综述：微生物介导的生物聚合物（胞外多糖）在食品包装中的应用：当前食品安全策略

《ACS Food Science & Technology》：Microbial-Mediated Biopolymers (Exopolysaccharide) in Food Packaging: A Current Time Approach in Food Safety

本文综述了微生物胞外多糖（EPS）作为新型食品包装材料的应用潜力。重点阐述了EPS（由乳酸菌、芽孢杆菌等产生）的抗氧化、抗菌特性及其在乳制品、肉类等行业的包装创新，涉及代谢工程（如galU、pgmU基因）和纳米复合（如Ag、TiO2）技术，同时指出其商业化仍面临法规挑战。

　　

微生物胞外多糖：食品包装的绿色革命

在食品安全问题日益受到关注的今天，食品包装扮演着至关重要的角色。令人震惊的是，超过50%的食品浪费源于不恰当的包装。因此，开发新型、高效且环保的包装材料已成为当务之急。微生物来源的生物聚合物——胞外多糖（Exopolysaccharides, EPSs），以其独特的生物相容性、无毒性和卓越的功能特性，正引领着一场食品包装领域的绿色革命。

什么是胞外多糖？

胞外多糖（EPSs）是微生物在生长代谢过程中分泌到细胞外的高分子聚合物，其分子量范围通常在10至10,000 kDa之间。这类生物聚合物不仅安全无毒，还具有可生物降解的环保特性，符合可持续发展的要求。更重要的是，EPSs展现出多种生物活性，包括抗氧化、抗菌以及潜在的益生元功能，这使其在食品保鲜方面具有天然优势。

EPSs的生产者与功能特性

自然界中多种微生物都是EPSs的优秀生产者。在食品工业中备受关注的菌株包括Lactobacillus（乳酸杆菌）、Lactococcus（乳酸球菌）、Streptococcus（链球菌）、Bifidobacterium（双歧杆菌）、Bacillus（芽孢杆菌）以及Weissella（魏斯氏菌）等。这些微生物产生的EPSs具备卓越的成膜性和流变学特性，例如高粘度、弹性和凝胶形成能力。这些特性是它们能够作为包装材料的基础。

EPSs在食品包装中的应用形式

基于其特性，EPSs在食品包装中的应用主要体现在三个方面：

1. 1.
   可食性包装膜：利用EPSs的成膜性，可以直接在食品表面形成一层透明的、可食用的保护膜，有效阻隔氧气和水分，延长食品货架期。
2. 2.
   结构添加剂：将EPSs添加到其他包装材料中，可以改善材料的机械强度和韧性。
3. 3.
   功能性包装：利用EPSs自身的抗菌抗氧化活性，开发出具有主动保鲜功能的智能包装，应用于乳制品、肉类、烘焙食品和饮料等多个行业。

凝胶特性与机械强度

EPSs的凝胶行为对其包装性能至关重要。以结冷胶（gellan gum）和黄原胶（xanthan）为例，在凝胶形成过程中，其储能模量（G’）会超过损耗模量（G”），这表明形成了坚固的弹性凝胶网络结构，从而显著提升了包装材料的机械强度。

代谢工程提升EPSs产量

为了进一步提高EPSs的产量，科学家们采用了代谢工程策略。EPS的生物合成途径中，关键的前体物质是UDP-葡萄糖。两个关键基因——pgmU和galU——在此途径中发挥着核心作用。pgmU基因负责将葡萄糖-6P转化为UDP-葡萄糖，而galU基因编码的磷酸化酶则能将葡萄糖-1P转化为UDP-葡萄糖。通过过表达galU和pgmU基因，可以有效增强UDP-葡萄糖的合成，从而从源头上提高EPSs的产量。

纳米复合材料增强性能

为了进一步提升EPSs包装材料的性能，尤其是抗菌性能，研究者们尝试将EPSs与纳米材料进行复合。例如，将银（Ag）、二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）或壳聚糖纳米颗粒与EPSs结合，可以显著增强复合材料对常见食源性致病菌（如Escherichia coli（大肠杆菌）和Staphylococcus aureus（金黄色葡萄球菌））的抑制作用，同时也能改善材料的流变学特性。

挑战与前景

尽管微生物胞外多糖在食品包装中展现出巨大的应用潜力，但其全面的商业化仍然面临挑战。最主要的障碍来自于不同国家和地区对新型食品接触材料的法规和安全性评估要求存在差异。然而，随着研究的深入和技术的进步，EPSs作为一种可再生、可降解、功能多样的生物聚合物，无疑是未来食品包装材料发展的重要方向之一，为实现食品安全与环境保护的双重目标提供了充满希望的解决方案。