利用柠檬酸诱导的水相分离法制备壳聚糖/尼辛薄膜，用于冷藏猪肉的保鲜

《Food Hydrocolloids》：Citric acid-induced aqueous phase separation method in the fabrication of chitosan/nisin films for the preservation of chilled pork

　　

摘要：

本研究采用水相分离（APS）方法，并使用柠檬酸缓冲液作为凝聚剂，制备了高强度且具有抗菌性的壳聚糖/尼辛薄膜，用于冷藏猪肉的保鲜。利用pH 5.0的柠檬酸缓冲液通过APS方法制备的壳聚糖薄膜的拉伸强度是使用蒸馏水制备的薄膜的143.44%。添加尼辛显著提高了壳聚糖薄膜的机械性能和对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。具体而言，含有8%尼辛（基于壳聚糖薄膜的干重）的薄膜被用于冷藏猪肉的保鲜，记为CS-5.0@8%N。包装在CS-5.0@8%N薄膜中的冷藏猪肉在第六天的总挥发性碱性氮（TVB-N）值为7.57±0.39 mg/100g，而未包装的冷藏猪肉在同一天内的TVB-N值高达16.66±0.46 mg/100g。值得注意的是，包装在CS-5.0@8%N薄膜中的冷藏猪肉在储存过程中的储存质量明显优于包装在普通壳聚糖薄膜中的猪肉，表现在总菌落计数（TVC）、pH值和硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）方面。研究表明，冷藏猪肉的腐败阈值分别为6.00 log CFU/g（TVC）或15.00 mg/100g（TVB-N）。因此，与未包装组相比，使用CS-5.0@8%N薄膜可使冷藏猪肉的保质期延长4天。本研究推动了基于生物的活性包装在冷藏猪肉保鲜领域的应用。

引言

冷藏猪肉由于其显著的营养价值和新鲜度，在肉类消费市场中占据主导地位（Phimolsiripol等，2021年）。然而，其丰富的营养成分和高水分活性使其极易受到铜绿假单胞菌、大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌等微生物的污染，从而导致腐败（Bonilla等，2023年）。这种现象不仅导致资源浪费，还对消费者健康构成严重威胁（Heras等，2024年）。用保鲜膜包装冷藏猪肉可以防止外部污染。然而，传统的保鲜膜仅具有基本的阻隔性能，且不可生物降解，会造成严重的环境污染（Priyadarshi & Rhim，2020年）。

可生物降解的包装膜被认为是冷藏猪肉保鲜的理想替代品。壳聚糖作为一种天然阳离子多糖，不仅具有生物相容性、成膜性能和可生物降解性，而且在各种物理形态下（包括粉末、片状、溶液和薄膜）都表现出优异的抗菌性能（Ardila等，2017年；Kumar等，2020年；Malinowska-Panczyk等，2015年；No等，2006年；Pandey等，2024年）。这些独特特性使壳聚糖成为开发食品包装材料的理想选择。然而，使用传统方法（如酸溶解和碱中和）制备的壳聚糖包装膜通常存在机械强度不足和抗菌活性降低的问题（Fernández-de Castro等，2016年；Lu等，2022年）。

Tu等人（2022年）应用基于碱/尿素的水相分离（APS）方法制备了壳聚糖薄膜，并证明了这些薄膜的机械性能优于传统的酸溶解和碱中和方法制备的薄膜。然而，这些壳聚糖薄膜通常带有碱性，这不仅会使壳聚糖的氨基团去质子化，从而削弱其抗菌活性，还会导致天然多酚化合物失活（Debelo等，2020年）。此外，pH值显著影响壳聚糖薄膜的结构和性能。Li等人（2023年）表明，使用醋酸缓冲液作为凝聚剂可以制备出既有致密结构又有多孔结构的羧甲基纤维素/壳聚糖复合薄膜。与醋酸相比，柠檬酸是一种无刺鼻气味的天然弱有机酸，更适合用于制备食品包装薄膜（Uranga等，2019年）。因此，在碱/尿素APS过程中引入柠檬酸缓冲液作为凝聚剂，有望同时使氨基团质子化，恢复抗菌活性并进一步提高壳聚糖薄膜的机械性能。然而，这方面的研究仍较为有限。

尽管通过这种酸调节的方法部分恢复了壳聚糖的抗菌活性，但仅依靠壳聚糖本身的抗菌性能仍然不足以控制冷藏猪肉储存过程中复杂的腐败和病原微生物群（Hu & G?nzle，2018年）。因此，需要加入额外的抗菌剂。壳聚糖薄膜的多孔结构和丰富的官能团使其成为天然活性成分的有效吸附载体（Salehi等，2016年；Wei等，2017年）。尼辛是一种由乳酸乳球菌产生的天然抗菌肽，被广泛认为是安全的食品防腐剂，在酸性条件下对革兰氏阳性菌具有强烈抑制作用，其与壳聚糖等螯合剂的协同作用可以进一步增强其对革兰氏阴性菌的抗菌效果（Leonida等，2023年；Silva-Vera等，2025年）。因此，将尼辛加载到通过柠檬酸缓冲液APS制备的机械性能强且酸性较低的壳聚糖薄膜中，可以实现高效冷藏猪肉的保鲜。

本研究使用柠檬酸缓冲液作为凝聚剂，通过APS方法制备了壳聚糖/尼辛薄膜，旨在开发出具有增强抗菌性能的高强度生物基壳聚糖包装材料。系统研究了壳聚糖/尼辛薄膜的微观结构、物理性质和尼辛的吸附/释放行为。此外，通过监测总菌落计数（TVC）、pH值、总挥发性碱性氮（TVB-N）、硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）、烹饪损失、剪切力、颜色和电子鼻等指标，评估了壳聚糖/尼辛薄膜对冷藏猪肉的保鲜效果，从而推动了壳聚糖/尼辛薄膜在冷藏猪肉保鲜中的实际应用。

章节片段

材料

壳聚糖（CS，分子量150-800 kDa，絮凝度90%，JV319741）、柠檬酸和柠檬酸钠购自上海悦源生物技术有限公司（中国上海）。尼辛（Z型）购自Macklin生化有限公司（中国上海）。大肠杆菌（ATCC 25922）和金黄色葡萄球菌（ATCC 13565）购自美国马里纳斯亚马逊市的美国典型培养物收藏中心。猪肉和食品级保鲜膜购自哈尔滨的本地市场。所有其他试剂均为分析级。

FTIR和XPS

图1A显示了CS薄膜的FTIR光谱。在CS对照组的FTIR光谱中，3425 cm^-1处出现了一个明显的O–H伸缩吸收峰。在实验薄膜中，随着凝聚剂pH值的降低，该吸收峰向更低的波数移动，表明形成了氢键。其中，CS-5.0薄膜的O–H伸缩吸收峰移动到了3369 cm^-1，表明壳聚糖链之间的氢键作用更强

结论

本研究成功使用不同pH值的柠檬酸缓冲液通过APS方法制备了壳聚糖/尼辛薄膜。这些薄膜作为冷藏猪肉的活性包装材料进行了系统的性能评估。结果表明，pH 5.0的柠檬酸缓冲液促进了壳聚糖链之间更强的氢键形成。与CS对照组薄膜相比，CS-5.0薄膜具有更均匀和致密的微观结构

CRediT作者贡献声明

王辉：写作 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取。陈倩：写作 – 审稿与编辑，概念构思。潘志宏：写作 – 审稿与编辑，概念构思。杜钊：实验研究。孔宝华：写作 – 审稿与编辑，概念构思。邓毅：写作 – 初稿撰写，软件支持，实验研究。李佳辉：写作 – 审稿与编辑

Al-Harrasi等，2022年；Li等，2021年；Wang等，2023年；Yin等，2024年；Zhang等，2022年。

数据可用性

数据可根据请求提供。

作者声明他们没有任何已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的报告。

本研究得到了国家自然科学基金（编号32302129）和“十一五”国家重点研发计划（青年科学家项目）（2025YFD2100600）的支持。

邓毅|李佳辉|杜钊|孔宝华|陈倩|潘志宏|王辉

中国黑龙江省哈尔滨市东北农业大学食品科学学院，邮编150030