基于鱿鱼壳聚糖的聚乳酸涂层对多重物种生物膜的抑制作用研究

《Food and Bioproducts Processing》：Use of Loligo opalescens Chitosan-based Coatings to Inhibit Multispecies Biofilms in Poly(Lactic Acid)-Based Packaging

本研究针对食品包装中石油基塑料污染和微生物污染问题，开发了从太平洋鱿鱼（Loligo opalescens）中提取的壳聚糖及其解聚衍生物涂层改性的聚乳酸（PLA）薄膜。通过表面特性表征和抗菌性能测试，发现壳聚糖涂层能显著降低大肠杆菌和恶臭假单胞菌双物种生物膜的总细胞数、活细胞数和可培养细胞数，降幅最高达76%。壳聚糖涂层通过增加表面亲水性和静电相互作用抑制细菌黏附，并破坏细胞膜完整性。该研究为开发可持续抗菌食品包装材料提供了新策略，同时实现了海洋加工副产物的高值化利用。

　　

随着石油基塑料的广泛使用和食品微生物污染问题的日益突出，开发可持续、可降解且具有抗菌功能的食品包装材料成为当务之急。传统塑料不仅难以降解造成环境污染，其表面易形成的微生物生物膜更可能导致食源性疾病和食品腐败，每年全球约6亿人因不安全食品患病，42万人因此死亡。生物膜是由微生物分泌的胞外聚合物包裹形成的结构化群落，对常规消毒措施具有强抵抗性，而食品环境中常见的多重物种生物膜（如大肠杆菌和假单胞菌共存）控制尤为困难。

为此，研究团队创新性地从海洋副产物——太平洋鱿鱼（Loligo opalescens）内壳中提取壳聚糖，并通过解聚获得不同分子量衍生物（Ch: 294 kDa，ChoA: 186 kDa，ChoB: 129 kDa，ChoC: 61 kDa），将其涂覆于生物可降解的聚乳酸（PLA）薄膜表面，系统评估其对冷藏条件下（5°C）大肠杆菌（Escherichia coli）和恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）双物种生物膜的抑制效果。该研究发表于《Food and Bioproducts Processing》，为可持续包装材料开发与食品安全保障提供了新思路。

关键技术方法包括：通过酶-碱联合法从鱿鱼内壳提取壳聚糖，并采用亚硝酸钠解聚制备不同分子量衍生物；通过浸涂法将壳聚糖固定于氧等离子体处理的PLA薄膜表面；利用接触角测量仪和白光轮廓仪表征表面亲水性和粗糙度；通过最小杀菌浓度（MBC）测定、zeta电位分析、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和扫描电镜（SEM）评估涂层的抗菌、抗黏附性能及生物膜结构。

3.1 表面特性分析

PLA-壳聚糖涂层表面水接触角从未涂层PLA的69.5°降至约40°，表明壳聚糖显著增强表面亲水性。所有涂层表面粗糙度（S_a）均保持在263-309纳米范围内，分子量变化未对表面形貌产生显著影响。

3.2 抗菌活性评估

与未涂层PLA相比，壳聚糖涂层使双物种生物膜的总细胞数、活细胞数和可培养细胞数分别平均减少56%、74%和76%。解聚衍生物（ChoA-C）对恶臭假单胞菌的抑制效果优于天然壳聚糖，使该菌在生物膜中占比从33%降至5%-17%。CLSM显示涂层表面生物膜生物体积减少33%，厚度降低43%。SEM观察到涂层表面细菌形态损伤，表明壳聚糖通过静电作用破坏细胞膜完整性。

3.3 抗黏附机制解析

黏附实验表明壳聚糖涂层使细菌初始黏附量减少64%。理论黏附能（ΔG^Adh）计算显示，涂层表面与细菌间相互作用能更高（如对大肠杆菌从11.8升至34.2 mJ·m^-2），证实其抗黏附特性源于表面亲水化及正电性壳聚糖与负电性细菌的静电排斥。

研究结论强调，鱿鱼源壳聚糖涂层可通过物理化学双重机制有效抑制冷藏环境下多重物种生物膜形成，且抗菌效果与分子量无关。该工作不仅为开发绿色抗菌包装提供实验依据，还拓宽了海洋加工废弃物高值化利用路径。未来研究可聚焦于壳聚糖化学修饰增效及在实际食品保鲜中的验证。