含有精油的花生蛋白-琼脂可食用薄膜的特性分析及其在食品包装中的抗菌性能提升

《ACS Omega》：Characterization and Antimicrobial Enhancement of Pea Protein–Agar Edible Films Incorporating Essential Oils for Food Packaging

可食用薄膜开发及其在食品保鲜中的应用。本研究通过将不同浓度（1-5%）的百里香、尤加利、柠檬和Niaouli精油添加到豌豆蛋白-琼脂基可食用薄膜中，系统评估了其抗菌活性、机械性能和保鲜效果。结果表明，3%百里香精油薄膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和黑曲霉的抑菌圈分别为2.7cm、2.25cm和2.20cm，抑菌效果达15倍；5%百里香精油涂层使草莓的微生物总数降低1000倍，并有效维持pH和颜色稳定性。该研究证实了天然精油复合薄膜在食品保鲜中的潜力，为开发绿色包装材料提供了新思路。

　　随着全球对塑料污染问题的关注不断加深，食品包装行业正积极寻求可持续替代方案。其中，可食用薄膜因其生物可降解性、环境友好性和对食品品质与安全性的潜在提升，成为研究热点。本研究聚焦于利用豌豆蛋白和琼脂作为基础材料，结合不同种类的天然精油（如桉树油、百里香油、柠檬油和尼亚欧利油），以增强薄膜的抗菌性能。研究发现，当薄膜中加入2%的百里香油或尼亚欧利油时，能够有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长；而3%的百里香油不仅对细菌有显著抑制作用，还表现出对霉菌，如黑曲霉的抗性。在所有测试的精油中，3%百里香油的抗菌效果最强，其抑制区直径可达2.7厘米。在为期10天的储存过程中，酵母和霉菌的数量减少了超过1000倍，而细菌数量则减少了15倍。这表明，百里香油增强的豌豆蛋白-琼脂薄膜在延长易腐食品保质期方面具有巨大潜力。

可食用薄膜在食品包装中的重要性不仅体现在其抗菌性能上，还在于其物理和机械性能对实际应用的影响。在初步筛选实验中，研究者通过不同的配方测试了薄膜的形成效果。结果显示，含有琼脂、明胶、阿拉伯胶、豌豆蛋白和马铃薯淀粉的配方能够形成透明且柔韧的薄膜，而不含琼脂或未使用适当添加剂的配方则难以形成合适的薄膜。此外，研究还发现，使用甘油或山梨醇作为增塑剂的配方中，含有豌豆蛋白的薄膜表现出不同的特性，如透明度和柔韧性，但部分配方由于材料比例不当或处理条件不合适，未能成功形成薄膜。因此，最终选择了含有0.15克（按100毫升水计算）豌豆蛋白和0.85克琼脂的配方，不添加任何增塑剂，以确保薄膜的均匀性和可操作性。

在薄膜的热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）测试中，研究发现这些薄膜的玻璃化转变温度（Tg）约为73°C。这意味着在常规冷藏温度（4-8°C）下，薄膜处于玻璃态，保持了较高的机械强度和结构稳定性。而在更高的温度下，薄膜会变得柔软且更具延展性。这种特性对于包装材料来说具有重要意义，因为它们需要在不同的环境条件下保持性能。然而，由于薄膜结构较为脆弱，动态机械分析（DMA）无法进行，这提示在实际应用中可能需要进一步优化薄膜的结构以提高其机械性能。

在抗菌性能方面，研究发现不同浓度的精油对薄膜的影响各异。其中，百里香油在所有测试的精油中表现最为突出，尤其在3%浓度时，不仅对细菌具有显著的抗菌效果，还对霉菌表现出较强的抑制能力。而尼亚欧利油在2%浓度时对金黄色葡萄球菌表现出一定的抗菌活性，但对其他微生物效果有限。此外，研究还发现，尽管浓度与抗菌效果之间并非完全正相关，但较高的浓度往往能够带来更显著的抗菌效果，尤其是在对抗霉菌方面。这些发现为开发具有抗菌功能的可食用薄膜提供了重要的参考依据。

在薄膜的吸水性测试中，研究者评估了不同精油浓度的薄膜在水和15%盐水中的吸水行为。结果显示，含有5%百里香油的薄膜在盐水中表现出最低的吸水性，甚至出现了轻微的重量损失，这可能与盐水环境对薄膜结构的破坏有关。相比之下，含有2%尼亚欧利油的薄膜在吸水过程中表现出较高的吸水率，这表明其结构较为疏松。此外，随着精油浓度的增加，薄膜的吸水行为呈现一定的波动，可能与精油的化学性质和薄膜结构的变化有关。这些数据对于理解薄膜在不同环境下的行为具有重要意义，尤其是在食品包装领域，薄膜的吸水性可能会影响其对水分和气体的阻隔能力。

在颜色分析方面，研究者使用Minolta CR-400色差计测量了薄膜的L*、a*和b*参数。L*值代表颜色的明暗程度，a*值表示红紫色的变化，而b*值则与黄色有关。结果显示，随着百里香油浓度的增加，薄膜的颜色逐渐变黄，其中4%浓度的百里香油薄膜表现出最明显的黄色。相比之下，2%浓度的尼亚欧利油薄膜颜色较浅，更接近透明。这些颜色变化不仅影响薄膜的外观，还可能影响消费者对产品的感知。因此，在设计抗菌可食用薄膜时，颜色的变化也需要被纳入考量。

为了进一步验证这些薄膜的实际应用效果，研究者将其应用于草莓的包装。草莓是易受霉菌污染的水果，因此选择5%百里香油作为实验对象。实验结果表明，经过百里香油薄膜处理的草莓在储存期间表现出显著的微生物抑制效果，特别是在第九天时，霉菌和酵母的数量分别减少了约1000倍和15倍。此外，处理后的草莓在pH值和颜色方面也表现出更好的稳定性，这说明薄膜不仅能够延长草莓的保质期，还能在一定程度上保持其原有的感官品质。这种应用效果为可食用薄膜在食品保鲜领域的推广提供了有力的支持。

本研究的结论表明，以豌豆蛋白和琼脂为基础的可食用薄膜，尤其是加入百里香油的配方，是一种具有广泛应用前景的可持续包装材料。这些薄膜不仅具备良好的抗菌性能，还能够有效延长易腐食品的保质期，同时在物理和机械性能上表现出一定的适应性。然而，为了进一步提升其性能，还需要对薄膜的结构进行优化，例如通过交联技术或引入复合材料。此外，研究还指出，某些其他成分，如碳点、聚乙烯醇和羧甲基纤维素，可能为未来的薄膜开发提供新的思路。这些研究成果为食品包装行业提供了一种更加环保且功能性强的替代方案，有助于减少传统塑料包装对环境的负面影响。