Inherently acidic films based on chitosan lactate-doped starches and pullulan as carries of nisin: A comparative study of controlled-release and antimicrobial properties
基于乳酸壳聚糖掺杂淀粉与普鲁兰多糖构建天然酸性纳他素缓释膜：缓释与抑菌性能对比研究
来源：Food Chemistry, Volume 404, 2023, Article number 134760
《食品化学》，2023年，第404卷，文章编号 134760
摘要
本研究将不同添加量（0.05%、0.1%、0.2%）的Z型尼生素掺入乳酸壳聚糖单组分膜，以及乳酸壳聚糖分别与玉米淀粉、小麦淀粉、氧化马铃薯淀粉、普鲁兰多糖按照75:25复配的可食膜基材中。尼生素与聚合物比例提升会推动药物扩散释放；乳酸壳聚糖、普鲁兰多糖复配乳酸壳聚糖薄膜可完全水溶，各类淀粉复配乳酸壳聚糖薄膜溶解度仅27%~37%，实现尼生素缓慢、不完全释放，水中尼生素半数释放时间跨度从不足1分钟至13小时；所有薄膜体系pH均约4.5，各组配方抑菌活性差异较小；负载尼生素的薄膜可抑制蜡样芽孢杆菌、单增李斯特菌、金黄色葡萄球菌、胡萝卜软腐果胶杆菌等致病菌与发酵起始菌种生长；尼生素提升薄膜紫外阻隔性能，但0.2%添加量会使多数薄膜拉伸强度下降17%~32%。
关键词
乳酸壳聚糖；淀粉；普鲁兰多糖；尼生素；可控缓释；抑菌活性
研究目的
探究不同添加浓度尼生素对乳酸壳聚糖、四种多糖-乳酸壳聚糖复配可食膜理化、缓释、抑菌性能的影响，对比不同基材薄膜的尼生素控释潜力，筛选适配食品活性包装的成膜基材。
研究思路
1. 选用乳酸壳聚糖、玉米淀粉、小麦淀粉、氧化马铃薯淀粉、普鲁兰多糖，制备单组分膜以及多糖:乳酸壳聚糖=75:25复配膜，分别掺入0%、0.05%、0.1%、0.2%梯度含量尼生素；
2. 表征成膜液与薄膜微观形貌、pH、光学特性、吸湿、溶胀溶解、机械性能；
3. 体外水溶环境测定尼生素释放动力学，借助多种动力学模型拟合半数释放时间；
4. 采用MIC与琼脂孔扩散试验评价薄膜体系抑菌效果；
5. 整合所有数据对比不同基材薄膜控释与抑菌差异，总结配方规律。
研究亮点
1. 利用乳酸壳聚糖自身天然酸性构建酸性成膜体系，无需额外调酸即可维持尼生素稳定，省去酸化改性步骤；
2. 同一试验条件下横向对比四种淀粉与普鲁兰多糖复配乳酸壳聚糖载体，系统明确不同多糖调控尼生素缓释的规律；
3. 实现通过基材配方调控尼生素释放速率，半数释放时间可在1min~13h大范围调控；
4. 证实复合膜可抑制胡萝卜软腐果胶杆菌这类植物致病菌，拓展尼生素在果蔬防腐应用潜力。
可延伸的方向
1. 开展实际生鲜肉类、果蔬基材试验，探究薄膜在真实食品基质中的尼生素释放与保鲜效果；
2. 复配植物精油、ε-聚赖氨酸等天然抑菌物，改善配方对大肠杆菌、沙门氏菌等革兰氏阴性菌的抑制能力；
3. 优化薄膜配方降低高含量尼生素对薄膜力学性能的负面影响；
4. 进行产业化工艺优化，降低原料成本，推进可食抑菌包装工业化生产；
5. 探究储存温湿度变化对薄膜理化与缓释性能的长期影响。
测量的数据及研究意义
1 成膜液、薄膜pH、透明度、黄度指数、含水率、拉伸强度、断裂伸长率，数据来源于表1；意义：明确原料种类、尼生素添加量对薄膜基础理化属性的影响，为薄膜外观、加工适用度、储存稳定性优化提供依据。
2 薄膜溶解度、溶胀动力学数据，数据来源于图3；意义：阐明薄膜水溶溶胀行为与尼生素释放关联性，解释淀粉基薄膜缓释、普鲁兰/乳酸壳聚糖薄膜快速释药的机理。
3 不同时间尼生素累积释放率、半数释放时间t50%、Korsmeyer-Peppas模型扩散指数n，数据来源于表1、图4；意义：判定尼生素释放机制为准菲克扩散，不同基材可精准调控释放周期，指导按需设计长效/速效抑菌包装。
4 微观形貌（冷冻SEM、DIC显微镜）、表面粗糙度Rq，数据来源于图1；意义：解析共混体系相容性、尼生素团聚对膜结构的破坏作用，从微观结构解释理化性能变化原因。
5 薄膜紫外透光率，数据来源于图2；意义：证实尼生素添加可提升薄膜紫外阻隔能力，有利于避光保鲜，延缓食品油脂氧化变质。
6 尼生素最低抑菌浓度MIC；意义：量化尼生素对不同菌种抑制阈值，预判实际使用所需添加剂量。
7 琼脂孔扩散抑菌圈直径，数据来源于表2；意义：直观评价各成膜液实际抑菌效果，明确尼生素添加量、基材种类对抑菌能力的影响规律。
结论
1 尼生素占比提升依靠扩散作用加快释放，依靠多糖与乳酸壳聚糖复配可灵活调控尼生素释放速度，释放半衰期可在<1 min~13 h区间调节。
2 乳酸壳聚糖、普鲁兰多糖/乳酸壳聚糖薄膜完全水溶，尼生素释放彻底且速度快；各类淀粉复配乳酸壳聚糖薄膜溶解度低，尼生素释放缓慢且释放不完全，适合易使尼生素失活食品的表面长效防护。
3 所有复配薄膜pH接近4.5，因此各组配方体外抑菌效果差距较小；薄膜可抑制多种革兰氏阳性致病菌与发酵起始菌，但无法抑制大肠杆菌、肠炎沙门氏菌。
4 尼生素可提升薄膜紫外屏蔽性能，0.2%高添加量会破坏高分子链相互作用，大幅降低薄膜拉伸强度。
5 无尼生素空白乳酸壳聚糖成膜液无体外抑菌圈，原因是乳酸壳聚糖大分子在琼脂体系迁移能力受限。
使用芬兰 Bioscreen仪器测量数据的研究意义
Bioscreen C全自动微生物生长分析仪用于测定尼生素对受试菌种的MIC数值，
1 连续自动监测不同尼生素浓度下全周期菌体OD600吸光度变化，精准确定完全抑制微生物生长的最低尼生素用量，避免人工培养计数误差，定量评估尼生素抑菌敏感性；
2 区分不同菌种对尼生素耐受差异，证实金黄色葡萄球菌耐受水平接近革兰氏阴性菌，发酵用植物乳杆菌、木糖葡萄球菌对尼生素高度敏感，提示该保鲜膜应用于发酵肉制品时会干扰自然发酵；
3 明确高浓度尼生素才可微弱抑制酵母菌，为实际保鲜场景中酵母污染防控提供配方优化依据；
4 结合MIC数据反向指导薄膜中尼生素添加量设计，在满足抑菌效果前提下尽量减少尼生素投料，降低生产成本。