开发并评估具有内源性抗菌功能的氧化淀粉/聚乙烯醇/琼脂糖三元混合物基吸水垫在鸡肉保鲜中的应用效果及效率

《International Journal of Biological Macromolecules》：Development and efficiency assessment of oxidized starch/polyvinyl alcohol/agarose ternary blend-based absorbent pads with endogenous antibacterial functionality for chicken preservation

开发了一种基于氧化玉米淀粉（OST）/聚乙烯醇（PVA）/琼脂（AG）的复合活性包装材料，通过FTIR和XRD证实OST通过氢键和酯化交联增强材料性能，微观结构显示均匀多孔。实验表明1% OST复合垫抗菌率超99%，机械强度0.54MPa，吸水率4.5g/g，鸡胸肉保鲜期延长1天。

　　

刘一琦|宋桥伟|张水东|胡长英

中国广东省肇庆市肇庆大学食品与制药工程学院，邮编526061

摘要

为了解决消费者对新鲜鸡肉渗出物的担忧，本研究旨在开发一种具有优异抗菌性能、机械强度和水分管理能力的活性食品包装材料。通过使用氧化玉米淀粉（OST）作为功能增强剂，制备了氧化玉米淀粉/聚乙烯醇/琼脂糖（OST/PVA/AG）复合垫。傅里叶变换红外光谱和X射线衍射分析证实，OST通过分子间氢键和酯化交联反应成功结合到了PVA/AG基质中。这些相互作用增强了分子间力并降低了材料的结晶度。微观形态观察显示，复合垫具有均匀的多孔结构，其厚度和颜色随OST含量的增加而变化。性能测试表明，随着OST含量的增加，对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌效果显著提高。综合考虑各项性能，含有1% OST的复合垫表现出最佳的抗菌效果（抑制率超过99%）、机械性能（拉伸强度为0.54 MPa，断裂伸长率为72%）和吸水能力（4.5 g/g），同时细胞存活率为85%，显示出良好的生物相容性。鸡肉保鲜实验进一步证实，OST/PVA/AG-IV垫能有效吸收渗出物并抑制微生物生长。储存6天后，鸡肉的总挥发性碱性氮（TVB-N）值保持在14.81 mg/100 g，总活菌数低于腐败阈值，相比对照组延长了约1天的保质期。这些结果证实了OST/PVA/AG复合垫在肉类保鲜领域的应用潜力。

引言

随着全球对新鲜肉类（如鸡肉）需求的增长，有效延长其冷藏保质期已成为食品工业面临的关键挑战。在储存和运输过程中，鸡肉不可避免地会渗出汁液，这不仅会污染包装环境并促进微生物生长，还会影响产品外观，降低消费者的购买意愿[1]、[2]、[3]、[4]。这种渗出物主要由水、蛋白质和小分子营养物质组成，为腐败菌和致病菌提供了理想的生长介质，进一步加速了鸡肉质量的恶化，并可能带来食品安全风险[5]、[6]。为了解决渗出物泄漏问题，食品工业探索了多种方法，包括优化冷藏温度（改良气氛储存）、用可食用涂层（如壳聚糖涂层）处理肉表面以及使用吸水材料。其中，吸水垫因其操作简便、成本低廉和直接有效而备受关注——它们可以直接吸收渗出物，保持干燥的包装环境，防止交叉污染，并保持肉类的外观完整性。这些优势是其他主要关注抑制渗出而非管理现有渗出物的技术难以替代的。

在这种情况下，吸水垫被广泛用于新鲜肉类包装中，以吸收渗出物并保持产品外观[6]、[7]。然而，传统吸水垫通常存在吸水性差、湿强度不足和缺乏抗菌活性等局限性。更重要的是，大多数吸水垫由不可降解的石油基材料制成，废弃后难以降解，导致严重的环境污染和增加废物管理负担[7]、[8]。随着全球食品工业向绿色和可持续发展转型，迫切需要开发环保型吸水垫。这类吸水垫不仅对保护动物性食品至关重要——通过减少腐败和提高安全性——而且在改善废物管理和促进环境可持续性方面也发挥着关键作用。这凸显了环保型吸水垫在食品保鲜和环境治理中的双重重要性。

为了解决传统吸水垫的性能局限，活性包装领域开发了标准和高性能的功能性吸水垫。虽然高性能吸水垫具有更好的液体吸收和保持能力，但仍面临与非可降解材料相关的环境问题[9]。因此，研究人员将重点转向了使用可降解材料（如植物纤维素或生物聚合物（例如聚乳酸（PLA）和聚乙烯醇（PVA））制成的吸水垫，以强调可持续性[10]、[11]。在这些可降解聚合物中，聚乙烯醇（PVA）因其优异的成膜性能、生物相容性和可降解性而成为生产吸水垫的常用基底。为了优化性能，研究人员采用了生物聚合物混合策略。例如，将海藻提取的琼脂糖（AG）与PVA混合，可以通过氢键调节亲水性，提高湿强度并增强液体保持能力[12]。除了PVA/AG混合物外，还探索了其他天然聚合物混合物（如PVA与结冷胶或羧甲基纤维素的组合）。然而，PVA/AG混合物因其更强的生物相容性和成膜稳定性而受到更多关注[5]、[12]。

同时，为了赋予包装活性抗菌功能并进一步延长鸡肉的保质期，研究人员尝试将各种生物活性物质掺入吸水垫中[7]、[9]。这些生物活性物质包括银离子、金属和金属氧化物纳米颗粒（例如ZnO、TiO?）[13]、[14]、有机酸[5]、精油（例如牛至油、肉桂油）[16]和植物提取物[8]。这些物质可以抑制腐败菌和致病菌的生长，从而延长肉制品的保质期[8]、[17]。然而，这些生物活性物质也存在显著局限性：金属纳米颗粒可能具有潜在的毒性和生物累积风险；精油和植物提取物具有挥发性，可能改变肉类的风味和感官特性；有机酸可能导致肉类表面酸化，影响产品质量[13]、[15]。此外，生物活性物质从吸水垫基质中渗出可能导致抗菌效果不稳定，且一些改性吸水垫作为食品接触材料的安全性评估尚不充分，这严重限制了它们的商业应用[16]。

因此，开发一种安全、无味、天然具有抗菌性和可降解性的吸水垫至关重要。这种吸水垫不仅能有效解决渗出物吸收和微生物污染问题，还能避免传统吸水垫及含外源性生物活性物质吸水垫带来的环境污染和食品安全风险。氧化淀粉作为一种安全的食品改性多糖，具有重要的应用潜力。它通过氧化改性从天然淀粉（如玉米淀粉、马铃薯淀粉）中获得，无毒、可降解且具有良好的生物相容性，适合作为安全的食品接触材料[17]、[18]。氧化淀粉的抗菌机制主要源于其独特的多羟基-多羧基结构。氧化淀粉中的羧基可以通过静电吸引与细菌细胞膜上的氨基相互作用，破坏膜完整性，导致细胞内物质（如蛋白质、核酸）泄漏，最终抑制细菌生长或导致细胞死亡[19]、[20]、[21]、[22]。此外，氧化淀粉中的羟基可以与水分子形成氢键，提高材料的液体吸收能力，而羧基进一步增强了亲水性和液体保持能力，实现了吸收和抗菌的双重功能。研究表明，高羧基含量的C-6氧化玉米淀粉（OST）具有优异的抗菌活性，效果迅速且持久，不会改变食品风味[19]、[20]、[21]、[22]。

为了满足对绿色包装日益增长的需求，本研究旨在开发一种新型的复合抗菌吸水垫，其核心目标是环保、安全和高性能。通过创新性地选择PVA、AG和OST作为基质材料，该吸水垫结合了PVA/AG的优异成膜能力、湿强度和可降解性以及OST的天然抗菌性能。这种方法避免了外源性生物活性添加剂的局限性，在环境可持续性和成本效益方面优于传统的合成或天然纤维基材料。通过冻融循环结合冷冻干燥，成功制备了均匀多孔的吸水垫。该吸水垫表现出出色的液体吸收、保持能力和机械强度，同时完全由安全、可降解和无味的成分组成，不会改变食品的风味。实际应用测试证实了其在抑制微生物生长、减少汁液渗出和保持冷藏鸡肉质量方面的有效性。这项工作为开发功能性及环保型食品包装材料提供了可行的技术解决方案。

材料

聚乙烯醇（PVA，Mn = 1750 ± 50）、氯化钾和无水碳酸钾购自中国国药化学试剂有限公司。甲基红、溴甲酚绿、甘油和乙醇购自上海阿拉丁生化科技有限公司。琼脂糖（AG，凝胶强度（1%）> 750 g/cm2）购自上海Baygene生物技术有限公司。玉米淀粉（食品级，水分含量13%，直链淀粉与支链淀粉比例为22:78）购自...

FTIR光谱

图1a展示了PVA、AG、OST和原始玉米淀粉（ST）粉末的红外光谱。PVA和OST均显示出位于3281 cm?1处的宽而强烈的吸收峰，这归因于羟基（-OH）的伸缩振动以及分子内和分子间氢键的形成。纯PVA还显示出2914 cm?1、1142 cm?1和1087 cm?1处的特征吸收峰，分别对应于甲基（-CH?）的伸缩和碳-碳（C-C）键的对称振动。

结论

本研究成功开发了一种基于PVA/AG基质的新型活性食品包装垫，其中掺入了OST（OST/PVA/AG）。OST的加入通过分子间氢键优化了材料的微观结构，形成了更密集的多孔网络，从而提高了热稳定性、吸水能力和抗菌性能，同时显著降低了水蒸气透过率。在该系统中，OST表现出剂量依赖性的抗菌活性。

CRediT作者贡献声明

刘一琦：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、软件使用、实验研究、数据分析。宋桥伟：撰写——初稿、方法设计、实验研究、数据整理。张水东：资源获取、项目管理、资金筹措、概念构思。胡长英：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、项目管理、资金筹措、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52173098）和中国国家重点研发计划（项目编号：2018YFC1603205/2018YFC1603200）的财政支持。