《食品科学》：上海理工大学马悦博士等：抗生物黏附材料的构建及在食品领域的应用进展

食源性疾病的频繁暴发严重威胁着消费者的身体健康和生命安全。食源性致病菌在食品接触表面的污染及定殖是导致食源性疾病频发的主要原因之一，据世界卫生组织报道，约65%的食源性疾病暴发与致病菌生物被膜的形成相关。食源性致病菌的生物被膜是由一种或多种致病菌聚集并黏附于惰性固体表面而形成的多细胞群体结构。如图1所示，其形成过程十分复杂，大致可分为5 个阶段。

针对致病菌生物被膜的防控策略，可根据其作用原理分为两类：“攻击型”和“防御型”。前者通过直接灭杀病菌抑制其在食品接触表面的生长繁殖或破坏成熟生物被膜的结构，实现对生物被膜的有效防控。后者则是通过削弱病菌或生物污染物与食品接触材料表面之间的相互作用，减少表面黏附，预防生物被膜的形成。

上海理工大学健康科学与工程学院的茹义博、董庆利、马悦*从DLVO理论量化生物污染物与材料表面之间的相互作用出发。在此基础上，将现有的抗生物黏附材料分为疏水和亲水两类，总结分析了不同类型抗生物黏附材料改性方法、抗生物黏附机制及优缺点，为新型“防御型”抗生物被膜的材料构建提供研究思路。最后结合抗生物黏附材料在食品领域的应用实例，为该类材料的应用推广提供参考。

1

生物黏附原理

生物黏附是菌体、多糖、多肽和蛋白质等生物污染物通过非特异性或特异性吸附的方式与材料表面紧密结合的过程。在生物被膜形成初期，生物污染物的黏附过程主要受到疏水力、静电力、LW和氢键等非特异性分子间作用力的驱动，其相互作用的强弱取决于生物污染物和材料表面的物理化学性质。20世纪40年代Derjaguin、Landau、Verwey和Overbeek 4 位科学家共同创建了DLVO理论，通过建立数学模型将生物污染物与材料表面之间的非特异性相互作用进行量化，由此判断两者间是否会发生自发的黏附行为。LW和静电双层作用力（EL）是DLVO中决定特定污染与特定表面之间是否发生自发性黏附行为的两个主要参数。前者是分子之间非定向的相互作用力，主要包括偶极矩作用、诱导力作用和分散力作用。后者主要指带电生物污染物在颗粒-溶液界面上产生扩散双电层，当其接近材料表面时所产生的静电斥力。

如公式（1）所示，假设污染物是光滑的球体，其与接触表面之间的总相互作用能量（ΔE TOT ）为两者间吸引和排斥作用之和。当ΔE TOT 为负值时，污染物将自发地黏附在固体表面，反之两者间的相互作用则不足以发生自发黏附。

式中：ΔE LW 表示半径为R的球体污染物与平坦固体表面之间的LW相互作用能量；ΔE EL 表示EL能量。ΔE LW 和ΔE EL 可以分别根据式（2）和式（3）计算。

式中：D为球形污染物和固体表面之间的距离；A为与接触表面、生物污物和介质特性相关的Hamaker常数；Z为相互作用常数，是关于生物污物表面电位和溶液介质的介电常数的函数；K为德拜参数。

基于该理论，通过改性食品接触材料的表面物化性质，改变其污染物和固体表面之间的距离（D）、接触表面、生物污物和介质特性相关的Hamaker常数（A）、生物污物表面电位和溶液介质的介电常数等即可调控生物污染物与接触表面间的相互作用，减少甚至避免材料表面潜在的有害生物黏附，保障食品微生物安全。

2

抗生物黏附材料

抗生物黏附材料指菌体、蛋白质等生物污物难以在其表面长期稳定地黏附，或黏附后可被轻易去除的一类材料，材料的抗生物黏附性能受其表面的化学组成及物理形貌的共同影响。从热力学角度分析，具有较低表面能的疏水材料通常能够抵抗生物污染物的黏附，而一些亲水材料则可利用材料表面与周围水分子之间的相互作用形成水合屏障，实现抗生物黏附功能。

2.1

疏水抗生物黏附材料

2.1.1 疏水表面的构筑

多数生物污染物通常具有较高的表面能，如果黏附在疏水材料表面，则整个系统的表面能增加。因此，生物污染物在疏水表面的黏附在热力学上是一个非自发过程。即便是生物污染物通过较弱的相互作用黏附在疏水表面，也可在轻微的外力作用下被移除。根据疏水材料表面的化学组成，可将其分为含氟和含硅烷长链两类。例如，李潮韦等将含氟丙烯酸单体聚合成含氟聚丙烯酸乳液，喷涂于亲水棉织物后，织物疏水角从0°增加至122.8°，减少了近99%的细菌黏附。如图2所示，Liu Jie等将含氟硅烷聚合物（PFDS）共价改性到TiO 2 纳米颗粒上，形成纳米颗粒诱导超疏水PFDS/TiO 2 的涂层溶液，然后利用真空负压将PFDS/TiO 2 填充到具有纳米孔结构的氧化铝膜中，材料由亲水状态转变为超疏水状态，并展现出优异的抗生物黏附性能。除含氟改性外，将硅烷长链改性到材料表面，也可以增加表面疏水度，提高抗生物黏附效率。由此可见，疏水表面的构建可有效防止生物污物的黏附，但疏水材料与某些脂类和多糖类（疏水）生物污染物的表面能相近，因此疏水材料对其抗黏附效果不佳。对此，需要进一步降低疏水材料的表面能，构建全疏液表面，以实现对所有类型生物污染物的抗黏附作用。

2.1.2 全疏表面的构筑

一般的疏水材料能够抵抗亲水生物污染物的黏附，但对低表面能的疏水生物污染物的黏附防控效果较差。进一步降低疏水材料的表面能，构建对所有液体均显示出强大排斥功能的全疏表面（静态水接触角＞150°；滑动角＜5°），有望进一步减少生物污染物的黏附并预防生物被膜的产生。Cassie模型是一种典型的全疏水表面，其基本原理是在平滑的疏水材料表面引入微纳米级别的粗糙结构，利用粗糙结构中的凹槽截留空气，从而形成气穴，以降低生物污染物与材料表面的接触面积，进一步提高材料的疏水性能。液体灌注超滑表面（SLIPS）则是在Cassie模型的基础上，引入润滑剂填充粗糙凹槽中的气穴，利用毛细作用力和LW使润滑剂稳定在材料表面，由此形成特殊的液-固界面，从而使SLIPS展现出优异的抗黏附特性。如图3A所示，材料表面形成了稳定的Cassie模型，在该状态下，生物污染物液体与材料之间的接触面积降低，液体的接触角增加并能够轻松滑离全疏表面，减少生物污染物的黏附。Ware等通过旋涂法和剧烈剪切法制备了具有纳米皱纹聚四氟乙烯（PTFE）表面，并在其中注入低表面能的硅油润滑剂（图3B 1 ），所得材料的滑动角为4°，并且将细菌在其表面培养24 h后，能抵御近99%的细菌黏附（图3B 2 ），在海洋中浸泡7 d后，污染率相较于对照组降低了近76.8%（图3B 3 ）。然而，注入的润滑剂与材料之间不存在共价作用，因此在剪切力的作用下，SLIPS材料中的润滑剂层会泄漏，导致材料抗生物黏附能力下降。Kamei等利用烯-硫醇点击反应，将含硫醇（包含—SH）基团的氟类润滑剂共价接枝到具有微米级蜂窝结构的1,2-聚丁二烯薄膜表面，在一定程度上提高了润滑剂在SLIPS全疏表面的稳定性，然而，该反应为界面反应，产率较低，拒液效果有待进一步提高。由此可见，通过在疏水材料表面构筑粗糙结构形成Cassie模型，或在此基础上进一步引入低表面能的润滑剂构建SLIPS表面，均可提升原疏水材料的拒液性能，有效预防亲水/亲油生物污染物的黏附。

除在疏水材料表面的增加粗糙度，构建Cassie模型外，还可以在材料表面引入柔性聚合物长链，利用立体阻碍效应增强疏水材料的抗生物黏附效果。Van Dam等利用原子转移自由基聚合（ATRP）技术将不同链段长度的含氟聚合物共价接枝到平滑的硅片上，当有生物污染物靠近材料表面并压缩不同链长的含氟聚合物时，整个系统的熵增程度不同，因此抗黏附的效率也不同，值得注意的是，这种抗黏附机制是基于聚合物长链自由度的改变，而与聚合物亲疏水性质无关，因此，亲水的聚合物长链也具有相似的抗生物黏附功能，其作用机制将在3.1节讨论。

2.2

亲水抗生物黏附材料

2.2.1 非离子型亲水聚合物

将不带电的非离子型亲水聚合物改性到食品接触材料表面后，其会通过氢键作用结合附近水分子，在材料表面形成致密的水合层，从而减少生物污染物与材料表面的相互作用，实现抗生物黏附功能。聚乙二醇（PEG）和低聚乙二醇（OEG）中含有大量的亲水醚基，是抗生物黏附应用中最常用的非离子型亲水聚合物。Jo等将硅烷化的PEG共价接枝到Al2O3表面后，材料表面亲水性能增强（水接触角由65.1°降低至9.6°），且有效地减少了95%以上的蛋白吸附。通过增加PEG的链长可以在改性表面引入更多的亲水基团，增强水合屏障，从而提高抗生物黏附效率，如图4A所示，Chen Qi等将短链（OEG4）、中链（OEG8）和长链（PEG2000）的PEG利用交联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）共价修饰到玻璃上，生物污染物在OEG4修饰后的玻璃表面的黏附覆盖率约为35%，而在OEG8和PEG2000修饰后的玻璃表面上则只检测到极少量的细胞，黏附率低于5%，这是由于长链PEG含有更多的亲水醚键，水合作用更强，此外，长链的亲水聚合物可以提供更强的空间阻隔效应，实现抗生物污染物黏附功能的提升。

虽然PEG改性的材料可以实现优异的抗生物黏附效应，然而其化学稳定性不理想，在长期使用过程中容易自动氧化，失去抗生物黏附性能。此外，这类不带电荷的亲水聚合物的水合作用主要依赖于亲水官能团与水分子之间的氢键作用，而氢键具有饱和性和方向性，因此水合作用强度相对有限。通过优化这种亲水聚合物的空间分布，可以在聚合物的亲水基团和周围的水分子之间产生更多的氢键，提高防生物黏附性能。活体自由基接枝聚合技术（ATRP、可逆加成-断裂链转移聚合）可以实现亲水聚合物长链的有序排布，从而提高抗生物黏附效率，但是高成本、复杂合成过程和潜在环境污染问题严重制约了这类技术的实际应用。

2.2.2 两性离子聚合物

两性离子聚合物是指重复单元内，携带等量的正负电荷且保持整个单元净电荷为零的一类亲水聚合物。与非离子型亲水聚合物通过氢键形成水合层的机制不同，两性离子聚合物的水合层的形成依赖于聚合物中每个重复单元正负电荷与附近水分子间的静电作用。此外，两性离子聚合物结构的净电荷几乎为零且电荷分布均匀，因此其本身不会与带电的生物污染物直接作用，保证了高效的抗生物黏附功能。例如，Jiang Shaoyi等在玻璃表面涂覆了聚(甲基丙烯酸羧基乙酯)（PCBMA），10 d内抑制了近95%的铜绿假单胞菌生物被膜的形成，然而相同条件下，PEG涂层的材料仅能将生物被膜的形成延迟1 d。尽管两性离子聚合物可以提供高效的防生物黏附性能，但由于其在水中的溶解度极高，故在富水环境中的应用受。

对此有3 种主要的应对方案：1）将含有烯烃官能团的两性离子单体与一些疏水的不带电单体进行共聚，制备非水溶性的两性离子共聚物，如聚(丙烯腈单体-甲基丙烯酸磺基甜菜)和聚(甲基丙烯酸三氟乙酯-甲基丙烯酸-磺基甜菜碱)等。然而将此类共聚物加工成型后，大多数的两性离子单元分布在材料内部而非表面，因此，共聚物与周围环境中的水分子的相互作用较弱且聚合物长链的立体阻隔作用有限，无法达到最优的抗生物黏附效果。2）将含有烯烃官能团的两性离子单体或聚合物通过自由基接枝聚合反应共价接枝到固体基材表面，可最大限度地实现两性离子聚合物与周围水分子的相互作用。自由基接枝聚合方法可分为“grafting to”和“grafting from”两类。如图4B所示，“grafting to”方法是指将末端功能化的聚合物长链直接接枝到固体表面，而“grafting from”则是指从固体表面引入引发剂，在其作用下逐个接枝单体，实现聚合物的生长。3）除通过自由基反应将两性离子聚合物共价结合到基材上外，一些含有特殊官能团的两性离子聚合物也可通过特定化学反应实现与基材的共价结合（图4C）。例如，Kwon等合成了一种酪胺共扼的磺基甜菜碱聚合物，并通过酪氨酸酶介导的反应将其简单地接枝到聚氨酯表面，与对照组表面相比，聚(磺基甜菜碱-酪胺)改性后，材料表面显著减少了90%以上的纤维蛋白原、血小板、成纤维细胞和链球菌的黏附，但是这些具有特殊活性的两性官能团的两性离子聚合物通过化学反应与基材共价结合后的稳定性仍待进一步研究。

2.3

亲水聚合物的抗黏附原理

2.3.1 立体阻碍阻隔

与疏水聚合物长链改性的表面相似，亲水聚合物长链改性的材料表面也可通过立体阻隔效应减少生物黏附。如图5A1所示，当生物污染物接近疏水或者亲水聚合物长链改性的防污表面时，延展状态下的聚合物长链将被压缩，导致材料表面的熵损失。整个生物黏附过程中的吉布斯自由能为正数，即黏附过程从热力学角度上看是一个非自发的过程。因此，亲水性和疏水性的防污长链聚合物都可能具有立体阻碍效应，这种立体阻碍效应依赖于聚合物的长链结构而不是亲疏水特性。

2.3.2 水合效应

通过水合作用在表面形成致密的水合层是亲水材料抵抗非特异性生物污染物黏附的关键机制。非离子型和两性离子型亲水聚合物可以分别通过氢键和静电作用在其改性的材料表面产生致密的水合屏障，削弱生物污染物与材料表面之间的相互作用（图5A2）。对于非离子性的PEG，每个重复单元只能通过氢键捕获一个水分子，形成水合层。而两性离子聚合物的每个重复单元均含有一个带正电和带负电的基团，它们可以通过静电相互作用与多达8个水分子结合。相同条件下，两性离子聚合物具有更高的水合能，所形成的水合屏障更为致密，因此，由两性离子聚合物改性的材料表面的抗生物黏附性能更优。此外，He Yi等利用分子动态模拟软件研究了两性离子附近的水分子构象和动态特性（图5B），结果表明，与非离子型亲水分子附近的水分子相比，这些水分子自由度较低，有利于保持水合层的构象稳定，并且在两性离子所捕获的水分子具有更宽的偶极取向分布，能降低其与带电生物污染物的相互作用，有效地减少生物污染物的黏附。

3

抗生物黏附材料在食品领域的应用

在食品加工与生产过程中，受到食源性致病菌污染的食品会频繁与加工设备、包装等表面接触，污染食品接触表面，形成具有极强抗逆性的生物被膜，严重威胁食品微生物安全。将具有抗生物黏附功能并且具有一定安全性和稳定性的材料应用在食品领域中，有望降低食源性致病菌在食品接触表面的黏附，并预防生物被膜的产生，目前在食品包装材料、食品加工设备等方面已有应用初试。

3.1

抗生物黏附材料在食品包装方面的应用

赋予食品包装材料抗生物黏附功能可有效避免食源性致病菌在食品产业末端的交叉污染，并且抗生物黏附材料不会对食品本身产生任何影响。Oh等通过蚀刻技术在亲水的石英载玻片上加工微纹理，并对材料表面进行甲基化改性，实现了基于Cassie模型的材料表面的全疏液改性，改性后，石英的水接触角从10°增加到155°，减少了约99.9%的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在食品包装材料表面的黏附。

3.2

抗生物黏附材料在食品设备方面的应用

食品加工环境为致病菌的黏附及后续生物被膜的形成提供了有利条件，所生成的致病菌生物被膜不仅威胁食品安全，还造成了近18.5%的食品加工机械损耗。对此，Oh等通过沉积带有锚定全氟基团的二氧化硅纳米粒子，对厨房和使用食品加工设施的工人使用的乳胶、丁腈和聚乙烯手套进行了疏水改性，最终将手套材料表面的静态水接触角增加到160°，减少了98%的肠球菌和金黄色葡萄球菌在手套表面的黏附。

综上所述，虽然抗生物黏附材料在食品相关领域的应用已有初试，但其适用范围存在一定的限制。食品工厂中通常使用大量的水和清洁剂清洁食品加工环境，但当使用疏水的抗生物黏附材料时，这些清洁液很难与疏水表面接触渗透，残留在食品加工表面的灰尘、泥土等污渍会造成加工环境污染和健康风险，因此，疏水抗生物黏附材料更适用于封闭性的食品运输管道，以减少其他污渍的污染。值得注意的是，当SLIPS疏水抗生物黏附表面应用于饮料、酱汁等液体食品的传送管道时，流体食品在运输过程中带来的剪切力会使得SLIPS表面中的润滑剂流失速度加快，这不仅会影响其抗生物黏附功能，还会带来一定的食品安全风险。亲水性抗生物黏附材料通过捕捉水分子形成水合屏障实现抗生物黏附功能，因此，在果干、肉干等极度干燥的食品加工环境中难以适用。此外，当亲水抗生物黏附材料用于鲜切果蔬等富含水分的食品的包装材料时，难以阻止食品的水分流失，进而影响食品的质量和保鲜效果。综上，在实际应用时，需要综合考虑包括加工环境、使用条件、食品类型在内的多个因素，根据不同的场景和需求选择适合的材料，并注意其维护和保养，以最大程度地发挥其抗生物黏附和防污染功能，确保食品的安全和质量。

4

结 语

生物被膜现象广泛存在自然界，能导致食品微生物安全问题，威胁消费者的健康，有效防止生物被膜形成的方法之一是在食品接触材料表面构建抗生物黏附的功能层。本文在现有研究的基础上，分别分析了亲水和疏水抗生物黏附材料的构建方法及内在抗黏附机制，总结了抗生物黏附材料在食品领域的典型应用实例，为后续抗生物黏附材料的开发及其在食品领域的应用提供新思路。

抗生物黏附材料未来研究应从以下3 个方面展开：其一，量化分析不同种类生物污染物与接触表面产生黏附现象的机制。生物污染物与接触表面产生黏附现象的机制非常复杂，与生物污染物的类型、形状、大小、表面性质等因素密切相关。现有的DLVO理论可以对一些单一的生物污染物与表面间的黏附行为进行解释，但是对于不同种类生物污染物及其复杂的形状和表面特征的影响尚不明确，需要进行更深入的研究。其二，开发新技术在疏水材料表面构筑微纳级粗糙结构，以形成Cassie接触模型提高其抗生物黏附性能。除机械加工法、蚀刻法、激光加工法和纳米压印法等传统加工方法，近年来研究人员也在探索新的材料表面技术，如通过化学反应形成微米级的球形颗粒、通过自组装分子在材料表面自组装形成纳米结构，或者利用胶体颗粒在表面自组装形成粗糙结构等，这些方法具有高度可控性和可重复性，有望实现大规模的工业化应用。其三，单一“防御”机制对生物被膜形成的抵抗能力有限，为了提高抗生物黏附材料的防控效率，可将“攻击”和“防御”相结合，这就意味着在抗生物黏附材料的基础上引入广谱杀菌剂，利用两种不同机制的协同效应实现对生物被膜的高效防控。利用抗生物黏附材料减少生物污染物在食品接触表面的黏附，可预防食源性致病菌生物被膜的产生，保障食品安全。

本文《抗生物黏附材料的构建及在食品领域的应用进展》来源于《食品科学》2024年45卷3期217-226页. 作者：茹义博, 董庆利, 马悦. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230221-200. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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