通过引入植酸改善抗菌和抗氧化性能的双交联大豆分离蛋白膜用于包装牛脂和鸡肉

《Polymers》：Double-Crosslinked Soy Protein Isolate Film with Improved Antibacterial and Antioxidant Performances via Introducing Phytic Acid for Packaging Beef Tallow and Chicken

　　

为了提高抗菌和抗氧化性能，研究人员将植酸（PA）引入到用塔拉单宁（TTs）和双醛纤维素纳米纤维（DACNFs）交联的大豆分离蛋白（SPI）膜中。所得PDTSPI（PA/DACNF/TT/SPI）膜表现出增强的物理性能、紫外-可见光屏蔽性能和抗氧化性能。在15% PA含量下，拉伸强度（TS）达到5.17 MPa，断裂伸长率（EB）增加到101.15%，显示出综合力学性能。添加PA后，复合膜在波长低于460 nm时透光率可忽略不计，可见光透光率降低至低于40%。DPPH自由基清除率提高到49.2%，表明PDTSPI膜的抗氧化活性增强。值得注意的是，增加PA含量导致对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌效果提高，其中PDTSPI-12和PDTSPI-15膜对金黄色葡萄球菌的抑制率达到100%。用PDTSPI-15包装的牛脂的过氧化值（POV）和鸡肉的总活菌数（TVC）分别仅为0.007 g/100 g和2.17 Log CFU/g，均显著低于用纯SPI膜包装的样品，这证明了PDTSPI膜在包装含油食品和肉制品方面的潜力。

**论文解读：双交联大豆分离蛋白复合膜的制备及其在食品包装中的应用**

**研究背景与问题**
传统塑料包装虽方便，但不可降解性导致严重的环境问题，且塑料碎片通过食物链危害人类健康。因此，生物基膜材料作为理想替代品备受关注。大豆分离蛋白（SPI）膜具有良好的气体阻隔性、紫外线阻断能力和热封性能，但其抗氧化和抗菌活性有限。研究人员先前通过引入塔拉单宁（TTs）和双醛纤维素纳米纤维（DACNFs）交联SPI，制备了DTSPI膜，但这两项性能仍不满足要求。植酸（PA）是一种天然、无毒、可再生的物质，兼具抗氧化和抗菌活性，且生物相容性好，有望用于改善膜的性能。然而，尚无研究报道PA与TTs/DACNFs/SPI体系结合后的综合性能及热封条件。为此，本研究旨在通过引入PA制备新型复合膜，系统评估其结构、理化性能及在食品包装中的实际应用效果。

**研究内容与结论**
研究人员将不同质量分数（3%、6%、9%、12%、15%）的PA引入DACNF/TT/SPI基质中，通过铸膜法制备了PDTSPI系列复合膜。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）分析膜的结构和微观形貌；测试了光学性能、力学性能、水蒸气透过率（WVP）、氧气透过率（OP）、DPPH自由基清除率及对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌活性；通过差示扫描量热法（DSC）确定最佳热封温度，并评估了膜对牛脂和鸡肉的包装保鲜效果。结果表明，PA的引入通过氢键与SPI、TTs和DACNFs形成更稳定的交联网络，在低含量（3%）时截面致密，但高含量（12%~15%）时出现微孔。PDTSPI-15膜在保持拉伸强度（TS）5.17 MPa的同时，断裂伸长率（EB）提高至101.15%，力学性能均衡；紫外线（<460 nm）透过率几乎为零，可见光透过率降至40%以下；DPPH自由基清除率升至49.2%；对金黄色葡萄球菌抑制率达100%，对大肠杆菌抑制率达97.5%。在牛脂包装中，PDTSPI-15膜包装的牛脂在90天后过氧化值（POV）仅为0.007 g/100 g，显著低于纯SPI膜（0.015 g/100 g）和聚乙烯（PE）膜（0.035 g/100 g）；在鸡肉包装中，9天后总活菌数（TVC）仅为2.17 Log CFU/g，低于DTSPI膜（2.4 Log CFU/g）和纯SPI膜（2.97 Log CFU/g）。该研究发表在《Polymers》上，为开发全生物基抗氧化抗菌包装膜提供了新思路。

**关键技术与方法**
本研究主要采用以下关键技术：1）双醛纤维素纳米纤维（DACNFs）的制备，即通过高碘酸钠氧化纤维素纳米纤维，将C₂和C₃位的羟基转化为醛基；2）溶液浇铸法成膜，将SPI、甘油、TTs、DACNFs和PA按比例混合，调节pH至10后浇铸干燥；3）红外光谱（FTIR）和扫描电镜（SEM）用于结构表征；4）紫外-可见光谱（UV-Vis）评估光学性能；5）力学拉伸测试（TS和EB）及气体透过率测试（WVP、OP）；6）DPPH自由基清除实验评估抗氧化活性；7）平板计数法测定抗菌活性；8）差示扫描量热法（DSC）确定热封温度范围；9）实际包装实验：牛脂和鸡肉样本均来自哈尔滨市场，分别测定POV和TVC。所有数据采用SPSS 20.0进行单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD检验。

**研究结果**
**3.1 微观结构**
- **3.1.1 FTIR分析**：通过FTIR谱图发现，PA的加入未引起新化学键生成，但磷酸基团与SPI氨基形成氢键，导致酰胺Ⅰ带轻微红移、酰胺Ⅱ带蓝移。PA与SPI、TTs、DACNFs通过氢键和共价键（席夫碱）协同作用，形成更稳定的交联网络。
- **3.1.2 SEM分析**：低PA含量（3%）时，截面最致密；高PA含量（12%~15%）时出现微孔，归因于过度交联导致内部应力积累，破坏结构稳定性。

**3.2 理化性能**
- **3.2.1 光学性能**：纯SPI膜在可见光区透光率近80%，仅部分阻挡UVA。TTs和DACNFs的引入显著提升紫外阻挡能力。加入PA后，波长<460 nm时透光率接近0%，可见光透光率降至<40%，且随PA含量增加颜色加深，有利于抑制光氧化。
- **3.2.2 力学性能**：TTs与SPI的氢键作用使TS升至4.50 MPa，EB降至114.20%；DACNFs进一步通过共价键限制分子链运动，DTSPI膜的TS和EB分别为5.30 MPa和89.50%。PA的加入因增塑作用使TS从5.69 MPa（PDTSPI-3）降至5.17 MPa（PDTSPI-15），EB从93.83%升至101.15%，PDTSPI-15实现力学性能平衡。
- **3.2.3 阻隔性能**：纯SPI膜的WVP和OP分别为1.82×10^-10 g·m^-1·s^-1·Pa^-1和2.27×10^-9 cm³·mm·m^-2·day^-1·atm^-1。TTs和DACNFs交联后形成有序结构，DTSPI膜的WVP和OP分别降至1.65×10^-10和1.07×10^-9。低PA含量（3%）时，PA与SPI氨基酸残基交联使结构更致密，阻隔性进一步改善；但高PA含量时，过量羟基吸附水分子及过度交联导致结构疏松，WVP和OP略有回升。
- **3.2.4 抗氧化活性**：纯SPI膜的DPPH清除率仅17.3%。TTs提供氢供体，使TSPI膜升至42.8%；DACNFs无氢供体能力且物理交联阻碍TTs与自由基接触，导致DTSPI膜略降。PA的磷酸基团可提供电子清除自由基，随PA含量增加，PDTSPI-15的清除率峰值达49.2%。
- **3.2.5 抗菌活性**：纯SPI膜无抗菌性。TTs的酚羟基和席夫碱衍生物赋予TSPI和DTSPI膜一定抗菌性，但不足。PA的磷酸基团与细胞膜蛋白和脂质作用，破坏膜完整性，使PDTSPI-12和PDTSPI-15对金黄色葡萄球菌抑制率达100%，对大肠杆菌抑制率分别为97.5%和100%。

**3.3 热封温度**
通过DSC曲线确定PDTSPI-15的熔融峰温度为140.43°C，设定热封温度范围为135~155°C。在145°C时热封强度最大，达3.81 N/15 mm；温度过高或过低均不利。SEM显示热封后截面紧密无孔隙，归因于氢键断裂与重组。

**3.4 实际应用**
- **3.4.1 POV分析**：90天后，未包装、PE膜、纯SPI膜包装的牛脂POV分别为0.694、0.035、0.015 g/100 g；而DTSPI和PDTSPI-15膜包装的牛脂POV仅为0.007~0.008 g/100 g，显著抑制油脂氧化，得益于DACNFs增强结构致密性、TTs的自由基清除活性及PA的协同抗氧化作用。
- **3.4.2 TVC分析**：9天后，SPI和TSPI膜包装的鸡肉TVC显著升高；DTSPI膜为2.4 Log CFU/g，PDTSPI-15膜仅为2.17 Log CFU/g，低于纯SPI组的2.97 Log CFU/g，表明席夫碱衍生物和PA能破坏细菌细胞壁/膜，抑制细菌代谢。

**讨论与结论**
研究结果表明，PA的引入通过氢键与SPI、TTs、DACNFs构建了更稳定的交联网络，在低含量时优化了截面致密性，但高含量时因过度交联导致阻隔性略有下降。PDTSPI-15膜在紫外-可见光屏蔽、力学性能、抗氧化和抗菌活性方面表现优异，实际包装实验证实其能有效延缓牛脂氧化和鸡肉腐败变质。本研究结论：通过将PA引入DACNF/TT/SPI体系，制备了具有改善抗氧化和抗菌性能的复合膜。FTIR揭示PA与其他材料形成氢键构建更稳定的交联结构，SEM显示低PA含量可优化截面致密性。此外，该膜在紫外和可见光区域的透光率降低。与DTSPI相比，PDTSPI-15表现出均衡的力学性能，EB增加10.2%，但氧气和水蒸气阻隔性有待进一步提高。同时，抗氧化和抗菌性能令人印象深刻：PDTSPI-15膜的DPPH自由基清除率升至49.2%，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别为100%和97.5%。在实际应用中，用PDTSPI-15包装的牛脂在90天后POV值保持0.007 g/100 g；同时，包装的鸡肉在9天后TVC值仅为2.17 Log CFU/g，表明PDTSPI-15膜能有效延缓氧化和变质。总之，这项工作表明PDTSPI膜作为食品包装领域环保材料的巨大潜力。