基于乳酸链球菌素（Nisin）的可食性膜与涂膜活性食品包装：材料设计、控制释放与保鲜效能

《Materials Today Communications》：Nisin-Based Edible Films and Coatings for Active Food Packaging: Material Design and Preservation

　　

对更安全食品保鲜策略的兴趣增长以及减少对传统塑料包装依赖的需求，促进了含天然抗菌剂的可食性膜与涂膜的发展。可食性膜（edible films）为预先成型并置于食品表面或周围的结构，而可食性涂膜（edible coatings）以液体配方施用于食品表面并直接形成保护层。乳酸链球菌素（nisin，NS）是由乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）产生的一种细菌素（bacteriocin），因对革兰氏阳性食源性及腐败菌具有活性而受到特别关注。本综述考察NS在蛋白基和多糖基膜与涂膜中的掺入，并评价基质组成、分子相互作用、附加活性剂及贮藏条件如何影响其在水果、蔬菜、奶酪、肉、海产品及蛋制品中的释放和保鲜性能。已报道的受控真实食品实验显示，在选定的包装条件下，NS涂膜可使水果上单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）立即降低约1.1-1.75 log CFU/g，冷熏鱼上降低约3.5-3.7 log。其他配方在约12-20天内维持微生物或感官可接受性，但这些结果随食品、NS浓度和贮藏条件而变化。若干最大改善来自含精油、聚赖氨酸、纳他霉素、植物提取物、有机酸或纳米颗粒的多组分配方；因此，其抗菌、抗真菌或抗氧化效应不能完全归因于NS。在一些研究中，NS仅提供轻微益处，或相对于载体配方无显著改善。实验室和食品模拟物研究进一步表明，聚合物组成、电荷、交联和多层结构可影响NS的保留和释放，但这些发现需在复杂食品体系中确认。总体而言，基于NS的膜与涂膜在针对易感细菌的表面控制方面具有潜力，但在更广泛商业应用前，仍需标准化测试、适当的组分对照、真实食品验证、安全性和感官评价以及中试规模评估。

研究背景与问题：全球每年约13亿吨食物被浪费，包装在维持食品品质、减少微生物污染和物理损伤及阻隔氧气和光照方面具有重要作用。传统石油基塑料因成本低和力学性能好而被广泛使用，但其不可降解、回收性有限，且某些化学物质向食品迁移引发安全担忧。果蔬采后损失约40-50%，与呼吸、失水、质地变化和微生物腐败有关；合成化学保鲜剂还存在残留毒性、环境持久性和健康风险。可食性膜（edible films）和可食性涂膜（edible coatings）由多糖、蛋白和脂质等生物聚合物制备，可调节水分和气体交换、减少微生物污染和氧化，但通常补充而非完全替代传统包装。NS是由乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）产生的细菌素（bacteriocin），对革兰氏阳性食源性病原尤其单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）有效；直接添加受pH、温度、食品组成和基质相互作用影响，难以持续抗菌。将NS嵌入膜或涂膜可使其定位于食品界面，但现有研究在生物聚合物基质、抗菌组合、膜结构和食品应用上结果不一，因此需要综合评估其功能性质、释放特征、保鲜效能及稳定性、规模化和成本问题。

研究内容与意义：研究人员对NS基可食性膜与涂膜的最新进展进行叙述性综述，重点评述其应用、性能、挑战和前景。总体结论是，此类体系对易感细菌的表面靶向控制具有潜力，但NS并非普遍有效防腐剂；其特异性贡献需通过同一载体不含NS的对照及多组分体系中单活性组分对照确认。真实食品验证、标准化测试、安全性和感官评价及中试评价是商业转化前提。

方法概述：本研究为叙述性综述。研究人员检索Scopus、ScienceDirect和Google Scholar，以“nisin”“nisin packaging”“nisin active packaging”“nisin antimicrobial packaging”“nisin polymer film”“nisin edible film”“nisin coating”“nisin food preservation”等关键词及AND/OR布尔组合筛选2000—2026年英文文献，检索覆盖更新至2026年8月；先据题名和摘要初筛，必要时阅读全文判断相关性，仅纳入将NS掺入可食性膜或食品涂膜并开展应用讨论的研究，排除仅向食品直接添加NS而无膜或涂膜组分者；最终讨论24项主要食品应用研究，并以基础与支持性文献提供背景。无样本队列来源。

研究结果：
2. 乳酸链球菌素的优势与局限：NS是核糖体合成的A型羊毛硫抗生素（lantibiotic），含五个羊毛硫氨酸环，对单核细胞增生李斯特菌、肉毒梭菌（Clostridium botulinum）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等革兰氏阳性菌有杀菌活性，对革兰氏阴性菌活性较低。其机制为结合脂质II（lipid II）抑制细胞壁合成并形成膜孔，导致离子、氨基酸和ATP泄漏及质子动力势崩溃；活性受膜组成和电荷、脂质II可及性、细胞能量状态及pH影响，高pH易聚集降低活性，酸性条件下更稳定。应用还受成本及各国法规差异影响；美国将NS制剂在特定巴氏杀菌奶酪中列为GRAS且成品不超过250 ppm，欧盟授权为E234，联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会（FAO/WHO JECFA）维持NS A的每日允许摄入量（ADI）0-2 mg/kg body weight。

3. 基于NS的可食性膜与涂膜
3.1 果蔬保鲜：鲜切胡萝卜乳酸/壳聚糖（chitosan，CS）/NS/ε-聚赖氨酸（ε-polylysine，ε-PL）涂膜在4℃9天降低呼吸和微生物、延缓抗坏血酸降解、提高总酚并抑制白化及木质素合成，但NS单独贡献未分离。CS/NS/SiO₂蓝莓涂膜8天改善失重、腐烂和亮度，NS较CS/SiO₂仅轻微增加抗菌。明胶/CS/NS/玉米淀粉三层膜中0.1% NS未显著改变力学和水蒸气透过率（water vapour permeability，WVP），释放符合Fick第二定律且3%乙酸中扩散系数最低；樱桃番茄20天保硬延菌，但缺无NS三层膜食品对照。玉米醇溶蛋白（zein）/蜂蜡/NS涂膜使油桃和苹果单核细胞增生李斯特菌即降约1.1-1.3和至1.75 log CFU/g，贮藏中持续优于石油基蜡但抗真菌有限。zein/NS苹果21天降低需氧嗜温菌，但与zein无显著差异，对酵母霉菌抑制最强，不证明NS直接抗真菌。蛋清/蛋黄/羧化纤维素纳米纤维/NS涂膜使香蕉和樱桃番茄外观维持至11天，完整配方抑金黄色葡萄球菌强于大肠杆菌（Escherichia coli），并抑青霉和黑曲霉，但无法归因NS且未测释放。

3.2 奶酪保鲜：半乳甘露聚糖/NS涂膜 Ricotta 奶酪4℃28天提高力学性能、降低失重，前14天降低单核细胞增生李斯特菌后恢复，呈抑菌作用。CS/淀粉/山茱萸果提取物/松针精油/NS奶酪25天中，含NS涂膜降低需氧平板菌数但不防酵母霉菌，山茱萸果提取物和松针精油更佳，抗菌归因酚类。木薯淀粉/纳他霉素（natamycin，NA）/NS膜 Port Salut 奶酪7±1℃抑制酵母霉菌、延缓嗜冷菌从约5至15天，表面试验对 innocua 李斯特菌初始杀菌至144小时且最终低约4 log；未量化释放且缺单活性对照。木薯淀粉/zein/NA/NS切达切片12℃6周中NS增塑、NA增刚性，NA+NS约7-log降微生物并抑酵母霉菌和凝固酶阳性葡萄球菌，无大肠菌群、李斯特菌或沙门菌，感官保持，延长微生物货架期至多3周，但组合不能归因NS。

3.3 肉、海产品及蛋制品保鲜：海藻酸钙/NS和琼脂/NS鸡皮膜抑制沙门菌，海藻酸钙高NS 72小时、琼脂低NS 96小时，4℃不减弱。海藻酸钠（sodium alginate，SG）/NS/肉桂精油/迷迭香精油鸡胸15天降低微生物，双精油组合最强并延长货架期。荞麦多糖/NS罗非鱼4℃降低硫代巴比妥酸值、总挥发性盐基氮（TVB-N）和总活菌数，货架期由4至10天。木薯淀粉/NS巴丁鱼4±1℃16天中2000 IU/mL维持低菌至16天，1000 IU/mL至8天，500 IU/mL第8天超限；2000 IU/mL保持新鲜至12天且TVB-N最低。zein/NS/柠檬草精油冷熏杂交条纹鲈4℃聚氯乙烯（PVC）14天或真空42天中，NS处理单核细胞增生李斯特菌总降3.5和3.7 log，柠檬草精油为2.5和1.7 log。八角精油/聚赖氨酸/NS纳米乳Yao肉中纳米乳最低抑菌浓度最低，抑大肠杆菌、货架期16天且感官好。CS/明胶/葡萄籽提取物（grape seed extract，GSE）/NS猪肉4℃20天中CS/明胶/GSE最佳降pH变化和脂质、蛋白氧化并保色，加NS未显著增强。CS/丁香精油/NS猪饼4℃中CS/丁香精油/NS总体最强，货架期对照6天、CS和CS/NS 9天、CS/丁香精油和CS/丁香精油/NS 12天，NS未超过CS/丁香精油。SG/肉桂精油纳米胶囊/NS牛肉4℃15天联合最佳，降pH波动、TVB-N、失水和细菌并保质地感官。SG/ Ferulago angulata Boiss精油/NS/NaCl鸡胸4℃中20 mg/mL精油+1000 IU/mL NS+2% NaCl最佳，抑多种菌并降pH、TVB-N、过氧化值和硫代巴比妥酸反应物。海藻酸钠/小檗果提取物/NS/肉桂醛鸡胸4℃9天中小檗果提取物+海藻酸钠+NS+肉桂醛最慢达7 log（第9天对第6天），总嗜温菌低约2 log，假单胞菌、乳酸菌、酵母霉菌分别降约1.0、1.73、1.43 log，TVB-N低于阈值。CS/ε-聚赖氨酸盐酸盐/NS/茶多酚/抗坏血酸卤蛋4±1℃20天中总活菌数低于限，对照第16天超约8.30 log，保色、质构和蛋白网络，感官至20天而对照8-12天，货架期由约12至20天。CS/石榴皮提取物（pomegranate peel extract，PMPE）/柠檬酸（citric acid，CA）/NS真空虹鳟4℃12天中对照第6天超7 log，CS/NS个体最强，CS/PMPE/CA/NS第12天最低并使乳酸菌低于1.20 log，抑制嗜冷和H₂S产生菌。CS/NS/马铃薯皮提取物（potato peel extract，PPE）黑虎虾4℃10天中CS/NS/PPE最佳限pH、TVB-N、过氧化值和硫代巴比妥酸反应物并保色香味硬度，8天对4天；缺无NS对照不能确定NS贡献。

讨论部分总结：现有证据难以直接比较，因研究在NS浓度、载体组成、膜厚度、目标微生物、抗菌测定和贮藏条件上差异大；许多研究依赖实验室测定或单一食品，部分多组分配方缺少适当对照，无法区分NS与载体、精油、植物提取物或其他活性剂的贡献。未来需标准化测试、统一报告NS浓度并设置合适对照，优先自然污染食品、真实食品挑战及工业相关加工、运输和贮藏条件。性能受聚合物基质、食品组成、pH、贮藏温度及NS与食品成分相互作用影响；封装、多层膜、纳米纤维等递送系统可能提高稳定性和持续释放，但需在真实食品中评价释放动力学、长期稳定性和抗菌性能，并开展综合感官分析及微生物适应性研究。纳米涂层还需评价颗粒迁移、蓄积、消化性、细胞毒性及完整配方安全性，并考虑法规和消费者接受度。生物降解性并不等于环境更优；生物聚合物提取、溶剂使用、干燥、交联、纳米材料合成、冷藏和产品损失均可能影响环境足迹，需中试制造、技术经济和生命周期评价。

5. 结论（翻译）：现有证据表明，基于NS的可食性膜和涂膜可在选定食品中改善微生物控制并延缓品质劣变。最强支持来自受控真实食品研究，显示在冷藏或其他明确贮藏条件下对易感革兰氏阳性菌尤其单核细胞增生李斯特菌的降低。然而，这些效应受NS浓度、配方组成、食品特性、目标微生物和贮藏时间强烈影响。NS相对于载体基质并非一致提供额外益处，其有效性有时在延长贮藏中下降。只有当含NS配方与不含NS的同一载体比较，并在多组分体系中与适当的单活性组分对照比较时，才能确定NS的特异性贡献。因此，当前证据支持NS作为食品特异性的抗菌组分，而非普遍有效的防腐剂。若干真实食品研究报道NS与精油、聚赖氨酸、纳他霉素、有机酸、植物提取物、抗氧化剂或纳米颗粒组合时改善微生物、理化及感官品质。然而，这些发现证明的是完整配方的性能，若未包括充分对照，不能完全归因于NS。同样，革兰氏阴性菌、酵母、霉菌或脂质氧化的降低可能源于附加活性化合物、载体屏障性质或配方组分间相互作用，因为NS主要作用于革兰氏阳性菌。NS产生很小或无改善的研究进一步说明将其贡献与载体及其他活性剂分离的重要性。实验室和食品模拟物研究表明聚合物组成、分子相互作用、交联和多层结构可影响NS保留、扩散和抗菌可利用性。然而，这些发现不能确认复杂食品体系中的等效保鲜性能。因此，封装、纳米纤维、多层结构和纳米递送所提出的优势需通过良好对照的真实食品研究验证。关于大规模生产、长期安全性、感官接受性、法规符合性、成本效益和环境效益的证据仍不足。未来研究应使用标准化方法、仅载体和单活性组分对照、现实食品挑战条件、直接释放和迁移测量以及中试规模评价。总体而言，基于NS的膜和涂膜代表活性食品包装的一种有前景的靶向方法，但其商业价值将取决于在现实加工和贮藏条件下可重复的益处。