《Food Bioscience》：Novel Acacia-Based Biofilms Optimized by Mixture Design and ANN for Poultry Salami Preservation
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阿拉伯胶基生物膜通过混合设计与人工神经网络优化，确定了最佳配比（海藻酸钠20.11%、蜂蜡41.21%、阿拉伯胶30.65%、甘油8.03%），显著改善禽类香肠的防腐保鲜性能，抑制微生物增殖和脂质氧化，同时提升机械强度与屏障特性。
作者：Khouloud Rigane、Eya Soussi、Walid Elfalleh、Moncef Chouaibi
研究机构：突尼斯迦太基大学食品工业高等学院食品创新与食品安全实验室，地址：Alain Savary街58号，Elkhadra市，突尼斯，邮编1003
摘要
本研究采用混合设计方法和人工神经网络（ANN）技术，优化了以阿拉伯胶为基础的生物膜的多种性能指标，包括水分含量、接触角（CA）、水蒸气透过率、水溶性、白度指数、不透明度以及机械性能。实验中设置了四个独立变量：海藻酸钠、甘油、蜂蜡和阿拉伯胶。最终确定的最佳配比为海藻酸钠20.11%、蜂蜡41.21%、阿拉伯胶30.65%和甘油8.03%。在这些条件下，生物膜的各项性能指标分别为：水分含量5.03%、接触角77.56°、水蒸气透过率14.80 g.mm/kPam2·h、水溶性54.50%、白度指数62.82、不透明度5.29 AU.nm.mm?1、拉伸强度7.27 MPa、断裂伸长率16.28%以及弹性模量67.54 MPa。结果表明，人工神经网络模型的R2值高于混合设计方法，且RMSE值更低（水蒸气透过率除外）。这证实了人工神经网络在预测生物膜机械性能方面的准确性和适用性。基于最佳配方制备的生物膜被用于禽肉香肠的包装，实验结果显示该生物膜能有效抑制冷藏储存过程中微生物的生长和脂质氧化，同时提升产品的品质和口感。
引言
食品包装是防止食品氧化、病原微生物污染和变质的有效手段（Bhatia等人，2024年）。然而，不可降解塑料材料的快速发展引发了严重的环境问题（Hashemi Gahruie等人，2017年；Remesh等人，2025年）。由于降解反应和热暴露，这些材料中的有害物质可能迁移到食品中（Acquah等人，2020年）。此外，传统塑料的使用还导致了废弃物处理困难和负面环境影响（López De Dicastillo等人，2016年）。近年来，生物聚合物因其天然可再生、成本低廉和环保特性而受到关注（Erben等人，2019年）。
在这些生物聚合物中，多糖、蛋白质和脂质或其混合物可用于制备薄膜（Bhatia等人，2024年）。生物膜具有出色的屏障性能，能够阻挡水蒸气、气体（O?、CO?或乙烯）和香气化合物的渗透，从而减缓食品变质、提升品质并延长保质期（Aphibanthammakit等人，2018年；Kaur等人，2023年）。将生物活性化合物掺入基于天然生物聚合物的薄膜中引起了广泛的研究兴趣（Amalraj等人，2020年；Ndwandwe等人，2025年）。活性包装具有多种功能，如风味生成/去除、吸湿和氧气吸收、抑制微生物生长、食品保鲜以及改善感官品质（Chu等人，2019年；Zou等人，2025年）。天然物质（如精油）具有抗菌和抗氧化作用，常用于活性包装和生物膜的制备（Xu等人，2019年；Smaoui等人，2024年）。其中，丁香精油被美国食品药品监督管理局（FDA）认定为安全物质，因其具有抗氧化、抗菌、镇静、抗寄生虫和抗癌作用而受到特别关注（Perera等人，2023年）。丁香精油已与多种生物聚合物结合使用，如阿拉伯胶（Tabassum等人，2024年）、海藻酸钠（Perera等人，2023年）、壳聚糖（Zsivanovits等人，2024年）、纤维素（Rad等人，2023年）、普鲁兰（Shen等人，2021年）、淀粉（Buso-Rios等人，2020年）和乳清（Fahrullah等人，2022年）等，用于制备活性薄膜。
阿拉伯胶是一种从金合欢属植物（尤其是Acacia Senegal）茎部提取的干燥分泌物（联合国粮食及农业组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会JECFA，2025年）。阿拉伯胶可通过自然方式或因损伤、切割或真菌感染而分泌（Mudgil和Mudgil，2024年）。其主要产地为撒哈拉以南非洲地区，少量分布于阿拉伯半岛和南亚（Prasad等人，2022年）。其成分包含不同分子量的碳水化合物和蛋白质（如阿拉伯半乳聚糖、阿拉伯半乳聚糖-蛋白质复合物和糖蛋白）（Anjo等人，2021年）。这种物质具有两亲性特性（Lamsen等人，2020年）。根据美国食品药品监督管理局（FDA）的规定，阿拉伯胶被认定为“公认安全”（GRAS，Εkonomou等人，2024年）。金合欢胶具有多种技术功能，如高浓度下的低粘度、降低表面张力、乳化作用、成膜能力和包封性能（Bhushette和Annapure，2020年；Silva等人，2023年）。它广泛应用于食品领域（Hay等人，2024年）。其中，Acacia tortilis亚种raddiana主要分布于Bled Talah地区（Bou-Hedma国家公园，Fterich等人，2012年）。其耐极端环境的能力表明其含有生物活性成分，进一步凸显了这种胶的重要性（Rigane等人，2025年）。
选择阿拉伯胶、海藻酸钠、甘油和蜂蜡是因为它们具有互补的功能特性，有助于优化生物膜的配方。阿拉伯胶不仅因其环保和可再生特性而被选用，还因其乳化作用（Kersten等人，2025年）以及增强薄膜凝聚力和稳定性的能力（Huda等人，2025年）。海藻酸钠具有优异的成膜性能（Chen等人，2024年）和机械强度（Song等人，2025年）；甘油则作为增塑剂使用（Lin等人，2025年）。蜂蜡可提高薄膜的疏水性和水蒸气阻隔性能（Kashiri，2025年）。这些组分的组合使得制备出的生物膜具备良好的机械性能和屏障效果，适用于食品包装（Mohamed等人，2020年）。
选择禽肉香肠作为应用对象，是因为这种肉制品易于食用，且含有较高的水分和蛋白质，因此在冷藏储存过程中容易发生氧化和微生物污染（Dong等人，2024年）。丁香精油因其强大的抗氧化作用而被用于需要快速抗氧化的产品中（Pandey等人，2023年）。利用这种食品基质可以评估基于生物膜的包装材料的屏障和保鲜效果。可生物降解的食用薄膜在肉类和禽肉行业中受到关注，因为它们能减少塑料废弃物并提升产品品质和保质期（Kumar等人，2025年）。这类包装主要由天然聚合物（如蛋白质和多糖）组成，既安全又环保，能有效发挥抗菌和抗氧化作用（Wongphan等人，2024年）。
本研究的创新之处在于结合人工神经网络（ANN）建模和混合设计方法，优化了以阿拉伯胶和蜂蜡为成分的多组分生物膜配方。这种方法突破了传统单一组分或单一建模方法的局限性，能够同时优化多个功能参数。虽然混合设计主要适用于线性或二次近似情况，但人工神经网络能够预测复杂的非线性关系（Chouaibi等人，2020a，2020b）。尽管人工神经网络在生物膜制备领域应用有限，但在扩大生产规模方面具有巨大潜力。目前尚无研究结合混合设计和人工神经网络进行生物膜配方优化的研究。
基于生物的食用薄膜仍面临屏障性能和机械强度方面的挑战。本研究旨在通过混合设计和人工神经网络（ANN），优化生物膜的配方，降低水分含量、水蒸气透过率、水溶性、不透明度，同时提高接触角（CA）、白度指数和机械性能。最终选定的最佳配方被应用于禽肉香肠的包装。
材料与试剂
Acacia tortilis亚种raddiana的阿拉伯胶采集自突尼斯的Bou Hedma国家公园（Sidi Bouzid）。原始阿拉伯胶经过干燥、蒸馏水清洗去除杂质后研磨，并在室温（25°C，相对湿度40%）下储存最多两周。海藻酸钠、蜂蜡和甘油购自Sigma-Aldrich（美国）。葵花油则从当地超市采购。
阿拉伯胶的纯化
阿拉伯胶的纯化方法参照Rigane等人（2025年）的研究进行。
混合设计优化
本研究采用单纯形-中心混合设计方法，优化生物膜的水分含量、接触角（CA）、水蒸气透过率、水溶性、白度指数、不透明度、拉伸强度和杨氏模量等性能指标。独立变量包括海藻酸钠（A）、甘油（B）、蜂蜡（C）和阿拉伯胶（D）的用量。各因素及其水平详见表1。
结论
本研究通过单纯形-中心混合设计方法，优化了以阿拉伯胶为基础的生物膜的多个性能指标。实验共进行了24次，涉及四个独立变量（海藻酸钠、甘油、蜂蜡和阿拉伯胶）。同时，还利用具有反向传播算法和4-5-1拓扑结构的人工神经网络（ANN）模型进一步优化了相关参数。
作者贡献声明
Walid Elfalleh：撰写、审稿与编辑。
Eya Soussi：方法学设计、数据整理。
Khouloud Rigane：初稿撰写、监督、方法学设计、资金筹集、概念构思。
Moncef Chouaibi：撰写、审稿与编辑、监督、方法学设计、资金筹集、概念构思。
未引用参考文献
Chen等人，2024年；Chiumarelli和Hubinger，2014年；Goudarzi等人，2022年；Ndwandwe等人；Rigane等人，2024年；Xu等人，2019年。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突。
数据获取
数据可应要求提供。
资金声明
本研究未获得任何外部资助。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。
作者Walid Elfalleh是该期刊的副主编，未参与本文的审稿或出版决策过程。
致谢
作者衷心感谢突尼斯PackTec技术中心和Borj Cedria的CBBC在生物膜分析方面提供的宝贵支持。
