《续》
2.2 纤维素衍生物制备抑菌包装材料
纤维素的衍生物主要包括纤维素醚、纤维素酯以及接枝纤维素，工业中常用的有醋酸纤维素和羧甲基纤维素等。对纤维素进行改性，引入的新型基团可赋予纤维素衍生物优异的性质，使其更易于加工应用。
纤维素衍生物溶液的粘度较低，将制备好的成膜溶液浇铸至平滑模具中，溶液可自然延流。溶液浇铸法具有操作简便、成膜效果好等优点。在食品包装、食品加工领域，羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）是应用最广泛的一类纤维素衍生物，CMC具有优良的成膜性能、良好的气体阻隔性与亲水性以及稳定的内部网络结构，适用于改善食品包装膜的综合性能，进而延长食品货架期。Roy等将超声处理后的氧化锌颗粒（ZnO）和姜黄素溶液添加到CMC中，然后将成膜溶液浇铸在玻璃板上，室温干燥2d后获得了兼具抗氧化和抗菌双重功效的包装膜。此包装膜对食源性致病菌有较强的抑菌性，且在紫外区域的透光率较低，这说明复合膜对紫外线有一定的阻隔性，可应用于抗紫外线防护包装材料领域。CMC基质与填充剂形成了更强的分子间相互作用，导致复合膜的拉伸强度上升为49.3 MPa。Li等将CMC与从蟹壳中提取出的部分脱乙酰化甲壳素纳米纤维（d-Chitin Nanofibers，dChNFs）混合，并高速搅拌，在室温下干燥7d，随后剥离模具获得了厚度为 80～100?m的CMC/dChNFs复合膜。进一步研究发现，低分子量dChNFs进入了细胞核，阻碍了RNA和蛋白质的合成；dChNFs作为螯合剂能够与功能性金属离子结合，从而抑制微生物的生长和毒素的产生，有效抑制了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。
溶液浇铸法还可用于制备CMC、蒙脱土（Montmorillonite，MMT）与ε-聚-（L-赖氨酸）（ε-poly-(L-lysine)，ε-PL）的三元复合材料，其对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌和霉菌都表现出了良好的抗菌活性。
Seyhun等使用浇铸法首次实现了醋酸纤维（CelluloseAcetate，CA）对溶菌酶的控制释放。CA是纤维素乙酰化的衍生物，由于引入了乙酰基团，削弱了纤维素分子间的氢键，使得分子间距增大，进而赋予了CA优异的力学性能和选择透过性。扫描电镜观测可知，CA膜是不对称多孔薄膜，由表面致密层和多孔支撑层构成；在4℃时CA膜致密层对溶菌酶的释放量为1326U/cm2，多孔层的释放量达到了1752U/cm2 ，且随着时间推移，溶菌酶在膜中累积，导致其对大肠杆菌的抑菌活性得到增强。
溶液浇铸法的成膜时间较长、工业生产效率较低。非溶剂致相分离技术（NIPS）主要通过向体系中加入与成膜溶液互溶性更强的试剂，将溶剂萃取出来，使溶质即可聚合成膜。与溶液浇铸法相比，NIPS法的成膜时间大大缩短。利用NIPS法将壳聚糖引入CA膜中，壳聚糖分子会填充在CA的支撑层孔隙，使CA膜表面变得光滑平整，膜的抗拉强度随之增加到81.72 MPa，力学性能稳定。进一步实验发现，此CA/壳聚糖复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到了73.9%和54.6%。α-Fe2O3是一种具有良好光学性能、抗菌性和催化性的聚合物纳米粒子。Silva等将CA 与α-Fe2O3共混溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中，制备了CA/α-Fe2O3纳米复合膜，此膜具有半导体特性和高效的质子捐赠能力，可用于光催化灭菌，对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌均有显著的抑制能力。
除了CMC和CA外，其他纤维素衍生物也在抑菌包装膜中得到了应用。吴慧等通过两步氧化制备了含有高含量羧基的 TEMPO氧化纤维素。羟乙基纤维素（Hydroxyethyl Cellulose，HEC）是美国食品药品监督管理局（FDA）批准使用的重要纤维素醚衍生物之一，其具有无免疫原性、生物相容性，因此，常作为增稠剂和稳定剂被广泛应用于涂层和食品领域。张盼等采用真空冷冻干燥技术，将HEC与PVP复合制备了结构紧密的多孔气凝胶，该结构可以保证AgNPs颗粒在气凝胶中均匀分布，从而实现对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的较佳杀灭效果。以柠檬酸为交联剂制备的HEC/柠檬酸/ZnO聚合膜抑制了91.4%的金黄色葡萄球菌和61.7%的大肠杆菌生长。乙酰乙酸纤维素（Cellulose Acetoacetate，CAA）是一种天然活性高分子乳化剂，可以较好地稳定油包水（O/W）乳液体系。研究表明，将羟丙基壳聚糖（Hydroxypropyl Chitosan，HPCS）添加到CAA/百里香乳液的连续相中，制备的有机水凝胶可以较好地抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。李杨等使用聚六亚甲基双胍盐酸盐（PHMB）接枝改性纤维素，制备了AA-PHMB-g-纤维素膜，将其用来包装猪肉。研究发现，在低温下储存240h时，菌落总数增长缓慢并趋于稳定，猪肉的货架期延长了1倍。
改性后的纤维素衍生物引入了新型功能基团，导致纤维素分子内和分子间的作用力发生改变，使得纤维素更容易与大量不同种类的抑菌剂相互作用，以此制备的纤维素衍生物为新型食品抑菌包装材料的研究开发提供了较大帮助。
3 纳米纤维素抑菌包装材料
NC粒子尺寸小、比表面积大，易填充在大分子聚合物孔隙中，可改善膜的力学性能、光透过性、氧透过性以及水蒸气透过性等。与作为膜基体的大分子纤维素不同，NC常作为一种强化填料添加到其他膜基质中，以提升包装膜的力学性能和阻隔性能。根据粒径、来源，可以将 NC分为3类，即纤维素纳米晶体（Cellulose Nanocrystal，CNC）、纤维素纳米纤丝（Cellulose Nanofibrils，CNF）和细菌纳米纤维素（Bacterial Nanocellulose，BNC）。
3.1 纤维素纳米晶体抑菌包装材料
CNC为棒状结构，直径为1～50nm，长度为几百纳米，具有密度小、强度高等特点。天然纤维素的无定形区域被破坏后，保留下来的结晶区域为CNC。研究发现，CNC携带的羧基可以和聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）的羟基通过氢键形成高界面线，增强了膜的拉伸强度和水蒸气透过性。此外，罗勒叶提取物（Basil Leaves Extract，BE）的添加赋予了复合膜抗氧化性和抑菌性，且随着BE含量的增加，复合膜对蜡样芽孢杆菌和单增李斯特菌的抗性得到显著提高。
除了与大分子物质作用外，CNC还可与纳米材料结合，制备纳米级抑菌包装材料。Leila等采用辊涂法将CNC和壳聚糖纳米纤维（Chitosan Nanofibers）制成了稳定的纳米涂层，并探究了涂层对不同来源真菌（黑曲霉和青霉）的抑制效果。结果表明，单一CNC虽然未表现出抗真菌性，但可以提高壳聚糖纳米纤维的附着力和稳定性，进而增强纳米涂层的抗菌作用。此外，通过静电纺丝技术将CNC，AgNPs纳米颗粒与PVP复合，复合纤维的平均直径随着纳米颗粒含量的增加而减小；CNC可增强复合材料的热稳定性和拉伸强度，且该复合纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出显著的抑制性，在纳米抗菌材料领域具有较大的应用潜力。
CNC表面含有大量羟基，引入新的功能基团对其进行改性，能够改善 CNC的热稳定性、力学性能以及生物相容性。Yu等开发了一种将 MCC制备成羧化改性CNC的一锅式合成法，并将其用于稳定ZnO纳米颗粒。用柠檬酸/盐酸共混液处理MCC，使水解和羟基酯化过程同时进行，获得了富含羧基（COO?）的功能化CNC；通过静电作用，功能化CNC可通过形成骨架结构复合ZnO，进而成为稳定的抑菌体系，ZnO粒径越小，其抑菌效果越强。Yulia等结合超声处理与热搅拌方法，对CNC进行乙酰化和季铵改性，提高了CNC基体的分散性和力学性能。由于季铵改性的CNC表面带正电荷，细菌的细胞表面带负电荷，因此，季铵化CNC可作为阳离子抑菌剂控制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等致病微生物的生长。
3.2 纤维素纳米纤丝抑菌包装材料
CNF是将天然纤维素预处理，再经高速机械剪切获得的纳米级物质，其比表面积大、易降解、亲水性好，且凝胶溶液具有良好的流变性等，常被应用在食品包装、生物医疗等领域。
溶液浇铸法同样也适用于CNF基包装材料的制备。Xie等将CNF作为羧甲基壳聚糖（Carboxymethyl Chitosan，CCS）基Pickering乳液的稳定剂，然后将获得的乳液浇铸在塑料模具上，在室温下干燥制备了稳定的抑菌薄膜。研究发现，当压力达到5.0MPa时，CNF抑菌膜的应变为2.2%，表明具有较好的力学性能。利用此膜材料包装食品，可显著抑制浆果中腐败微生物的生长，在果蔬保鲜领域有广阔的应用前景。Zhao等将CNF溶液加入RC溶液中，以氢氧化镁纳米片（Magnesium Hydroxide Nanoplatelets，MHNPs）为抑菌剂，浇铸干燥制备了CNF/MHNPs/RC纳米复合膜。实验表明，MHNPs虽然增强了纳米膜对大肠杆菌的抑制能力，但降低了纳米膜的力学性能。加入CNF可以显著改善由MHNPs引起的性能降低，这是因为CNF分散在RC基质中，将MHNPs缠绕，形成了纤维网络包围结构，当纳米复合膜受到应力时，应力从RC基质转移到CNF分子上，从而使复合膜的抗拉强度增加2倍以上。
以CNF为膜基质，紫甘薯花青素为天然染料，牛至精油（Oregano Essential Oil，OEO）为抗菌剂，并采用溶液浇铸法制备了具有抗菌性能的pH指示纳米纤维智能膜。当pH值从2升高至12时，纳米智能膜的颜色由红色逐渐变成黄色；含有4%（质量分数）OEO的CNF智能膜对大肠杆菌和单增李斯特菌的抑制率达到了99.99%。综上所述，该智能膜不仅可以直观指示包装食品的质量变化，而且还可以杀灭病原微生物，最大程度地确保食品安全。
将超声技术或者紫外线（UV）辐照技术与传统制膜工艺相结合，并将此方法应用于抑菌包装材料的生产，拓展了CNF的复合载体范围，提高了包装材料的综合性能。Juho等分别将 DCC（Nanofibrillated Anionic Dicarboxylic Acid Cellulose，DCC），MFC（Microfibrillated Cellulose，MFC），NFC与海藻酸钠（Sodium Alginate，SA）共混，随后借助循环水真空泵装置，并采用超声波辅助技术除去了溶液中的气泡，获得了分散均匀的成膜溶液；最后浇铸至模具，在室温下干燥 3～5d制备成膜。研究表明，DCC和SA之间建立了高度致密的交联网络，有望制备出高强度包装材料。CNF的结构与亲水性和SA的结构与亲水性高度相似，且SA溶液的粘性有助于提高CNF的分散性和稳定性，这为两者复合制备性能优异的包装材料提供了良好基础。Chandravati等分别以稻米水（Oryza Sativa）和心叶青牛胆（Giloy）的提取物为介质，溶解了CNF和SA的混合物；再经超声波辅助溶解，获得了混合溶液，将其置于?40℃下冷冻干燥，制得了多孔海绵（CNF-SA-Oryza Sativa/Giloy）；其对大肠杆菌和铜绿假单胞菌的抑菌效率分别达到了98%和90%，这进一步证实了CNF与Sativa/Giloy具有协同抑菌效应。
Won等首次尝试将静电纺丝技术与UV结合，还原醋酸纤维素纳米纤丝（Cellulose Acetate Nanofibers）中的银离子，获得了含有AgNPs的聚合物纳米纤丝。分布在膜表面的AgNPs对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、肺炎克雷伯氏菌和铜绿假单胞菌的杀灭率达到了 99.9%。
3.3 细菌纳米纤维素抑菌包装材料
BNC是一类由微生物产生的凝胶状物质，本质为纤维素。为了与植物纤维素区分开，英国科学家Brown将其命名为细菌纤维素。BNC易于分离提纯，其弹性模量是普通纤维素的10倍以上，具有持水能力强、生物兼容性高、可降解等特点，被广泛应用于造纸、食品、医学等领域。
BNC为凝胶态，一般采用溶液浇铸法或浸渍-烘干相结合的方法制备BNF复合包装材料。Wang等将BNC分别与利用还原法和UV辐照法制备的AgNPs加热共混，经浇铸干燥，获得了BNC/AgNP/PVA膜（R膜）和BNC/AgNP/PVA膜（UV膜）。研究表明，UV膜的抗菌功效比R膜更强，可以将牛肉中大肠杆菌的数量降低3个数量级，进而使牛肉的货架期至少延长10d。此外，对BNC和AgNPs纳米颗粒进行超声处理，随后与壳聚糖溶液共混，干燥得到的BNC/AgNPs/壳聚糖复合膜不仅力学性能较强，而且对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌）、革兰氏阴性菌（大肠杆菌、铜绿假单胞菌）、真菌（白色念珠菌）均有抑制作用。Saha等将质量分数为0.1%的BNC添加到PVP和CMC混合体系，热搅拌1h后获得了凝胶混合溶液；随后在室温干燥1h，制备了BNC-PVP-CMC水凝胶膜。水凝胶膜的多孔性有利于果蔬中水分的扩散，因此，这种凝胶膜可被用于热封包装葡萄、番茄和菠菜等；在贮藏21d后，这些水果和蔬菜仍然保持着较高的新鲜度。
将浇铸后的BNC膜浸入姜黄素溶液中放置12h，使姜黄素充分吸附在BNC膜上，最终制备了BNC-姜黄素膜。此膜材料可用作检测虾类水产品腐败变质程度的指示膜，一般情况下，包装膜颜色会随着虾腐败过程中产生的总挥发性盐基氮（Total Volatile BasicNitrogen，TVBN）含量的变化而改变，从最初的黄色变为橙色（表示腐败，不可食用）。
浸渍-烘干结合法是另一种制备BNC复合材料的常用方法。王博等从木醋杆菌中合成了BNC水凝胶，随后将BNC先后浸入茶多酚和甘油溶液，并恒温烘干，最终获得了BNC-茶多酚抑菌膜。研究发现，BNC与茶多酚紧密复合，当茶多酚质量分数大于0.2%时，复合膜的抑菌效果随着茶多酚含量的增加而显著增强。乳链菌肽（Nisin）是乳酸乳球菌产生的细菌素，被广泛应用在乳制品中，以防止单增李斯特菌污染。基于此，将BNC浸入Nisin和甘油溶液，制备了复合膜材料；然后将复合膜应用于奶酪包装，发现在储存7d后，奶酪中单增李斯特菌的数量降低了1个数量级，这表明BNC-Nisin复合膜材料具有强抑菌性。碳量子点（Carbon Dots，CDs）具有独特的光稳定性、抗菌性和抗氧化性等，因此，Kousheh等以BNC为基质制备了膜材料，并将其浸入CDs溶液，最终形成了兼具抗菌、抗氧化、防紫外等多重功效的复合包装膜材料。结果表明，BNC-CDs复合膜对革兰氏阳性菌的灭活功效更强。
将纳米纤维素填充在包装材料的基质中，使得复合材料更加平整致密，有效增强了拉伸强度。由于纳米纤维素与复合膜各成分之间相互交联，形成了更加曲折的扩散路径，因而可以阻碍水蒸气和氧气的穿透，在很大程度上提高了复合材料的阻隔性。与CNC和CNF不同，BNC虽然具有独特的三维网络结构，有很高的实用价值，但吸水性较强，吸水膨胀后会破坏网络结构，进而失去阻隔能力。综上所述，开发新技术、制备阻隔性强和力学性能好的食品包装材料是目前主要的研究方向。
4 结语
高分子纤维素携带大量的羟基基团，有利于系列化学改性的开展，以此制备的各种衍生物进一步拓宽了纤维素在食品包装领域的应用。在现阶段的国内外研究中，纤维素基抑菌包装材料主要通过制备成复合抑菌薄膜、抑菌涂层、凝胶、透气性海绵或者纤维素-抑菌剂复合缓释载体等方式实现对致病微生物的杀灭。以纤维素为基体，或者添加NC填料与抑菌剂复合制备的食品包装膜不仅具有优良的力学性能和阻隔性能，而且具有无毒性、可降解以及良好的生物兼容性。与传统包装膜相比，纤维素基抑菌复合材料表现出优异的抗菌性能，从而延长了食品货架期，降低了防腐剂的添加量与生产成本，简化了相应的灭菌处理程序，提高了食品的安全品质，是未来食品包装领域的发展方向。
目前，纤维素可降解抑菌材料未在食品工业中大规模应用，主要有4个问题亟待解决。
1）加强对纤维素溶解方法的探究。纤维素不溶于水及一般有机溶剂，其溶剂体系和溶解方法较为复杂，提高纤维素的溶解性是拓展纤维素在抑菌包装领域应用的关键。传统溶剂（如N-甲基吗啉-N-氧化物）有皮肤刺激性，且大多离子液体的毒性尚不明确，因此，进一步探究纤维素溶剂的毒理性以及对人体健康的影响，开发新型绿色溶剂和溶解技术，或者降低纤维素分子的聚合度和氢键作用力是纤维素基包装材料未来发展的方向。
2）纤维素基包装材料的综合机械强度有待进一步改善。虽然纤维素材料的刚性较强，但韧性不足，因此，需要深入开展纤维素结构的靶向改性或者发掘绿色添加剂使包装膜各向受力均匀等研究，以持续改善包装材料的柔韧性和延伸性，是未来应该深入研究的前沿领域。
3）纤维素基包装材料的抑菌广谱性评价有待大幅提升。目前，对纤维素基抑菌包装的抑菌功效评价仅仅局限于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等少数菌种，对肉制品中常见的食源性致病菌（沙门氏菌、副溶血性弧菌、霍乱弧菌等）和乳制品中常见的食源性致病菌（志贺氏菌、蜡样芽孢杆菌等）研究较少，且在实际应用中的评价研究更少，因此，应加强其在实际食品样品中的杀菌保鲜研究，以提高纤维素基包装材料的抑菌广谱性评价。
4）纤维素基包装材料应结合新型杀菌技术以增强抑菌效果。目前，关于不同灭菌技术作用于纤维素基包装材料的抑菌效果研究鲜有报道，除了传统的热杀菌技术外，市场上的各类新型杀菌技术，如辐照杀菌、射频杀菌、脉冲电场杀菌、电解水杀菌、光动力杀菌技术等，已被证实具有理想的杀菌效果，且对食品品质无影响。未来的研究可以将纤维素基包装材料与这些新型杀菌技术相结合，以期实现产品包装和产品灭菌的绿色化和灭菌高效化。
《完》
