基于非共价相互作用的抗菌马铃薯蛋白/ε-聚赖氨酸盐酸盐/单宁酸生物塑料组装体在蓝莓保鲜中的应用

《International Journal of Biological Macromolecules》：Non-covalent interaction-driven assembly of antimicrobial potato protein/ε-polylysine hydrochloride/tannic acid bioplastics for blueberries preservation

采用土豆蛋白基质，通过引入ε-聚赖氨酸盐酸盐和鞣酸构建复合薄膜，非共价网络结构显著提升薄膜机械性能（拉伸强度增39.98%，断裂伸长率增53.38%）和阻隔性（水蒸气渗透率降27.84%），同时增强紫外线屏蔽及表面亲水性。复合薄膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率超99%，有效延长蓝莓货架期，为开发绿色活性包装材料提供新策略。

　　

孙瑞萌|张一萌|张彦莉|严倩倩|彭勇|侯汉雪|王文涛

山东省农业大学食品科学与工程学院，山东省粮食加工工程技术中心，中国山东省泰安市，271018

摘要

本研究将ε-聚赖氨酸盐酸盐（ε-PL）和单宁酸（TA）引入马铃薯蛋白基质中，制备出具有非共价网络的复合薄膜，并系统研究了其结构特性和功能性能。与纯蛋白薄膜相比，所得复合薄膜具有更紧密的交联网络结构，从而提高了机械性能和阻隔性能。具体而言，其拉伸强度和断裂伸长率分别提高了39.98%和53.38%，而水蒸气透过率降低了27.84%。更密集的微观结构还增强了薄膜的紫外线屏蔽能力。此外，马铃薯蛋白链之间的非共价相互作用、ε-PL的氨基和亚胺基团以及TA的酚羟基共同作用，提高了薄膜的表面亲水性。抗菌测试表明，含有ε-PL和TA的薄膜对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）表现出优异的抗菌活性，抑制率超过99%。由于复合薄膜具有较低的水蒸气透过率，有效减少了包装蓝莓在储存过程中的水分损失，延长了保质期。因此，本研究为开发绿色、安全且可生物降解的植物蛋白基活性包装材料提供了有效且可持续的策略。

引言

现代食品工业对石油基塑料的依赖导致了严重的环境问题，因为这些塑料不可降解且会产生微塑料[1]。为此，过去十年间，人们广泛研究了可再生资源来源的生物塑料[2]。从传统塑料向生物基包装材料的转变被视为缓解气候变化、减少温室气体排放和促进循环经济的重要策略[3]。其中，基于多糖的生物聚合物（如淀粉和纤维素）得到了广泛研究[4]。天然存在的蛋白质（如明胶、胶原蛋白、乳清蛋白、酪蛋白等）也引起了人们的极大兴趣[5]。然而，大多数用于生物塑料开发的蛋白质来自动物，这存在一定的局限性。与植物基替代品相比，动物源蛋白质的生产通常伴随着更高的碳排放，因为动物在生态链中处于更高的营养级[6]。此外，使用动物源蛋白质可能会引起某些消费者群体（包括素食者和有特定饮食限制的人）的伦理和宗教顾虑[7]。 相比之下，马铃薯作为一种广泛种植的主粮作物，不仅是淀粉的重要来源，还含有宝贵的蛋白质成分。马铃薯蛋白是淀粉加工的副产品，使其成为开发植物基可降解材料的可持续且符合伦理的候选材料[8]。然而，与动物源蛋白质（如明胶、酪蛋白）更线性、更柔韧的随机卷曲构象不同，植物蛋白通常具有复杂的球状结构，具有高度异质性和强烈的分子内相互作用（如二硫键和疏水结构域[9]）。这些结构限制导致溶解度较低、分子运动受限，并且在加工过程中容易聚集，从而阻碍了连续且机械强度高的蛋白质薄膜的形成。因此，仅由植物蛋白制成的薄膜往往表现出脆性、较低的拉伸强度和较差的结构完整性，严重限制了其在食品包装中的实际应用。 一般来说，生物聚合物薄膜基质通过大分子网络内的非共价相互作用达到稳定[10]。在水性成膜溶液中，大分子最初通过氢键结合，随后机械搅拌促进链之间的缠结，形成初步的分子网络。为了增强薄膜的强度和凝聚力，引入了柠檬酸、苹果酸和马来酸等多羧酸作为交联剂[11]。然而，这些化合物的强酸性会显著降低溶液的pH值，破坏蛋白质的溶解性并影响成膜能力。作为植物来源的多酚，单宁酸（TA）提供了一个有吸引力的替代品。其结构富含没食子酰基团，提供了许多可以作为氢键供体和受体的酚羟基，从而促进聚合物网络内的广泛物理交联[12]。此外，TA的芳香环还可以进行π-π堆叠相互作用，进一步增强分子间的凝聚力[13]。 尽管基于蛋白质的薄膜在结构和功能上具有优势，但其高营养含量为微生物的滋生和食品变质提供了有利条件，从而影响了包装的稳定性和保质期。为了解决这一问题，将ε-聚赖氨酸盐酸盐（ε-PL）（一种通过微生物发酵产生的天然抗菌多肽）引入了薄膜体系。ε-PL被美国FDA认定为安全的食品防腐剂，因其优异的生物相容性、无毒性和可生物降解性而在食品工业中得到广泛应用[14]。其抗菌活性主要来源于分子主链上的丰富ε-氨基，这些氨基在生理pH值下带有正电荷。这些阳离子位点使ε-PL能够与带负电荷的微生物细胞膜发生静电相互作用，破坏膜完整性，导致细胞内成分泄漏，最终导致细胞死亡[15]。 迄今为止，关于在植物蛋白基质（特别是马铃薯蛋白体系）中协同整合ε-PL和TA的研究还较为有限，以实现结构增强和抗菌功能的双重目的。因此，我们构建了一种由ε-PL和TA共同改性的马铃薯蛋白基薄膜体系，并提出了一种双重功能的协同策略：(i) 通过ε-PL、TA和蛋白链之间的非共价相互作用提高薄膜的结构完整性；(ii) 提供对食品表面腐败微生物的有效抗菌保护。这种协同设计不仅克服了植物蛋白基薄膜的固有局限性，还扩展了其作为活性食品包装材料的潜在应用。

材料

马铃薯蛋白分离物（纯度90%）购自西安拓丰生物科技有限公司（中国陕西省西安市）。甘油（M_W：92.09，CAS：56–81-5）购自凯通化学试剂有限公司（中国天津市）。ε-PL（CAS：28211–04-3）由银象生物工程有限公司（中国浙江省台州市）提供。单宁酸（M_W：1701.23，CAS：1401-55-4）购自凯通化学试剂有限公司（中国天津市）。大肠杆菌（E. coli CVCC1387）和金黄色葡萄球菌（S. aureus CMCC26003）

微观结构

扫描电子显微镜（SEM）图像直接展示了图1a所示的马铃薯蛋白基薄膜的微观结构。P薄膜横截面观察到的松散多孔结构表明，蛋白质分子未能形成足够的分子间缠结，导致内部紧密度较差。即使在成膜过程中的超声处理和均质化处理后，这一局限性仍然存在，反映了薄膜内部凝聚力的本质薄弱

结论

本研究开发了一种含有ε-PL和TA的马铃薯蛋白基包装薄膜。马铃薯蛋白、ε-PL和TA之间的协同作用促进了非共价交联网络的形成，使得微观结构更加紧密。与纯马铃薯蛋白薄膜相比，复合薄膜表现出显著改善的机械性能、增强的紫外线屏蔽能力和显著降低的水蒸气透过率。

CRediT作者贡献声明

孙瑞萌：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 张一萌：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、结果验证、实验研究、数据分析。 张彦莉：实验研究。 严倩倩：软件操作。 彭勇：项目监督、资源协调。 侯汉雪：资源支持。 王文涛：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了山东省重点研发计划（2023TZXD078）、国家自然科学基金（32102015）、中国博士后科学基金（2022M711965）以及山东省高校青年创新人才引进与培养计划的支持。