于各自单独成膜。Xu等人（2005）85以壳聚糖为基材，向其中加入蜡玉米淀粉和普通玉米淀粉，发现加入普通玉米淀粉后薄膜的拉伸强度（42.25 MPa）高于蜡玉米淀粉（33.69 MPa）
19、，这是因为前者中含有链状的直链淀粉，能与壳聚糖形成更多的氢键。Durango等人（2006）86将壳聚糖和山药淀粉共混铺膜，研究了薄膜的抗菌活性，发现共混薄膜的抗菌活性不如纯壳聚糖膜，但添加5%的壳聚糖后，共混薄膜的抗菌活性和纯壳聚糖膜相差不大。Bangyekan等人（2006）87将壳聚糖涂膜在木薯淀粉薄膜的表面，发现壳聚糖会与淀粉分子以氢键结合，使淀粉的结晶发生改变，同时也会增加拉伸模量至750 MPa，而壳聚糖疏水性的乙酰基又降低淀粉膜的透湿性。,Chillo等人（2008）51将壳聚糖和甘油加入到木薯淀粉可食性膜中，对比两种物质对材料力学性能和阻隔性能的影响，发现壳聚糖能够提高淀粉膜的
20、玻璃化转变温度，提高薄膜的阻水性能，而甘油具有相反的效应。在加入1%的壳聚糖和0.5%的甘油后，薄膜的玻璃化转变温度最高（67C），拉伸强度为192 MPa。Mathew等人（2008）88将阿魏酸加入到淀粉/壳聚糖共混薄膜中，制备可食性膜或包覆膜，在最适添加量下材料的拉伸强度为62.71 MPa，断裂伸长率为21.6%，阻氧性能也随着阿魏酸的加入而提高。 国内的学者也对淀粉/壳聚糖共混抗菌材料进行了研究。聂柳慧（2005）89、钟秋平（2006）90、薛琼（2009）91等研究了淀粉/壳聚糖共混材料的界面性能、机械性能和阻隔性能，研究表明，增加壳聚糖添加量会提高材料的拉伸强度，这是因为壳聚糖
21、本身具有一定的粘度，与淀粉分子链之间有充分的物理交联，而且壳聚糖分子中有许多游离的氨基、羟基，能与淀粉分子中的羟基形成氢键，增加共混材料的力学性能。此外，田春美等（2008）92研究了原淀粉/壳聚糖共混膜的抗菌性，表明材料具有一定的抗菌活性。,聚乳酸,聚乳酸（poly(lactic acid) or polylactide，PLA），也称作聚丙交酯，是以玉米、小麦、木薯等淀粉为原料，经过酶分解得到葡萄糖，再经过乳酸菌发酵后变成乳酸，最后经过化学合成得到的生物降解热塑性聚酯，降解后只产生的CO2和水，能够满足可持续发展的要求。聚乳酸材料的拉伸强度可以与石油基材料相媲美，热封温度低，防油，防水，气
22、体阻隔性能良好，可以作为优良的食品包装材料,聚乳酸是一种疏水性物质，会影响亲水性抗菌剂的溶出释放，因此将抗菌剂直接加入到聚乳酸中，抗菌剂无法释放到食品表面，仅通过与微生物接触产生抗菌活性，抗菌活性不强，在食品抗菌活性包装材料中的应用有限。Sebastien等人（2006）通过溶液共混法和涂膜法制备了聚乳酸/壳聚糖共混抗菌薄膜，发现采用涂膜法得到的薄膜抗菌活性强，而溶液共混法会使壳聚糖在聚乳酸中的分散不均匀，被包埋在材料内部，抗菌活性不高。为了解决抗菌剂的释放问题，前人通过向聚乳酸基材中加入亲水性物质，来改变材料的亲疏水性，使抗菌剂缓慢释放，从而产生抗菌活性。Liu等人（2007）将聚乳酸和果胶共混挤出，并加入细菌素，发现果胶的加入会导致基材表面粗糙，内部不连续，材料的亲水性加强。用琼脂培养基检测材料对李斯特菌的抗菌活性，发现加入果胶后，抑菌圈直径达到2.4 cm。Jin等人（2009）将聚乳酸、果胶和细菌素共混挤出后，用于肉汤、蛋清液和橙汁的包装，发现加入果胶后，细菌素的溶出明显加快，对李斯特菌的抗菌活性非常显著。,
