周伟1, 陈杰1, 司志昊1, 沈方琳1, 

罗雄方2,3, 王文娟1, 顾月1, 孟心怡1

（1. 无锡学院环境科学与工程学院，江苏 无锡 214105；

2. 绍兴文理学院，绍兴市高性能纤维及制品重点实验室，浙江 绍兴 312000；

3. 绍兴文理学院，纤维基复合材料国家工程研究中心绍兴分中心，浙江 绍兴 312000）

摘要：综述了有机材料和无机材料对明胶基复合材料的抗菌功能化改性研究进展。概述了国内外使用动、植物提取物和碳点、金属和金属化合物纳米粒子等抗菌剂对明胶基复合材料的抗菌功能化影响。总结了抗菌功能化明胶基复合材料的应用及未来发展趋势。

关键词：明胶，抗菌，复合材料，食品包装，医疗医药

0、前言

随着环境逐渐恶化，塑料污染问题日益严重，全球废弃塑料年产量约为3×10⁸t，预计到2025年环境中废弃塑料累积能达到1.20×10¹⁰t。以石油资源为原料的传统塑料无法降解，并且其产量和用量巨大，已经造成了严重的塑料污染问题，还有微塑料造成的潜在危害也不容忽视。普通塑料无抗菌能力，而食品变质的原因大多数都是由食源性致病菌接触食物而导致，并且食品包装是一次性塑料垃圾的重要来源，研发带有抗菌性能的生物可降解材料具有重要意义。除此之外，在2019年年底爆发的新冠肺炎疫情期间产生了大量一次性塑料医疗用品，引起相关学者对医疗耗材抗菌性研究的广泛关注。因此，具有抗菌能力的可降解材料在食品包装和医疗医药领域具有极大的潜在市场和竞争力。在众多生物可降解材料中，明胶成本低、来源广泛、易成膜且具有凝胶形成能力、分散稳定性和持水性等优良性质，可广泛应用于食品包装、药物递送、敷料等领域。明胶是动物体内胶原降解后的产物，含有大量羟基和羧基等亲水基团，耐水性差，吸水率高，作为蛋白质，易在潮湿环境下滋生细菌，在食品包装和医疗医药等领域中受到限制。本文综述了国内外有机改性材料（植物提取物、动物提取物）、无机改性材料（金属氧化物纳米粒子、银纳米粒子、碳点等）两类明胶基生物可降解材料的抗菌功能化改性研究。

1有机/明胶基复合材料

1.1植物提取物                    

目前，有许多植物提取物表现出优异的抗菌活性，其活性成分主要有萜类、酚类、多糖、生物碱等多种类型。不同植物提取物因其独特且多样的抗菌机制，能从细胞壁、细胞膜、DNA结构及功能和酶活性等不同角度对细菌造成伤害，具有广谱抗菌性，且不易产生耐药性，极具开发潜力和应用前景。

1.1.1 植物精油

天然植物精油是一类从植物根、叶或果实中提取的有特殊气味且富含酚类和醛酮类物质，其来源广泛，多数无毒无害，易降解，有良好的抗菌性且不易产生耐药性。对微生物有不同程度的抑制效果，包括通过影响细菌细胞膜、酶和DNA的结构和功能，如图1所示。

图1 植物精油抗菌机制

多数植物精油对食源性致病菌（如大肠杆菌、李斯特氏菌、金黄色葡萄球菌等）有较强抑制效果。常见的有肉桂精油、丁香罗勒精油、牛至精油、百里香精油、薄荷精油、女贞子精油、孜然精油等。其对食源性致病菌的抑制效果如表1所示。

表1  植物精油对食源性致病菌的抑制效果

由于植物精油具有较强的挥发性，限制了抗菌效果和应用范围，可以先与乳化剂或其它载体结合，再与明胶制备成复合材料，如图2所示。其中Pickering乳液是一类由生物聚合物胶体粒子不可逆地吸附，并形成致密填充层而稳定界面的乳状液，可有效延长植物精油等抗菌活性成分缓释时间和增加稳定性来延长材料抗菌时效。有许多具有增强明胶基复合材料综合性能的材料如甲壳素、壳聚糖、细菌纤维素等均可作为稳定剂制备Pickering乳液包封植物精油。

图2 Pickering乳液包封精油并制备复合材料

1.1.2 多酚类

植物多酚是一类具有多元酚结构的次生代谢物，广泛存在于植物的果、叶、壳和种皮中，是一种天然抗菌剂，对食源性致病微生物有较强的抑制作用。主要成分包括黄酮类、单宁类、酚酸类以及茋类等。

（1）姜黄素。姜黄素是一种具有广泛生物学特性的多酚，具有良好的抗菌活性和抗氧化，并且在不同pH环境中，姜黄素溶液可以呈现出不同的颜色，能够作为一种新型的酸碱度指示染料。根据姜黄素的这些特性，可在天然高分子薄膜中添加一定含量的姜黄素使薄膜具备抗菌、抗氧化、指示的功能。Shibin S等研发了一种姜黄素功能化的聚己内酯和明胶复合纤维膜。研究表明，随着姜黄素用量从1%增加到10%，复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别从43.2%±4.5%提高到93.8%±0.7%和28.5%±1.7%提高到80.2%±25.5%。有研究也表明，姜黄素和明胶相容性良好，且能形成通过相互作用形成稳定结构。

（2）茶多酚及其提取物。茶多酚是茶叶中一类具有酚羟基结构的多元酚类混合物的总称，占茶叶干物质总量的18%~36%，儿茶素类物质是茶多酚最主要的酚类化合物，占总量的70%以上。其中表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）是主要活性成分，占50%左右。许多研究表明，茶多酚、儿茶素、EGCG均有较强抗菌活性和抗氧化活性，可与明胶复合，制备出抗菌活性材料。Li等用同轴静电纺丝技术成功制备了聚乳酸-共己内酯（PLCL）/明胶/EGCG/核壳结构的药物缓释复合膜（PGEC）。研究表明，明胶提供了许多与EGCG氢键结合的位点，因此复合膜能够有效负载EGCG。主要机制是带负电荷的EGCG与带正电荷的细菌脂多糖膜结合，并产生H₂O₂，破坏细菌细胞壁。还有研究表明EGCG能够通过改变细胞膜的渗透压来抑制细菌生长。

1.1.3 香芹酚/百里香酚

香芹酚和百里香酚都是挥发性单萜酚，牛至精油和百里香精油的主要抗菌活性成分，二者互为同分异构体，具有抗菌活性，对大多数革兰氏阳性菌和阴性菌都有抑制效果。其抗菌功能可通过破坏细胞壁和细胞膜，使得细胞质外泄，抑制细胞的生物合成等方式实现。

因为香芹酚具有高挥发性和易分解性，限制了其应用范围，需要通过合适的封装技术或与其他材料进行复合，来提高香芹酚的稳定性和抗菌效果。李森等用玉米醇溶蛋白/酪蛋白（Z/CS）复合颗粒作为稳定剂构建了香芹酚Pickering乳液（CPE），再将CPE与明胶通过溶液共混制备出具有抗菌活性的复合膜。结果表明，当复合膜中CPE添加量为5%时对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抑菌圈直径分别为37.30mm和46.00mm，且复合膜综合性能最佳。

1.2动物提取物

用于明胶抗菌化改性研究的动物提取物中主要有溶菌酶、抗菌肽、甲壳素及其脱乙酰化衍生物壳聚糖。溶菌酶和抗菌肽均具有抗菌性，且不易产生耐药性的特点，作为蛋白质和多肽分子与明胶具有结构上的相似性，能够通过合适的交联剂形成稳定的复合材料。

1.2.1 溶菌酶

溶菌酶作为一种化学性质稳定的蛋白质大分子，广泛存在于鸡蛋清和眼泪、唾液、黏液等人体分泌物中具有活性高、抗菌谱广、耐药性低等优点。它可以通过水解细菌细胞壁中肽聚糖的N-乙酰氨基 葡萄糖（NAG）和N-乙酰氨基甲酸（NAM）间的β-1，4糖苷键来破坏细菌结构。溶菌酶的抗菌作用在食品和临床被广泛应用，可以固定在配体上并结合到多种材料中。明胶同样作为蛋白质大分子与其能够通过交联剂进行相互作用。

Kavur 等通过加入大豆蛋白（SP）和菊粉（IN）来改善明胶（G）凝胶的持水性和机械稳定性，并加入溶菌酶（LYS）和乳酸链球菌素（NIS）与明胶基水凝胶功能共混，来提高复合材料抗菌性能。在培养皿的第14d后，G/LYS和G/NIS组组菌落数分别为5.8logCFU/mL和2.5logCFU/mL，而G/LYS+NIS组菌落数为1.3logCFU/mL，抗菌效果显著提高。

1.2.2 抗菌肽

抗菌肽（AMPs）是一类具有广泛来源和抗菌活性的小分子多肽，且是原核生物和真菌生物先天免疫系统中的关键效应分子。其抗菌机制主要有：抑制细菌细胞壁形成、破坏细胞膜结构、干扰核酸和蛋白质合成和抑制酶活性。因其独特抗菌机制而不产生耐药性，可与明胶材料复合，制备成抗菌复合薄膜，是一种极具应用潜力的物质，在食品安全、医疗医药领域具有广阔应用前景。Milad等制备了丝素蛋白/明胶双层海绵支架并负载阳离子抗菌肽（CM 11肽）用作伤口敷料。实验结果表明，16μg/mL的抗菌肽浓度下的复合材料表现出良好的力学性能、高吸水率、高生物降解速率和良好的抗菌作用，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌的抑菌圈直径分别为10.80、10.00、9.40mm。

2无机/明胶基复合材料

2.1金属氧化物纳米粒子

金属氧化物纳米粒子具有生物、化学、磁性和光学等多种方面的性能，受到研究人员的广泛关注。其抗菌性能优异，能通过接触并破坏细胞膜、进入细胞产生氧化应激反应、破坏DNA和抑制酶活性等途径产生抗菌作用。目前，用于明胶抗菌化改性研究的金属氧化物主要有氧化锌纳米粒子、氧化铜纳米粒子、氧化铁纳米粒子、氧化镍纳米粒子、二氧化锰纳米粒子和二氧化钛纳米粒子。

2.1.1 氧化锌纳米粒子

纳米氧化锌具有较强抗菌性，可广泛应用于药物传输、医学设备、食物运输等医学和食品领域。抗菌机理一般认为是产生活性氧类化合物（ROS），氧化细菌细胞膜与释放离子与细胞膜结合，改变其通透性。可通过添加氧化锌来对明胶基复合材料进行抗菌功能化改性，增强材料固有性能，来提高复合材料的应用领域。Rahim等以氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）为抗菌材料，明胶和黄芪胶为成膜基质制备了不同ZnO NPs浓度的明胶/黄芪胶/ZnO-NPs纳米颗粒（GEL/TGC/ZnO NPs）抗菌复合材料。研究发现，当ZnO NPs含量为5%时，GEL/TGC/ZnO NPs复合材料具有良好的抗菌性能，其中对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别为14.8mm和15.2mm。

2.1.2 氧化铜纳米粒子

氧化铜纳米粒子（CuO NPs）具有疏松多孔的球状形貌，极低浓度的CuO NPs对大肠杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌等多种细菌都有良好的抗菌效果。其抗菌机制是通过抑制细菌酶中的巯基作用导致细菌失活，通过光催化作用产生过氧化氢，过氧化氢进入细菌内部导致细菌死亡。Sathish等以氧化铜纳米粒子为抗菌材料，加入聚己内酯/明胶电纺纳米纤维制备了抗菌纳米纤维。显著增加了材料的抗菌性能，对金黄色葡萄球菌、多重耐药金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别为（51±1.2）mm、（40±1.7）mm、（31±0.5）mm和（30.5±0.3）mm（包括纤维直径）。

2.1.3 其他金属氧化物纳米粒子

研究人员对明胶材料抗菌化改性的金属氧化物纳米粒子还有氧化铁纳米粒子（Fe_xO_y NPs）、氧化镍纳米粒子（NiO NPs）、二氧化锰纳米粒子（MnO₂ NPs）和二氧化钛纳米粒子（TiO₂ NPs），对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌这类常见致病菌均有良好的抗菌表现。Mahdieh等制备了NiO NPs并作为抗菌材料加入明胶、壳聚糖共混基质中，制备出抗菌复合材料。当NiO NPs含量为2%时，复合材料表现出良好的抗菌性能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别为14.00mm和11.00mm。

2.2硫化铜纳米粒子

 硫化铜纳米粒子（CuS NPs）对近红外光的局域表面等离子体共振吸收可以将近红外光能转化为热能，造成蛋白质变性、DNA断裂等从而起到灭菌效果，并且在光激发下产生大量活性氧（ROS），产生抗菌效果，在近红外光照射下可同时存在光热和光动力作用，协同抗菌。如图3所示，含CuS NPs抗菌复合材料在近红外激光的作用下产生的光热、光动力和拟过氧化物酶催化活性产生过氧化氢协同破坏生物膜灭菌。

图3 协同抗菌机制示意图

Hussain等用鱼皮明胶和鹰嘴豆分离蛋白（G-CP）作为成膜基质，CuS NPs和黑种草精油（MNEO）作为抗菌物质，制备出共混膜。抗菌测试结果中，CuS NPs质量分数为0.03%，MNEO质量分数为0.5%时，共混膜抗菌效果最佳，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别为（27.11±0.35）mm和（33.40±0.28）mm。

2.3银纳米粒子

银纳米粒子（Ag NPs）因其具有独特的物理化学和生物学抗菌特性，在伤口护理、生物医药、纺织品和家用电器等多个领域发挥作用。Ag NPs可以通过与细菌直接接触达到杀菌作用，因此Ag NPs不会产生抗生素耐药性。此外，Ag NPs还可以通过释放Ag⁺穿透细菌细胞壁发挥抗菌活性。

Lin等以载银纳米二氧化钛（TiO₂-Ag）为抗菌材料制备了鱼明胶-壳聚糖抗菌复合膜，并添加不同浓度的TiO₂-Ag制备复合膜。实验表明，当TiO₂-Ag含量为0.5 %时，其复合膜的抗菌性能提升显著，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和灰霉菌的抗菌圈直径分别为（20.6±0.74）mm、（22.86±1.45）mm和（23.72±1.25）mm；当TiO₂-Ag含量为0.4 %时，复合膜的水蒸气阻隔能力最好，并且当含量达到0.5%时其复合膜的紫外线阻隔能力得到很好提升。

2.4碳点（CDs）               

CDs是一种新型纳米抗菌材料，根据碳核不同微观结构可分为石墨烯量子点（GQDs）、碳量子点（CQDs）、碳纳米点（CNDs）和碳化聚合物点（CPDs）4类。其中CDs有高抗菌性，广泛来源和良好的生物相容性等多种优点，在食品包装、伤口敷料和纺织纤维等领域有广阔前景。Parveen等用阿拉伯胶衍生碳点（VNG-CD）作为抗菌材料与壳聚糖（CH）和明胶（GL）制备成纳米复合膜。研究发现，当VNG-CD质量分数为5%时，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和克雷白氏肺炎杆菌的半抑制浓度值分别为19.9、32.5、30.0nM，具有良好的抗菌能力。碳点作为抗菌材料与明胶基复合而成的抗菌功能化材料，除了优异的抗菌性能外还具有阻紫外线、抗氧化性、低细胞毒性等多种其他优良性能，并且凭借其独特的抗菌机制，不会使细菌产生耐药性，在食品包装和生物医药领域有可观的应用前景，作为较为新型的功能材料，具有极大的开发潜力。

3、结论

明胶可制备成水凝胶，薄膜，微囊和纤维等多种形式的材料，因其具有优良的生物可降解性和生物相容性，可广泛运用于食品包装、生物医药、药物递送和敷料等众多领域。有机类改性材料更倾向于使用天然抗菌剂对明胶改性不仅可以降低对细菌的耐药性，部分材料还有酸碱指示能力可监测食品新鲜程度。在无机改性材料中，通过其多途径的抗菌机制来使细菌失活，并且不易产生耐药性。未来改性材料更倾向于天然，环保的方向，天然动植物提取物和新型多功能材料碳点会是未来改性材料的研究热点，相信在不远的将来，广大研究人员能够找到更合适的材料和方法，制备出抗菌性能更好的材料，使食品安全和医药医疗行业更进一步。

第一作者：

周伟（2002-），男，本科，从事环境友好型材料的研究，2908201044@qq.com

通信作者：

陈杰（1985-），女，副教授，从事纤维素功能材料、环境友好型材料和可生物降解材料的研究，chenjie6261328@126.com

罗雄方（1991-），女，讲师，从事功能性材料及清洁染整技术研究，Lxf4030@163.com

DOI:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.

02.021

引用本文：

周伟,陈杰,司志昊等.抗菌功能化明胶基复合材料的研究进展[J].中国塑料,2025,39(02):112-117.

ZHOU Wei,CHEN Jie,SI Zhihao,et al.Research progress in antibacterial functional gelatin matrix composites[J].CHINA PLASTICS,2025,39(02):112-117.

来源：《中国塑料》2025年第39卷第2期