Research Progress of Antibacterial Hydrogels in the Food Field3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
ZHENG Yalu ZHU Shengyu XIONG Xiaohui XUE Feng L Chen3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
College of Food Science and Light Industry, Nanjing Tech University School of Pharmacy, Nanjing3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
University of Chinese Medicine
3pR知覽論文網 Abstract：Hydrogel is a polymer material composed of a hydrophilic three-dimensional network structure, which can quickly absorb water, swell, and maintain the swollen state, so that a large volume of water will not be lost. It can provide sufficient capacity to accommodate a variety of materials, including small molecules, polymers and particles, among which, those that exhibit antibacterial properties are called antibacterial hydrogels. Antibacterial hydrogels have been widely used in many fields, such as biomedicine, textile, chemical industry, agriculture, and tissue engineering. They have great application potential in food packaging, food quality indication, and food preservation, but have not attracted enough attention. According to the type of active ingredients, antibacterial hydrogels can be divided into three categories: natural polymer antibacterial hydrogel, hydrogels loaded with inorganic/organic antibacterial substances, and antibacterial hydrogels containing light-activated or light-responsive materials. This review expounds on the antibacterial mechanism and application status of these three types of antibacterial hydrogels, in order to provide a broader idea for the application of hydrogels in the field of food to exert its antibacterial effect .3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
Keyword：Hydrogel; Bacteriostasis; Antibacterial mechanism; Food Packaging; Food Preservation;3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
近年來，微生物污染嚴重危害了食物安全和人體健康，抗生素應運而生，已經成為現代醫學的基石。然而，持續的使用和濫用抗生素導致耐藥性細菌也隨之出現。傳統抗菌劑的抗菌機理大多是通過破壞細菌細胞內部的酶活性來抑制細菌的生長，易導致細菌產生耐藥性，進而逐漸變為耐藥菌株[1]。因此，當前迫切需要開發新的抗菌劑以及急需尋找新的、高效的抗菌材料來解決這一問題?？咕牧蠎斁哂邪踩珶o毒、優異的抗菌性和生物相容性等特征，為了滿足這些要求，一些新型的抗菌材料，如碳納米管[2]、金屬納米顆粒[3]、聚合物[4]、多肽[5]、水凝膠[6]的潛在應用價值已經顯現出來。在這些抗菌材料中，水凝膠因具有其獨特的優勢，受到廣泛關注。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
“水凝膠”一詞于1894年第一次出現在文獻中[7]，水凝膠是親水性或水溶性高分子通過一定的物理或化學交聯所形成的三維(3D)網絡結構的凝膠，其中水為分散介質并且至少占凝膠重量的70%，因此，水凝膠具有很強的吸水性和保水性。此外，基于天然高分子材料的水凝膠還具有其他很多特性，比如具有生物相容性和生物可降解性、較小的硬度和較高的彈性，這就決定了水凝膠具有多種商業用途。事實上，對于合成功能性水凝膠的研究已經很成熟了，如自愈水凝膠[8]、抗菌水凝膠[9]、形狀記憶水凝膠[10]以及組織粘合劑水凝膠[11]等。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
水凝膠憑借其獨特的三維結構，能夠提供足夠的容量容納小分子、聚合物和顆粒等材料，已然成為一種具有實用前途的抗菌材料，廣泛應用于生物醫學、化妝品、紡織、化工、建筑、農業以及組織工程等多個領域，是目前研究的熱點[12]。相比于其他抗菌材料，水凝膠成本低且容易獲得，因此，抗菌水凝膠的應用對人類生活產生了巨大的積極影響。然而，抗菌水凝膠在食品領域上的應用沒有引起人們足夠的重視。關于抗菌水凝膠在食品領域上的應用類綜述也未有發表。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
目前，根據其活性成分的類型，抗菌水凝膠主要可分為3大類：天然高分子抗菌水凝膠，例如纖維素基抗菌水凝膠、殼聚糖基抗菌水凝膠和淀粉基抗菌水凝膠等；載有無機/有機抗菌物質的水凝膠，例如銀納米粒子(NPs)、氧化鋅/季銨鹽等；載有光激活或光響應材料的水凝膠，這類水凝膠可以借助光介導發揮抗菌的功能。這3類各有優缺點，其中，將光激活或光響應材料結合到具有良好生物相容性的水凝膠里，所制備出的光介導抗菌水凝膠由于其優異抗菌性能而引起了人們的廣泛興趣[13]。根據不同活性成分的抗菌水凝膠的優缺點，選擇安全且合適的抗菌水凝膠應用于食品領域是切實可行的。本綜述分別闡述了這3類抗菌水凝膠的抗菌機理及其應用現狀，以期為抗菌水凝膠在食品領域上發揮抗菌功效的應用提供更廣闊的思路。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
1 水凝膠的形成機理3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
由于水凝膠基本上是由交聯網絡構成的，因此，根據水凝膠形成時不同的交聯方式，可簡單分為物理交聯水凝膠和化學交聯水凝膠兩大類[14](見圖1)。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
1.1 物理交聯水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
物理交聯水凝膠在凝膠形成過程中不涉及化學反應，通過聚合物鏈間的弱相互作用力形成的，如疏水相互作用[15]、氫鍵[16]、離子相互作用[17]等，由于分子之間的作用力不強，通過改變一些物理條件，如pH 、溫度等，就可以破壞物理交聯水凝膠的結構。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
1.1.1 疏水相互作用3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
以親水單體和少量疏水單體的共聚反應為基礎，同時在反應體系中加入表面活性劑作為水凝膠網絡的交聯點，最終可得到穩定的疏水締合水凝膠。近年來，疏水作用水凝膠在抗菌敷料領域受到越來越多的關注。Li等[18]采用丙烯酸、1-乙烯基-3-丁基咪唑鎓、羧基改性阿拉伯樹膠和氯化鋁一步法制備了一種抗菌水凝膠敷料。由于疏水相互作用，該水凝膠在吸水后的力學性能得到改善。因此，這種新型水凝膠在傷口敷料領域具有廣闊的應用前景。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
1.1.2 氫鍵3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
氫鍵是一種非共價相互作用力，具有獨特的可調節性、特異性和方向性。雖然單個氫鍵的解離能很低，但多個氫鍵的聚集體形成的強鍵合能與共價鍵相當[19]。所以，利用氫鍵作為交聯點制備水凝膠成為新的趨勢。Zhang等[20]通過開環聚合(ROP)技術制備了水溶性三嵌段共聚物，由于特殊的鋸齒形氫鍵的存在，形成一個致密的疏水核，由此開發了一種具有超拉伸性、堅韌性和可自愈性的水凝膠。該項工作為通過增強高密度氫鍵開發聚合物水凝膠提供了一種新策略，具有優異的機械性能，并顯示出其廣泛的應用潛力。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
1.1.3 離子相互作用3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
離子交聯水凝膠是一類由離子與聚合物側鏈形成離子鍵的水凝膠。例如：Zhou等[21]通過三嵌段共聚物膠束和離子相互作用的雙重交聯，獲得了高度柔韌、堅韌和自修復的水凝膠，動態的離子相互作用賦予水凝膠自愈性能。其中，海藻酸鈉與鈣離子通過離子相互作用形成的離子交聯水凝膠是最常見的離子交聯水凝膠。例如，Li等[22]成功開發了具有促血管生成和抗菌特性的鈣離子(Ca2+ )交聯海藻酸鈉(SA)水凝膠。通過細胞毒性試驗和菌落形成試驗可知，該水凝膠不僅具有良好的生物相容性還能夠有效的抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
1.2 化學交聯水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
化學交聯水凝膠是由共價鍵構成的具有三維網絡結構的凝膠，它的聚合物鏈(共價鍵)之間呈現出強而持久的相互作用力，導致其交聯過程不可逆，所以這類水凝膠具有結構穩定等特點，但是也可以通過特殊的物理方式、水解或酶解來破壞其三維結構。通常，化學交聯水凝膠多是通過添加小分子化學交聯劑、引發劑等形成的，具有上述優點的同時也具有非環境友好和有毒等缺點，因此，限制了其在食品領域的應用。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
化學交聯水凝膠的制備一般分為兩步：首先要制備前體物質，然后再選擇不同的交聯方式進行凝膠化。根據不同的交聯方式可分為交聯劑交聯水凝膠[23]，輻射交聯水凝膠[24]，光交聯水凝膠[25]等。在不使用有細胞毒性的化學試劑的前提下，所制備的輻照交聯水凝膠和光交聯水凝膠在食品領域的應用也是具有可行性的。Chang等人[26]以明膠和透明質酸為基質，通過化學交聯并進一步負載作為抗菌因子的扁柏醇抗菌劑，成功制備了一種具有抗菌作用的水凝膠。通過化學交聯可以增強水凝膠的機械性能、結構穩定性及其抗降解性能，成功開發了具有良好機械強度、抗菌性能和無細胞毒性的可生物降解的再生水凝膠。由此可見，選擇合適的化學交聯方法，也可以制備出適用于食品領域的抗菌水凝膠。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2 抗菌水凝膠的分類3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
高分子水凝膠可分為天然高分子水凝膠和合成高分子水凝膠[27]。天然高分子水凝膠大多具有一定的抗菌性，而合成高分子水凝膠通常沒有抗菌性，需要額外再嵌入抗菌物質，如無機物質、有機物質、光激活或光響應材料等[28]。因此，根據活性成分的類型，抗菌水凝膠主要可分為3類[29]：天然高分子抗菌水凝膠，此類抗菌水凝膠具有良好的生物相容性和可降解性，是應用于食品領域的首要選擇；載有無機/有機抗菌物質的水凝膠，例如銀納米粒子(NPs)、氧化鋅/季銨鹽等；載有光激活或光響應材料的抗菌水凝膠。他們的優缺點見表1。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2.1 天然高分子抗菌水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
制備天然高分子水凝膠的基材有很多，如殼聚糖、海藻酸鈉、纖維素、蛋白質和明膠等，大多都具有一定的抗菌特性。其中天然多糖因其具有抗微生物和粘膜粘附等特性而優于其他天然高分子水凝膠基材[32]。因此，天然高分子多糖基抗菌水凝膠的實際應用相比于其他基材制備的天然高分子水凝膠更加廣泛。天然高分子多糖基抗菌水凝膠的抗菌機理為：多糖在液體中解離而產生帶正電荷的基團與帶負電荷的致病菌膜成分的結合，破壞細胞膜結構，導致細胞質泄漏，從而抑制微生物的生長繁殖。其主要抗菌機理見圖2。天然高分子多糖基抗菌水凝膠可分為3類：纖維素基抗菌水凝膠、殼聚糖基抗菌水凝膠和淀粉基抗菌水凝膠。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2.1.1 纖維素基抗菌水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
纖維素是地球上最豐富的可再生資源，其具有豐富的羥基，易于形成氫鍵連接的網絡結構，是用于制備水凝膠的優質材料[34]?？梢酝ㄟ^化學改性纖維素或者添加金屬納米顆?？墒估w維素具有抗菌性能。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
Shaghaleh等人[35]基于小麥秸稈的氧化納米原纖化纖維素(TOCNFs)與食品級陽離子改性聚合物(N-異丙基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺)開發了一種用于水果包裝的pH/溫度響應水凝膠薄膜。該水凝膠薄膜具有抗菌性能和pH/熱響應性能，能夠智能遞送防腐劑(NA)延緩水果腐爛，具有安全、可回收、可行性和抑菌的功效。抑菌結果表明，該抗菌水凝膠薄膜可以抑制約40% 的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的菌落生長，證明了其在水果包裝領域中巨大的應用潛力。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2.1.2 殼聚糖基抗菌水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
殼聚糖具有多種生物學特性，是具有良好生物相容性、生物降解性、無毒和抑菌性的堿性天然多糖[36]。殼聚糖的抗菌性能和作為水凝膠基材均是目前研究的熱點。殼聚糖對革蘭氏陽性與革蘭氏陰性細菌的抗菌機理不同，前者的主導殺菌機理為：殼聚糖分子中的正電荷與細胞表面帶負電荷的細菌、真菌或者其他聚合物發生靜電作用，形成多層結構或靜電絡合物，一方面阻礙營養物質的輸送，另一方面改變細菌細胞膜的滲透性，使胞內物質流出，達到抗菌的目的。后者的主導殺菌機理為：殼聚糖通過滲透進入微生物細胞內，吸附胞內陰離子物質，干擾細胞正常的生理活動，從而起到殺菌的目的[37]。由于殼聚糖本身具有良好的抗菌性，又是制備水凝膠的良好基材，因此，殼聚糖通過簡單的物理和化學方法，與合適的試劑共混或交聯可以制備出具有抗菌性能的殼聚糖基水凝膠。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
基于殼聚糖制備而成的水凝膠是目前研究最多的一種由天然抗菌成分組成的抗菌型水凝膠。Chen等[38]制備了與明膠微球結合的抗菌海藻酸鹽/殼聚糖水凝膠，具有抗菌性和可生物降解性。凝膠化的機制歸因于氧化海藻酸鈉(OAlg)的醛基和羧甲基殼聚糖(CMCS)的氨基基團之間的反應。結果表明，該抗菌水凝膠有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌至少2個數量級的細菌數，在抑菌方面具有廣闊的前景。Kang等人[39]利用殼聚糖(CS)和水溶性2,3-二醛纖維素(DAC)，在不添加有毒的化學交聯劑的情況下，制備出了一種綠色抗菌水凝膠。該水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的抑菌作用，并且抑菌直徑隨著DAC用量的增加而增加。采用該方法所制備的綠色抗菌水凝膠有望在食品儲存等多個領域應用。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2.1.3 淀粉基抗菌水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
淀粉是一種具有優異生物相容性的天然大分子多糖。淀粉基水凝膠易受溫度、pH和離子強度等多種因素的影響，其缺點是容易被微生物污染、均一性以及力學性能較差，限制了淀粉基水凝膠的應用。然而，通過化學修飾、物理修飾和酶修飾等方法對淀粉改性、添加抗菌物質或金屬納米粒子可以改善這些問題[40]。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
Chin等人[41]將檸檬酸、淀粉、聚乙烯醇(PVA)和聚乙二醇(PEG)通過凍融技術，在不使用任何刺激性溶劑和化學品的條件下進行物理交聯制備抗菌淀粉-檸檬酸水凝膠?？咕钚缘幕驹硎堑矸?檸檬酸鹽水凝膠中存在羧酸分子，它可以通過破壞細菌膜來抑制細菌的增殖。該淀粉-檸檬酸水凝膠對大腸桿菌、化膿性葡萄球菌、鼠李氏沙門氏菌和金黃色葡萄球菌等多種細菌表現出優異的抗菌活性。結果表明，淀粉-檸檬酸鹽水凝膠作為一種經濟高效的綠色抗菌載體具有很高的潛力。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2.2 載有無機/有機抗菌物質的水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2.2.1 載有無機抗菌物質的水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
與抗生素相比，無機抗菌材料由于其具有適用于廣譜微生物、穩定性高、安全性高等優點而被廣泛應用于抗菌領域。載有無機抗菌物質的水凝膠通常是在水凝膠的基體中摻入金屬離子或金屬氧化物，常用的金屬離子有金(Au)、銀(Ag)和銅(Cu)等，金屬氧化物有氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(Ti2O)和氧化鎳(NiO)等，都是具有很好的抗菌活性的材料。不同種類的無機抗菌物質的抗菌機理不同：金屬離子或金屬氧化物可以與細菌或霉菌的活性酶結合，可以作用于細胞內的DNA、蛋白質、核糖體以及線粒體，破壞其結構，使得細菌細胞死亡[42]。無機抗菌劑可能的抗菌機理如圖3所示。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
其中，銀是一種具有代表性的抗菌材料，可抑制細菌、真菌以及病毒的生長發育[43]。銀離子通過靜電作用可以與細菌膜蛋白上帶負電荷的巰基(-SH)結合，從而引起蛋白質變性，最終導致細菌的細胞凋亡。隨著細菌的凋亡，結合在膜蛋白上的銀離子會被還原為銀原子，使銀元素能夠發揮持續殺菌的作用[44]。Boccalon等[45]對基于聚乙烯醇、海藻酸鈉和硼砂的水凝膠進行了適當的改性，形成了可以負載銀離子納米顆粒的活性分子的網絡。經抗菌實驗結果表明，該水凝膠對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和酵母菌有顯著的抗菌活性。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2.2.2 載有有機抗菌物質的水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
有機抗菌劑大多是從合成藥物或自然資源中提取的，化學合成的有機抗菌劑主要包括醛類、醇類和有機酸類等[47]。有機抗菌物質的抗菌機理主要是通過吸附微生物細胞膜表面的陰離子，與之結合后破壞細胞膜或蛋白質的合成系統，抑制微生物的繁殖。其抗菌機理見圖4。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
其中，廣泛存在于真菌、細菌和動物等生物中的季銨鹽不僅來源豐富而且功能多樣，已經在食品、工業、農業和醫學等領域中廣泛應用。Zhang等[48]通過殼聚糖季銨鹽與環氧氯丙烷反應，成功獲得了一系列新型交聯殼聚糖季銨鹽負載硫酸慶大霉素的水凝膠，這種季銨鹽類型的水凝膠顯示出優異的殺菌性能，測定了該水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的理化性質、硫酸慶大霉素釋放行為、細胞毒性和抗菌活性，結果表明該水凝膠具有良好的水穩定性、熱穩定性、藥物釋放能力以及抗菌性能，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈可達30 mm左右。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2.3 載有光激活或光響應材料的抗菌水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
盡管化學合成的抗菌水凝膠具有很好的抑菌性，但是在實際應用中依然存在各自固有的局限性。比如天然抗菌成分組成的水凝膠基本上都是屬于接觸型殺菌水凝膠，只能達到表面殺菌的作用，殺菌效果并不理想；負載無機抗菌劑的水凝膠具有生物相容性差和細胞毒性等缺點；負載有機抗菌劑的水凝膠具有抑菌時間短和耐藥性等缺點。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
因此，近年來廣大科研工作者致力于尋找更加快速有效的抗菌方法，其中微波光譜療法、聲動力學療法和光介導療法的應用最為廣泛[49]。載有光激活或熱響應材料的抗菌水凝膠，又叫光介導的抗菌水凝膠，該類水凝膠需要借助外源性抗菌技術---光介導發揮抗菌的功能。光介導療法可分為基于熱療的光熱療法(PTT)和基于活性氧(ROS)的光動力療法(PDT)，這是兩種常用的抗菌療法，因其優異的殺菌能力和光可控性而受到廣泛關注。光敏劑和光熱劑作為光轉化的核心，分別對PDT和PTT的效果有很大影響[50]。光介導的抗菌水凝膠是指將光敏抗菌水凝膠或光熱抗菌水凝膠與外源性抗菌技術結合起來的水凝膠。即在適當的光譜波長的照射下，水凝膠內部的光熱材料或光敏材料能夠吸收光能而被激發，從而實現殺菌的目的。PTT和PDT之間的一個顯著區別是前者通常使用近紅外(NIR)照射進行刺激，而后者通常需要使用可見光照射[51]?；赑TT和PDT抗菌水凝膠的機理如圖5所示。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2.3.1 基于PTT的抗菌水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
基于PTT的抗菌水凝膠，是將光熱劑(PTA)與水凝膠結合，在光的刺激下，PTA可以將光能轉變為熱能，導致局部溫度升高從而破壞細菌細胞膜的通透性，最終導致細菌死亡?；赑TT的兩個重要先決條件是光熱劑(PTA)和近紅外輻射(NIR)[55]。這種抗菌水凝膠適用于廣譜微生物抗菌且不易產生耐藥性。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
Tao等人[56]報道了一種由甲基丙烯酸甲酯修飾的明膠(Gel-MA)和N，N-雙(丙烯?；?胱胺(BACA)螯合的銅納米粒子(Cu NPs)通過自由基聚合與光引發劑組成的復合水凝膠。由于局部表面存在等離子體共振(LSPR)效應，Cu NPs能夠有效地將近紅外激光照射(808 nm)能量轉化為局部熱量，從而實現光熱治療。體外抗菌實驗表明，該混合水凝膠對革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌)和革蘭氏陰性菌(大腸桿菌)均表現出良好的抗菌效果。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
2.3.2 基于PDT的抗菌水凝膠3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
基于PDT 的光敏抗菌水凝膠，是將光敏劑(PS)與水凝膠交聯或接枝結合在一起，在適當的波長的照射下PS吸收光子并轉變為單重激發態，然后通過系統間的交叉成功地轉變為三重激發態，并與基態氧反應產生活性氧(ROS)，以達到快速殺死細菌并不產生耐藥性的目的[57]。它需要三個同時存在的因素：光敏劑(PS)、光源和氧分子[58]。大量的研究表明，PS對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均有良好的殺菌效果[59,60]。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
董建成等[61]利用蒙脫土(MMT)分別吸附3種陽離子光敏劑(PS)，通過紫外光交聯法制備出相應的光敏MMT/PS水凝膠。研究了3種光敏抗菌水凝膠對金黃色葡萄球菌的抗菌作用?？咕Y果表明，復合了3種陽離子光敏劑Zn-TMPyP，TMPyP和MB的水凝膠，在可見光照射條件下(λ≥420 nm)細菌的存活率分別為1.51%，47.26%，74.58%，三者對金黃色葡萄球菌均具有一定的殺滅效果，其中負載Zn-TMPyP的水凝膠在光照條件下對金黃色葡萄球菌的殺菌率達到98.49%。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
3 抗菌水凝膠在食品領域的應用3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
3.1 智能食品包裝系統3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
隨著消費者食品安全意識的提升，抗菌型水凝膠在智能食品包裝行業中的潛力引起人們的廣泛關注。水凝膠被認為是一種有效的食品包裝材料，具有理想的防潮性能、抗菌和抗氧化活性以及生物可降解性，廣泛用于保鮮蔬菜水果、肉類和牛奶。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
3.1.1 食品包裝3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
根據功能的不同，食品包裝可分為三類：傳統食品包裝、活性食品包裝和智能食品包裝。在包裝應用中，水凝膠可以提供抗菌活性并控制食品水分含量，從而形成活性包裝，提高食品的質量和安全性，并延長食品的儲存期[62]。且水凝膠作為包裝材料具有可以降低食品的水分活度、抑制有害細菌和腐敗菌、保持良好的機械能力、低成本和易于制備以及良好的生物降解性以減少環境污染等特點。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
國內外許多研究者均發現水凝膠可以在肉類以及蔬菜水果中發揮保鮮抑菌的作用。El-Mekawy等[63]以蝦殼制備的殼聚糖為原料制成響應刺激性殼聚糖水凝膠作為肉類和雞肉的智能包裝材料。Bandyopadhyay等[64]開發了一種基于細菌纖維素和瓜爾膠(BC-GG)的聚乙烯吡咯烷酮-羧甲基纖維素(PVP-CMC)水凝膠薄膜，用于包裝保鮮漿果(例如藍莓)。結果表明，水凝膠薄膜具有一定的抗菌性，可以在 15 d內保鮮藍莓。李瑤瑤等人[65]研究了殼聚糖水凝膠對青霉菌(Penicilliumitalicum)的抑制及其對臍橙的保鮮效果。結果表明不同濃度殼聚糖水凝膠對臍橙采后P.talicum均有一定的抑制作用，其中以2.0%的殼聚糖水凝膠效果最優。由此可知，水凝膠可以被用作多功能食品的包裝材料，以延長食品的保質期。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
3.1.2 食品質量指示3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
食品質量的檢測在食品運輸、儲存和售賣過程中至關重要。食品質量特征包括食品的外觀、質地、顏色、風味和營養成分等。傳統的監測食品質量的分析方法，如色譜法和質譜法等，具有檢測成本昂貴、復雜且不便于攜帶等缺點。因此，生物傳感器作為一種快速的食品質量檢測方法，具有靈敏度高、成本低和便攜等優點，已廣泛用于檢測食品中的營養成分或有害物質[66]。它可以通過檢測食品中某些物質的存在及其含量來監控食品的新鮮或變質程度，從而控制食品的安全和質量。然而，食品中的水分會影響生物傳感器的靈敏性。因此，基于天然高分子材料的水凝膠在食品質量檢測等食品領域的應用潛力逐漸顯示出來，具有高親水性、保水性和生物相容性的水凝膠，可以很好的降低食品水分的干擾，成為開發生物傳感器和指示器的理想材料[67]。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
食品腐敗是一個復雜的過程，不同食品的腐敗后的產物也不同。因此，通過檢測溫度、濕度、pH 值和氧氣含量等來評估食品的腐敗程度是一種可行的方法[68]。溫度是影響大多數食品質量的關鍵因素之一，溫度過高或波動很大不利于食品儲存，易造成食品變質。濕度對食品的影響也很大，水分活度高的食品，如肉類、水果、蔬菜等生鮮產品，若包裝內的濕度過低，就會失去水分而變干；若包裝內的濕度過高，食品會吸收水分并變質[69]。最重要的是，許多食品的質量變化伴隨著其 pH 值和氧氣含量的變化。因此，對食品包裝內的溫度、濕度、pH 值和氧氣含量等指標進行實時監測可以有效反映食品的腐敗情況。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
其中，在水凝膠基質中添加pH響應染料，用于檢測食品新鮮度的研究最為廣泛。Lu等[70]以甘蔗渣纖維素纖維為原料制備出納米纖維素，然后與鋅(Zn)交聯形成了更加牢固的水凝膠基質。該水凝膠作為pH響應染料(溴百里酚藍/甲基紅)的載體，可作為比色新鮮度指示劑，根據雞肉樣品的新鮮度而改變顏色。Tirtashi等[71]在纖維素-殼聚糖基質水凝膠中加入胡蘿卜花青素作為化學反應染料比色pH指示劑，用于監測巴氏殺菌牛奶的腐敗程度。由此可見，水凝膠在食品質量檢測方面的應用具有很大的潛力。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
3.2 食品保鮮3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
伴隨著人們對食品質量要求的提升，食品保鮮方面的標準也開始越來越高。除了食品包裝材料可以進行保鮮以外，人們往往會使用冰塊對食品進行保鮮，抑制微生物的生長。盡管，冰塊能夠有效的降低周圍環境的溫度，達到食品保鮮的功效，但冰塊的使用還是存在很大的弊端：冰塊的不可重復利用性對水資源造成了很大的浪費，且冰的融水性易導致食品交叉污染。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
雖然利用抗菌冰塊和酸性電解水冰來代替傳統冰塊是一個有效的方法[72]，但是其厚塑料外殼會降低冷卻效率并帶來環境負擔。因此，開發一種新型堅固、可重復使用、抗微生物以及無塑料污染的食品冷卻介質至關重要。此時，基于水凝膠而制備成的冰塊展現出它巨大的應用潛力。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
相對于傳統保鮮冰塊，基于天然高分子材料的水凝膠冰塊的保水性好，不易融水而造成交叉污染，且不需要類似于冰袋的塑料包裝，可以與食品直接接觸，實現零塑料無污染[73]。此外，該類水凝膠冰塊成分天然、安全且用料便宜，易于獲得和回收，具有可持續性和可生物降解性，是傳統冰塊最有前途的替代者。Zou等人[74]首次以高親水性的明膠作為水凝膠的基質材料，制備了一種基于明膠-甲萘醌亞硫酸氫鈉水凝膠的新型固定冷卻介質“果凍冰塊”(JIC)，其冷卻效率與傳統冰塊的冷卻效率接近，并且可以實現抗微生物、可重復使用和可堆肥等目的。在十個應用周期中觀察到異常穩定的冷卻效率和強大的機械強度，對細菌、真菌和酵母菌均具有穩定的抗菌功能。在 JIC 的生命周期結束時，可以堆肥或用作土壤處理劑以促進植物生長。新型 JIC 有望成為傳統冰塊和冰袋的更安全、更環保以及更有前途的替代品。這也是抗菌水凝膠應用于食品領域上的一次新的創新，給未來抗菌水凝膠的應用發展提供了新的思路。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
4 結語與展望3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
微生物污染嚴重威脅了人類健康，作為新型抗菌材料，水凝膠因其獨特的優勢，在抑菌領域的應用研究受到密切關注。本綜述簡要介紹了水凝膠的概念以及形成機理，重點概述了抗菌水凝膠的分類、機理以及在智能食品包裝以及食品保鮮領域的應用研究?？咕z是理想的抗菌生物材料，由于其優異的刺激響應性和吸水性等特征，在食品包裝材料、食品質量指示劑和食品保鮮等各個領域都有廣泛的應用。然而，值得注意的是，抗菌水凝膠的抑菌范圍尚未充分了解，難以利用單一的材料來達到預期廣譜抗菌的目標，并且抗菌水凝膠在食品領域的應用了解不夠深入、發展的較為局限且具有挑戰性。因此，未來應該聚焦于開發具有多功能性的廣譜抗菌水凝膠，設計制備多種高強度且抗菌性能優異的復合型水凝膠應用于更廣泛的食品領域將是研究方向。3pR知覽論文網 3pR知覽論文網
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