研究概述与背景
这项研究由 Shancan Wang, Mingyu Li, Beibei He, Yueyuan Yong 和 Jie Zhu 等作者完成，分别隶属于西北农林科技大学的农业与食品生物物理实验室、肌肉生物与肉科学实验室，以及宁夏西海固高端肉牛产业研究所等研究机构。研究成果发表在国际期刊 International Journal of Biological Macromolecules 第242卷，文章编号为124732，于2023年5月4日上线。
研究的主要科学领域是可降解食品包装材料，特别是基于多糖成分的复合膜在食品保鲜领域的探索。鉴于传统石油基食品包装带来的环境问题，研究的主要目标是开发新型的具有抗氧化与抗菌活性的可食性复合包装膜，以延长食品保质期。研究基于两个背景知识点：（1）多糖（polysaccharide）因其可降解性和环境友好性，被认为是下一代包装材料的理想选择；（2）茶多酚（tea polyphenols, TP）作为一种天然活性物质，因其强大的抗氧化性能和广谱抗菌能力，可显著改善食品包装膜的性质。
研究目标是开发一种基于海藻酸钠（sodium alginate, SA）和魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan, KGM）的复合膜，其中掺入茶多酚，以提升膜的物理、抗氧化、抗菌性能，并评估其在牛肉及苹果保鲜中的实际应用效果。
研究流程
1. 膜的制备与表征流程
研究采用了多步骤流程来设计和优化 TP-SA-KGM 复合膜：
膜的制备：
- 按照不同比例配置海藻酸钠、魔芋葡甘露聚糖和甘油混合溶液，并分别加入4%、8%、12%和16%含量的茶多酚。
- 将溶液均匀涂布在玻璃皿上，65°C恒温干燥制成具有不同添加量的膜样。
表征实验：
- 使用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析膜的化学结构与分子间作用。
- 通过原子力显微镜（AFM）观察膜表面微观结构。
- 机械性能、接触角、厚度和水蒸气透过率的测试评估膜的机械与物理性质。
- 使用紫外-可见光谱评估膜的光学屏障性能。
2. 分子对接模拟
为了分析茶多酚与 SA 和 KGM 分子之间的相互作用，研究采用 AutoDock Vina 软件进行分子对接模拟。此外，还模拟了茶多酚与细菌细胞壁成分（肽聚糖）的可能结合方式，用以推测其杀菌机理。
3. 抗氧化与抗菌性能测试
抗氧化性：
抗菌性：
- 选择大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus），分别通过培养曲线测定膜对细菌生长的抑制作用。
- 使用 AFM 观察细菌在茶多酚作用下的形态变化。
4. 保鲜效果评估
研究将 TP-SA-KGM 复合膜分别应用于牛肉和苹果保鲜，观察其在冷藏条件下的效果：
牛肉实验：
- 记录肉的总菌落数量（TVC）、重量损失比与色差变化。
- 结合 AFM 图像分析膜在冷藏过程中结构的稳定性。
苹果实验：
- 评估苹果的重量损失率、总溶性糖含量及伤口腐烂直径。
研究结果
1. 复合膜的结构与性能
- FTIR 结果表明，海藻酸钠与魔芋葡甘露聚糖通过氢键结合形成稳定的网络结构，而茶多酚的加入增强了膜内部的交联作用。
- AFM 图像显示，在茶多酚含量低于8%时，膜表面微观结构较平整，但茶多酚含量超过8%后，膜表面出现小孔和粗糙度增加的现象。
- 机械性能测试表明，茶多酚的加入提高了膜的拉伸强度（TS），并在8%时达到最大值，但膜的断裂伸长率（EAB）有所下降。
2. 抗氧化与抗菌活性
- DPPH 试验显示，TP-SA-KGM 膜的抗氧化活性显著高于未添加茶多酚的膜。膜的抗氧化能力随茶多酚含量增加而逐渐增强。
- 抗菌实验表明，TP-SA-KGM 膜对金黄色葡萄球菌的抑菌能力明显强于大肠杆菌，其可能与两种细菌细胞壁结构中肽聚糖层的差异有关。
3. 保鲜效果测试
牛肉：
- 与对照组相比，TP-SA-KGM 膜包装的牛肉在冷藏条件下总菌落数显著减少，延长了保鲜期超过2天。
- TP-SA-KGM 膜能够显著降低牛肉的氧化速率，保持牛肉颜色稳定，同时减缓水分蒸发。
苹果：
- 膜能够减少苹果的重量损失并保持较高的总溶性糖含量，表明其对水果呼吸作用有显著抑制效果。
- 苹果腐烂直径实验显示，TP-SA-KGM 膜能有效减缓微生物引起的腐败过程。
研究结论与价值
该研究表明，以8%茶多酚为优化添加比例制备的 TP-SA-KGM 复合膜具有以下亮点：
- 科学意义： 通过多糖复合膜的开发，为替代石油基包装材料提供了一条可行路径，同时揭示了茶多酚在抗菌与抗氧化领域中的潜在价值。
- 应用价值： TP-SA-KGM 复合膜在延长牛肉与苹果的保鲜期中表现出优良的抗菌、抗氧化效能和较好的物理性能，可作为食品包装领域的环境友好型替代材料。
研究亮点与创新
- 学术亮点： 研究结合实验与分子模拟分析深入探讨了茶多酚在多糖膜结构中的作用机理及其对细菌的杀伤机制。
- 技术创新： 设计并制备出一种新型生物活性膜，其机械性能和稳定性远优于传统可食性膜。
- 应用潜力： 除了牛肉与苹果，该膜在其他食品保鲜中的应用潜力亦值得进一步探讨。
这项研究为解决全球食品浪费问题提供了新思路，并为可持续食品包装材料的开发奠定了科学基础。