基于壳聚糖-肉桂醛希夫碱的pH响应型抗菌膜在冰鲜羊肉保鲜中的应用与性能研究

本研究针对冰鲜羊肉冷藏过程中微生物滋生导致的保质期短、品质下降问题，开发了一种基于壳聚糖-肉桂醛希夫碱(CS-CIN SB)的智能pH响应型抗菌膜。通过希夫碱反应构建酸敏感亚胺键，实现了肉桂醛的控释释放。该膜具有良好的机械性能、热稳定性和抗菌活性，能将冰鲜羊肉的保鲜期延长4天，为肉类智能包装提供了创新解决方案。

　　

随着动物疾病增多和消费模式变化，冰鲜肉逐渐成为肉类市场的主流选择。然而，冰鲜肉在低温环境下并不能完全抑制微生物生长，导致保质期缩短，商业流通面临挑战。传统保鲜方法虽然能延长贮存时间，但合成化学添加剂的使用引发消费者健康担忧。近年来，天然防腐剂受到越来越多的关注，其中肉桂醛作为一种重要的天然防腐成分，被美国FDA和FEMA列为安全食品添加剂，在肉类保鲜中展现出应用潜力。

肉桂醛虽然抗菌效果好，但存在易挥发、不稳定的缺点。常规包埋技术如微胶囊化缺乏根据需求调控活性成分释放的能力，释放过程与食品质量或包装环境变化无关，导致活性成分快速耗尽，抗菌效率下降。因此，确保肉桂醛的稳定性并建立其释放特性与肉类保鲜需求之间的关联，对实现冰鲜肉高效保鲜至关重要。

冰鲜羊肉在贮藏过程中会产生酸性微环境，这为开发智能响应型包装提供了思路。希夫碱结构(亚胺键C=N)在中性和碱性条件下稳定，但在酸性环境中容易发生水解。羊肉代谢释放的水和CO₂导致顶空微环境pH变化，可作为抗菌物质控释递送的指示信号。

在这项发表于《Future Foods》的研究中，研究人员针对冰鲜羊肉保鲜的挑战，开发了一种基于壳聚糖-肉桂醛希夫碱的pH敏感抗菌膜。他们通过希夫碱反应在壳聚糖和肉桂醛之间形成亚胺键，制备了具有pH响应特性的抗菌膜材料，并系统评估了其物理化学特性、抗菌活性和保鲜效果。

研究人员采用的主要技术方法包括：希夫碱合成与表征技术（元素分析、傅里叶变换红外光谱）、薄膜制备与性能测试（力学性能、水蒸气透过率、接触角测定）、释放动力学研究（紫外分光光度法）、抗菌活性评估（琼脂扩散法），以及保鲜效果综合评价（低场核磁共振、磁共振成像、理化指标分析和挥发性成分检测）。实验使用的冰鲜羊肉样本购自济南全福生活广场。

3.1. 壳聚糖-肉桂醛希夫碱薄膜的抑制效果

研究人员通过琼脂扩散法评估了CS-CIN SB对冰鲜羊肉中主要腐败菌的抑制效果。结果表明，CS-CIN SB对假单胞菌(Pseudomonas psychrophila)、热死丝菌(Brochothrix thermosphacta)、巨球菌(Macrococcus caseolyticus)、不动杆菌(Acinetobacter)和嗜冷杆菌(Psychrobacter cibarius)均具有明显抑制作用。当希夫碱浓度为0.75%时，观察到最大的抑菌圈直径，表明在此浓度下CS-CIN SB具有最显著的细菌抑制效果。

3.2. CS-CIN SB在pH缓冲液中肉桂醛的释放量

释放动力学研究表明，CS-CIN SB中的酸敏感亚胺键对不同pH条件表现出差异化的释放特性。在pH 3条件下，1.5小时内释放量超过80%；在弱酸性环境pH 5下，1.5小时内达到总释放量的62%，96小时后达到87%。这种pH响应释放特性使CS-CIN SB能够适应冰鲜羊肉包装中酸性微环境的变化，实现抗菌剂的动态调控释放。

3.3. 薄膜的物理性能

物理性能测试显示，添加肉桂醛和壳聚糖-肉桂醛希夫碱使薄膜厚度从0.10mm显著增加至0.15mm。CIN薄膜的拉伸强度最高，这归因于肉桂醛苯环的刚性结构。CS-CIN SB的水蒸气透过率值为3.14×10^–11 g m^–1 s^–1 Pa^–1

扫描电镜分析显示，CS薄膜具有致密规则的连续基质结构，而加入肉桂醛后，CIN和CS-CIN SB形成了粗糙的微观结构，表明肉桂醛的加入改变了薄膜的形态特征。

3.4. 薄膜表征

傅里叶变换红外光谱在CS-CIN SB的1634 cm^–1处出现了C=N伸缩振动峰，证实了亚胺基团的形成。X射线衍射分析表明，希夫碱修饰后CS-CIN SB在2θ=20°处的衍射峰出现不规则宽化和强度减弱，表明希夫碱反应减少了壳聚糖链段中游离氨基的数量，破坏了分子有序性和结晶状态。

热重分析显示CS-CIN SB具有较高的耐热性，当质量损失50%时，CS、CIN和CS-CIN SB的降解温度分别为315、323和325°C，表明肉桂醛和壳聚糖-肉桂醛希夫碱的加入提高了薄膜的降解温度。

3.4. 通过LF-NMR分析不同保鲜膜贮藏条件下冰鲜鲜羊肉的弛豫特性

低场核磁共振分析揭示了不同薄膜包装下羊肉中水分状态的变化。弛豫时间T₂分析显示三个峰：T_2b(结合水，0-10ms)、T₂₁(流动性受限水，10-100ms)和T₂₂(自由水，100-1000ms)。在整个贮藏期间，CS-CIN SB包装的羊肉样品始终保持较高的不易流动水含量，表明CS-CIN SB通过缓释作用抑制了微生物并保护了肌肉纤维。

磁共振成像结果进一步证实，CS-CIN SB包装的羊肉样品在每个采样时间点都比CK包装的样品具有更高的水分含量，这表明基于壳聚糖-肉桂醛希夫碱的抗菌膜有效延迟了水分迁移，增强了保水性。不同薄膜的保水性顺序为：CS-CIN SB > CIN > CS > CK。

3.6. CS-CIN SB包裹羊肉的保鲜性能评价

3.6.1. 外观和颜色

颜色参数监测显示，L值(亮度)总体呈下降趋势，但CS-CIN SB包装的羊肉样品下降趋势最慢。a值(红度)在13天贮藏期间逐渐下降，到第13天，CS-CIN SB包装的羊肉样品的a值与CK包装的样品存在极显著差异(p<0.01)。b值(黄度)在所有四组样品中随时间持续增加，CK组的b*值在第13天达到13.70，为贮藏期间的最高值。

3.6.2. pH值

pH监测结果表明，CS-CIN SB包装的羊肉样品pH值上升最慢。到第11天，CS、CIN和CK SB包装的羊肉样品符合二级鲜肉标准，而CS-CIN SB包装的羊肉样品pH为6.06，符合一级鲜肉标准。即使对照样品在第13天达到腐败阈值(pH=6.65)，CS-CIN SB包装的羊肉样品仍处于二级鲜肉范畴(pH=6.24)，与其他三组样品存在显著差异(p<0.01)。

3.6.3. TBARS

硫代巴比妥酸反应物(TBARS)值随时间逐渐增加。在整个贮藏期间，CS-CIN SB包装的羊肉样品始终保持最低的TBARS值。到第13天，CS-CIN SB包装的羊肉样品的TBARS值比CK包装的样品低0.225 mg/kg (p<0.01)，表明4°C贮藏降低了脂质氧化速率。

3.6.4. TVB-N

挥发性盐基氮(TVB-N)监测显示，所有样品的TVB-N值随时间逐渐增加。CS、CIN和CS-CIN SB包装的样品都在第13天才出现腐败，比CK包装的样品延长了4天。其中CS-CIN SB包装的羊肉样品在延缓蛋白质降解方面效果最好，保鲜效果最佳。

3.6.5. TVC

菌落总数积累随着贮藏时间延长而增加。到第5天，CK包装的羊肉样品菌落总数达到6.45 log₁₀ CFU/g，超过最低要求；CS和CIN包装的样品在第9天超过该阈值；而CS-CIN SB包装的羊肉样品在整个贮藏期间始终保持最低的菌落总数，将羊肉的保质期延长至13天。

3.6.6. 挥发性风味化合物

挥发性成分分析表明，新鲜羊肉中的主要挥发性物质是醛类、醇类和酯类。随着贮藏时间延长，CK、CS、CIN、CS-CIN SB包装的羊肉样品中醛类和醇类(除香茅醇外)含量增加，酯类含量先增加后减少。在贮藏结束时，CS-CIN SB包装的羊肉样品中醛类和醇类的浓度低于CK、CS、CIN包装的样品，表明CS-CIN SB有助于防止羊肉风味劣变。

本研究成功开发了一种基于壳聚糖-肉桂醛的pH响应释放型抗菌膜。肉桂醛的加入显著提高了CS-CIN SB的机械强度和热稳定性。所制备的CS-CIN SB成功克服了挥发性且不稳定的肉桂醛的限制，表现出对pH变化的敏感性以实现控释。研究监测了CS-CIN SB包装的羊肉在4°C下贮藏13天的新鲜度，发现CS-CIN SB表现出强大的保鲜能力。该膜有效抑制了腐败菌的生长，减少了冰鲜羊肉的汁液损失，保持了肉类的颜色和外观。同时，它减缓了羊肉pH和TVB-N的上升，将羊肉的新鲜度延长了约4天。释放特性与冰鲜羊肉的保鲜要求相一致，为开发高效抗菌膜提供了一种简单而有前景的方法。

这项研究的重要意义在于开发了一种智能响应型食品包装材料，能够根据食品的实际状态动态释放抗菌成分，解决了传统抗菌包装中活性成分过早耗尽的问题。通过利用食品本身在腐败过程中产生的酸性环境作为触发信号，实现了抗菌剂的按需释放，提高了保鲜效率的同时减少了抗菌剂的使用量。这种创新设计理念为食品保鲜领域提供了新思路，特别是在生鲜肉制品保鲜方面具有重要的应用价值。