金屬-多酚網(wǎng)絡(luò)的組裝、功能特性及其在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展

焦 婷，王穩(wěn)航，程 蕓，張海艷，張文暉，張紅杰,*

（1.天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457；2.中國制漿造紙研究院有限公司，北京 100102；3.天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

多酚廣泛存在于自然界的多種植物中，具有抗氧化活性、抗菌活性和pH值響應(yīng)性等。多酚可與金屬離子螯合，通過調(diào)控這一現(xiàn)象可用于制備金屬-多酚網(wǎng)絡(luò)（metal-polyphenol network，MPN），進(jìn)而可以形成不同形狀和功能的薄膜或涂層，并應(yīng)用于藥物遞送、生物醫(yī)學(xué)、污水凈化和食品工業(yè)等領(lǐng)域。由于酚類具有的這些獨(dú)特性質(zhì)，基于多酚類化合物制備的MPN受到越來越多的關(guān)注。其中由于單寧酸（tannic acid，TA）具有多羥基界面修飾性能[1]，多巴胺（dopamine，DA）具有超強(qiáng)的黏附能力[2]，以TA和DA為代表的植物多酚及其衍生物與金屬離子絡(luò)合制備MPN逐漸成為研究熱點(diǎn)。

TA是含有5 個(gè)共價(jià)連接在中心葡萄糖核上的二丙酰酯基的高分子質(zhì)量水溶性多酚，被美國食品藥品監(jiān)督管理局列為通常認(rèn)為安全（generally regarded as safe，GRAS）的食品添加劑[3]，可作為功能成分添加到營養(yǎng)保健品中，還可作為抗菌劑添加到食品包裝材料中，以延長食品的貨架期并提高食品的安全性。TA的多個(gè)酚羥基結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的生理活性和化學(xué)特性，如兩親性[4]、與多種金屬離子發(fā)生靜電和絡(luò)合作用和清除自由基等能力（包括清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基、2,2’-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)陽離子自由基和過氧化氫[5]等）。DA是貽貝等海洋生物所分泌黏液的重要組成部分，具有很強(qiáng)的黏附性，在有機(jī)或無機(jī)材料（包括惰性金屬、聚合物、陶瓷、氧化物和細(xì)胞等[6]）表面均能形成涂層，含鄰苯二酚基團(tuán)的DA類衍生物如聚多巴胺（polydopamine，PDA）同樣具有與DA類似的強(qiáng)黏附性[7]，由此發(fā)展起來的利用PDA與金屬配位形成的MPN涂層已在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用[8]。

多酚和金屬配位形成的MPN具有多種獨(dú)特的功能，如抑制細(xì)菌生長、呈遞藥物和去除重金屬離子等，因此在生物醫(yī)藥、污水凈化和防腐保鮮等方面有著廣泛的應(yīng)用。作為便于調(diào)控的功能材料，MPN還可用于固定納米銀離子于反滲透膜上，以達(dá)到抑菌效果[9]。食品工業(yè)中，多酚與微量元素（如鐵、鋅等）可以添加到產(chǎn)品中用于營養(yǎng)強(qiáng)化。

為此，本文根據(jù)近些年的相關(guān)研究回顧MPN的發(fā)展歷史，介紹MPN的組裝機(jī)制、組裝材料以及制備方法，闡述MPN的抗菌性、抗氧化性、吸附性能和pH值響應(yīng)性等功能特性及其在食品領(lǐng)域的潛在應(yīng)用等，并對(duì)MPN未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，旨在為MPN在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

1 MPN發(fā)展歷程

20世紀(jì)90年代末，復(fù)合納米顆粒得到快速發(fā)展，這種顆粒由涂有不同化學(xué)成分的外殼和有機(jī)或無機(jī)內(nèi)核組成，可應(yīng)用于藥物遞送、催化及酶和蛋白質(zhì)保護(hù)等[10]領(lǐng)域。最常見構(gòu)建納米顆粒的方法是層層組裝（layer-bylayer assemble，LbL）技術(shù)，該技術(shù)的基礎(chǔ)是帶電粒子之間的靜電吸引[11]。然而，這種多層結(jié)構(gòu)的形成大多是在平面底物上進(jìn)行的（如石英或金），且費(fèi)時(shí)費(fèi)力（表1），使其應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)了一種新型的制備具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料的方法——介孔硅（mesoporous silica，MS）復(fù)制法。MS是一種具有極大表面積的多孔材料[12]，由于其獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)，可用于金屬和金屬氧化物的模板合成。但是MS的尺寸、形狀和孔隙率等受模板的限制，且顆粒較小時(shí)容易發(fā)生聚集，商業(yè)可用的MS模板較少，使其應(yīng)用存在一定的局限。若能制備出尺寸、形態(tài)和孔隙率等均可調(diào)的MS模板，將在生物催化、分離和藥物遞送中發(fā)揮更大的作用。

表1 組裝納米粒子的主要方法Table 1 Major methods of assembling nanoparticles

在前兩種方法的基礎(chǔ)上，墨爾本大學(xué)的Ejima等[13]在2013年首次利用天然多酚和鐵離子（Fe3+）在底物表面快速形成多功能MPN涂層，即金屬離子和多酚通過配位鍵絡(luò)合而成的超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中金屬離子一般為Fe3+、Cu2+和Ag+等過渡元素或鑭系金屬元素離子，多酚結(jié)構(gòu)物質(zhì)包括TA、表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）、DA、PDA和阿魏酸等。MPN的形成是由多酚的吸附和pH值依賴的多價(jià)配位鍵引導(dǎo)的，結(jié)合了金屬離子賦予的特定功能及多酚類物質(zhì)對(duì)各種表面的高親和力[14]。當(dāng)有界面存在時(shí)，MPN可以在界面上形成納米涂層薄膜[4]。近些年MPN的發(fā)展非常迅猛，由于其制備過程簡(jiǎn)便快速、綠色環(huán)保，金屬離子和多酚物質(zhì)的可選擇性多[15]，近年來MPN開始作為一種多功能的表面涂層材料，廣泛應(yīng)用于制備薄膜、微膠囊和凝膠[5]等，還可以用于固定金屬納米粒子于薄膜表面[12]以及對(duì)薄膜進(jìn)行表面功能化改性。由于其具有抑制微生物生長、清除自由基和阻隔紫外線等功能，且細(xì)胞毒性低[16]，在食品工業(yè)領(lǐng)域也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 MPN的組裝

2.1 MPN的組裝機(jī)制

MPN的組裝主要基于鄰苯二酚基團(tuán)與作為交聯(lián)單元的金屬離子之間的配位鍵的pH值依賴性[17]。酚類化合物中存在的鄰苯二酚或沒食子?；鶊F(tuán)為金屬離子的螯合提供了結(jié)合位點(diǎn)[18]。因此，含沒食子?；鶊F(tuán)的TA等多酚類物質(zhì)可以與Fe3+等金屬離子形成高度穩(wěn)定的絡(luò)合物[19-20]。根據(jù)pH值的不同，可以形成單絡(luò)合物、雙絡(luò)合物或三絡(luò)合物[21]。在pH值一定時(shí)，絡(luò)合物的性質(zhì)主要取決于多酚的濃度及其電離度[22]。多酚中兩個(gè)相鄰的酚羥基能以氧負(fù)離子的形式與金屬離子絡(luò)合形成穩(wěn)定的五元環(huán)螯合物，鄰苯三酚結(jié)構(gòu)中的第三個(gè)酚羥基雖然沒有參與絡(luò)合，但可以促進(jìn)另外兩個(gè)酚羥基的解離，從而有助于絡(luò)合物的形成及穩(wěn)定[23]，其中，高氧化態(tài)的金屬離子與多酚形成的配位網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定[24]。

2.2 MPN的原材料

MPN由多酚類物質(zhì)和金屬離子通過螯合作用組裝而成，酚類化合物在自然界中分布廣泛，是植物重要的次級(jí)代謝產(chǎn)物[25]。具有多酚結(jié)構(gòu)的物質(zhì)主要包括TA、DA、PDA和EGCG等[26]，它們被用作MPN合成的基礎(chǔ)材料。構(gòu)成MPN的原料種類如表2所示，其中金屬離子主要包括Fe3+、Al3+、Cu2+、Ti4+和Ag+等。目前的研究主要集中在使用DA和TA合成MPN。

表2 構(gòu)成MPN的不同種類金屬或多酚的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍Table 2 Advantages, disadvantages and application scope of metals and polyphenols used to assemble MPN

2.2.1 TA和Fe3+配位形成MPN

TA是自然界中最容易獲得的多酚之一，和許多其他多酚一樣，金屬螯合性是TA的一個(gè)顯著特征，在此基礎(chǔ)上，它可以作為金屬離子配位的多齒配體[27]。TA與Fe3+絡(luò)合形成的MPN材料具有孔徑和比表面積大的特性[17]。

Fe3+和TA可以在不同形狀及不同尺寸的底物表面進(jìn)行組裝，得到二維或三維結(jié)構(gòu)的TA-Fe3+網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[28]。當(dāng)有模板存在時(shí)，F(xiàn)e3+和TA可以在模板表面自組裝形成一層TA-Fe3+涂層，去除模板后得到膠囊狀的TA-Fe3+復(fù)合物[29]。因?yàn)镕e3+具有來源廣泛、獲取方便和對(duì)人體無毒副作用等特點(diǎn)，相比其他金屬，F(xiàn)e3+在制備MPN方面擁有更廣泛的應(yīng)用。TA-Fe3+可以根據(jù)底物形狀的不同制成粒子狀、膠囊狀或平面狀[20]MPN。

2.2.2 TA和其他金屬配位形成MPN

TA與Fe3+發(fā)生配位反應(yīng)構(gòu)成MPN的報(bào)道較多，除此之外，TA還能和Ce4+、Ti4+和Cu2+等金屬離子絡(luò)合制備MPN。

醫(yī)療器械表面易黏附微生物而形成生物膜，極易增加感染風(fēng)險(xiǎn)甚至危及生命，傳統(tǒng)抗菌方法存在固有缺陷，TA-Ce4+新型仿生抗菌涂層可用于抗細(xì)菌黏附和生物膜的形成[30]。金屬離子的氧化態(tài)越高，配位網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定，由此得到的氧化態(tài)和電荷更高的TA-Ti4+網(wǎng)絡(luò)比TA-Fe3+網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定[31]。

2.2.3 DA與金屬配位形成MPN

與TA類似，DA也具有鄰苯二酚基團(tuán)，因此也能在各種底物表面形成MPN涂層，但與TA通過配位鍵驅(qū)動(dòng)形成MPN不同，DA是通過氧化自聚合作用形成MPN[32]。含鄰苯二酚基團(tuán)且與DA結(jié)構(gòu)相似的DA類衍生物[33]PDA同樣可以與金屬或金屬氧化物[34]螯合形成MPN。

海洋生物貽貝通過其足腺分泌的具有超強(qiáng)黏附性能的蛋白質(zhì)，即使在海水這種潮濕環(huán)境中也能牢固黏附在各種材料的表面[7]。受此黏附蛋白的啟發(fā)，研究人員發(fā)現(xiàn)PDA具有類似于貽貝黏附蛋白的結(jié)構(gòu)和超強(qiáng)黏附性能。在堿性條件下，PDA可在各種材料的表面迅速成膜，其中含有大量親水的羥基和氨基官能團(tuán)，可提高材料表面的親水性和化學(xué)多功能性[35]。此外，由于PDA具有良好的生物相容性，在生物材料表面改性中也有較多的應(yīng)用，例如，將DA-Cu2+應(yīng)用于體外醫(yī)療設(shè)備，使其具有協(xié)同抗炎癥、抗菌和抗血栓的功能[36]。

2.3 MPN的制備方法

通常，組裝MPN可以采取LbL[23,37-38]和一步共混沉積法[13]兩種方式進(jìn)行。所采取的組裝方式不同，MPN的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)（如滲透性、硬度和可降解性）等存在顯著差異[4]。以TA和Fe3+為原材料分別采取一步共混沉積法和LbL法制備薄膜結(jié)構(gòu)，雖然制備MPN的原材料相同，但MPN的微觀結(jié)構(gòu)、金屬離子分布情況及其理化性質(zhì)均存在明顯不同。

2.3.1 LbL法組裝MPN

LbL法中，過量的TA分子首先吸附到模板的表面，然后反復(fù)水洗除去游離的TA分子，再加入過量的Fe3+，通過反復(fù)水洗除去未吸附的游離TA分子和Fe3+，這樣交替加入過量的TA分子和Fe3+[39-40]，最終完成LbL過程[41]。LbL法制得的膜分子質(zhì)量和楊氏模量較小，耗時(shí)較長，一般需要數(shù)小時(shí)。相比于一步共混沉積法，LbL法可以通過控制循環(huán)時(shí)間而很好地控制涂層的厚度，但一步共混沉積法制備簡(jiǎn)單、耗時(shí)較短的特性使其比LbL法的應(yīng)用范圍更廣。

2.3.2 一步共混沉積法組裝MPN

一步共混沉積法就是將所有原料混合在一起，然后通過配位作用或氧化自組裝作用制得MPN。一步共混沉積法具有操作簡(jiǎn)單、快速、楊氏模量高的優(yōu)點(diǎn)，一般只需幾秒即可完成，但制得的膜較厚，分子質(zhì)量較大。該方法是一種通用的涂層方法，既適用于膠囊狀MPN的形成，也適用于平面狀MPN的組裝。相比于LbL法，一步共混沉積法為材料表面的修飾提供了一種更簡(jiǎn)便、快捷且普適的方法。

2.4 MPN的表征方法

MPN涂層作為薄膜材料的一種，其自身結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性對(duì)其應(yīng)用有著非常重要的影響，包括厚度、機(jī)械強(qiáng)度、透光率、化學(xué)組成和微觀形貌等，因此用合適的手段對(duì)膜進(jìn)行表征，對(duì)于更好地發(fā)揮膜的作用十分重要。紫外-可見光分光光度計(jì)和拉曼光譜可以用來探測(cè)分子水平上金屬和多酚之間的反應(yīng)，包括單絡(luò)合物到三絡(luò)合物存在形式的相對(duì)變化、金屬-多酚配位形式和鍵長。X射線光電子能譜能夠用來確定金屬-多酚的化學(xué)計(jì)量數(shù)和金屬離子在最終膜或膠囊上的氧化狀態(tài)[11]。表征MPN涂層相關(guān)性質(zhì)的常用方法如表3所示。

表3 MPN常用的表征方法Table 3 Common characterization methods for MPN

3 MPN的功能特性

MPN不僅保留了多酚和金屬離子單獨(dú)存在時(shí)的性質(zhì)，如抗菌性、抗氧化性和金屬離子螯合性等，還具有一些新的性質(zhì)，如pH值響應(yīng)性、各種表面的通用黏附性和抗蛋白吸附及抗生物膜的形成等。

3.1 MPN的抗菌性

TA具有抗菌功能，其抗菌活性可以通過多種途徑發(fā)揮作用，如破壞細(xì)胞膜的穩(wěn)定性、滲透細(xì)胞膜或抑制酶活性。TA的這種抗菌模式可以避免微生物產(chǎn)生耐藥性，使得TA具有成為新型抗生素的潛力。MPN不僅對(duì)單個(gè)細(xì)菌有抑制作用，在防止細(xì)菌形成菌落方面也具有較好的效果。

以大腸桿菌作為革蘭氏陰性菌的代表，枯草芽孢桿菌作為革蘭氏陽性菌的代表，對(duì)MPN進(jìn)行抗菌性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MPN對(duì)革蘭氏陰性菌和陽性菌均具有明顯的抑制作用，對(duì)于革蘭氏陽性菌還有促進(jìn)血漿凝固的功能[9]，所以對(duì)革蘭氏陽性菌的抑制效果比對(duì)革蘭氏陰性菌更強(qiáng)。將納米銀離子固定到MPN改性的PEI膜上可進(jìn)一步提高其抗菌性。MPN不僅能抑制細(xì)菌生長，還能防止細(xì)菌黏附。研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的底物表面有大量細(xì)菌黏附[32]；僅使用TA涂層的底物與未處理底物類似，依然有大量細(xì)菌黏附；而用TA-Fe3+涂層后的底物，抗菌性顯著增強(qiáng)，主要是由于表面親水性基團(tuán)的大量增加而提高了表面潤濕性。與TA-Fe3+涂層的底物相比，涂有TA-Ce4+底物表面的抗細(xì)菌性能更強(qiáng)，這是由于親水性基團(tuán)數(shù)量進(jìn)一步增加和表面Ce4+離子的引入。進(jìn)一步研究表明，MPN涂層對(duì)底物表面的改性是抗細(xì)菌黏附作用的結(jié)果，而不是殺菌作用。

當(dāng)細(xì)菌在材料表面黏附過多時(shí)會(huì)形成菌落，進(jìn)而形成生物膜，生物膜是耐抗生素的，它的形成為細(xì)胞在惡劣環(huán)境中生存提供了保護(hù)[42]，但對(duì)材料是有害的。TA的沒食子?；鶊F(tuán)是使材料表面具備抗細(xì)菌黏附性能的關(guān)鍵因素，其作用機(jī)制是通過氫鍵、靜電作用和疏水相互作用與蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)[43]。以大腸桿菌為代表的革蘭氏陰性菌和以金黃色葡萄球菌為代表的革蘭氏陽性菌在未經(jīng)任何處理的純苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer，SEBS）表面大量繁殖并積累，形成大量生物膜，而具有TA-Ce4+涂層的SEBS表面沒有明顯的生物膜形成。說明TA-Ce4+絡(luò)合物具有抗細(xì)菌黏附的作用，進(jìn)一步可防止生物膜的形成。

3.2 MPN的抗氧化性

TA含有大量的酚羥基，其中一個(gè)酚羥基用來和Fe3+絡(luò)合，形成穩(wěn)定的MPN結(jié)構(gòu)，其余的酚羥基可使MPN具有抗氧化能力，用MPN涂層改性納米纖維素膜或納米顆粒等底物，可使底物也具有抗氧化能力。將MPN膜加入到DPPH溶液中后，在515 nm波長處DPPH自由基的特征吸收峰明顯下降[44]，說明MPN膜具有清除DPPH自由基的能力。

MPN涂層的抗氧化性可以通過對(duì)DPPH自由基的清除能力來判斷，通過分析DPPH自由基在515 nm波長處的吸光度降低與否，或通過觀察在抗氧化物存在下，DPPH溶液是否從紫色變成黃色，從直觀上較為粗略地判斷其抗氧化能力。在MPN與DPPH自由基發(fā)生反應(yīng)的過程中，MPN將DPPH還原成DPPH-H。強(qiáng)酸性條件下，MPN對(duì)DPPH自由基的清除率較高，超過90%[45]，隨著pH值的升高，抗氧化性逐漸下降，當(dāng)pH值增加至9，清除率只有10%～20%。由此可見，MPN在酸性條件下有較強(qiáng)的抗氧化能力。

3.3 MPN的吸附性能

3.3.1 MPN吸附金屬離子的能力

利用TA和Zr離子通過物理交聯(lián)形成MPN絡(luò)合物可作為一種吸附體系，吸收水體中的多種重金屬污染物。該吸附體系具有較高的吸附性能，且制備簡(jiǎn)單快速、成本低廉，具有穩(wěn)定性高、吸附容量大、吸附效率高、易再生等特點(diǎn)。能有效去除28 種金屬離子，去除率超過99%[46]，該體系可作為涂層、薄膜或濕凝膠捕獲金屬離子，吸附劑和捕獲的金屬離子均可再生或直接用作復(fù)合催化劑。

MPN能吸附包括貴金屬、有毒金屬、過渡金屬和稀土金屬在內(nèi)的28 種金屬離子，去除率高達(dá)99%，這種高去除率可能是由于在較高的pH值下TA具有較高的去質(zhì)子化狀態(tài)，有利于配位相互作用[46]。MPN體系的廣譜金屬離子捕獲能力可以歸因于體系中豐富的鄰苯二酚和沒食子酰基團(tuán)形成的金屬螯合或氧化還原配合物。吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，MPN對(duì)金屬離子的吸附符合Langmuir吸附模型[46]。

3.3.2 MPN在底物表面的吸附能力

MPN可在幾乎任何材料表面形成一層淺棕或淺藍(lán)色涂層，包括玻璃[47]、硅片、金片等無機(jī)材料，TiO2、SiO2

[48]等氧化物，聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚醚醚酮和聚苯乙烯等高分子有機(jī)聚合物材料以及酵母[49]等活細(xì)胞表面。即使是極低表面能的超疏水表面，MPN也能對(duì)其進(jìn)行改性。在固體和液體界面上通過鄰苯二酚和氨基基團(tuán)的協(xié)同鹽置換[50]是MPN在各種材料表面均能表現(xiàn)出涂層能力的重要機(jī)理之一。此外，根據(jù)材料表面化學(xué)性質(zhì)的不同，MPN與底物的結(jié)合機(jī)制也不同，如配位作用、靜電相互作用、π-π反應(yīng)、氫鍵和共價(jià)反應(yīng)[51-54]。與LbL方法相比，MPN方法不需要進(jìn)行復(fù)雜的表面處理，也不需要在涂層沉積之前對(duì)底物進(jìn)行徹底清洗，因此更簡(jiǎn)便高效。

3.4 MPN的pH值響應(yīng)性

MPN在不同pH值條件下形成的絡(luò)合物形式不同，當(dāng)pH＜2時(shí)，主要以單絡(luò)合物形式存在；當(dāng)pH值在3～6時(shí)，主要以雙絡(luò)合物形式存在；當(dāng)pH＞7時(shí)，主要以三絡(luò)合物的形式存在。另一方面，在堿性條件下，MPN的三絡(luò)合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而在低pH值條件下，多酚分子上大多數(shù)酚羥基被質(zhì)子化[23]，從而形成了質(zhì)子氫和金屬離子之間的競(jìng)爭(zhēng)螯合，導(dǎo)致MPN結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定甚至解體，這種特性使得MPN在作為藥物載體時(shí)有巨大的優(yōu)勢(shì)。

MPN溶液的顏色也隨著pH值的不同而發(fā)生變化，當(dāng)pH值從1.0變化到8.4時(shí)，溶液的顏色從無色到藍(lán)色，然后再到紅色。這種顏色的變化歸因于單、雙、三絡(luò)合物之間的轉(zhuǎn)變[55]。在pH 1.0時(shí)，由于所有的羥基全部質(zhì)子化，絡(luò)合物完全分解成單絡(luò)合狀態(tài)。隨著pH值的增加，質(zhì)子化的羥基數(shù)量逐漸減少，導(dǎo)致配位鍵的恢復(fù)。當(dāng)pH值達(dá)到7.4時(shí)，可以完全恢復(fù)三絡(luò)合物狀態(tài)。

在不同pH值下MPN對(duì)藥物的釋放行為存在顯著差異，在較低的pH值條件下，藥物釋放效率較高。另外，通過透射電子顯微鏡圖像可以明顯觀察到pH值對(duì)MPN膠囊形態(tài)的影響。在pH 7.4時(shí)，藥物顆粒完整，MPN膠囊將顆粒包裹得很好，而在pH 5.2時(shí)，可以觀察到膠囊中殘留的顆粒較少，因?yàn)槟z囊開始解體，釋放出了部分藥物顆粒。MPN在中性pH值下的穩(wěn)定性可以在藥物遞送過程中保護(hù)藥物，藥物被靶細(xì)胞內(nèi)吞并到達(dá)溶酶體后，溶酶體內(nèi)的酸性環(huán)境會(huì)促進(jìn)藥物的釋放。MPN具有的這種在中性pH值環(huán)境中穩(wěn)定，在較低pH值條件下可控釋放的pH值響應(yīng)性，使其成為一種具有良好應(yīng)用前景的藥物載體。

4 MPN在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

MPN作為一種新型材料，取材方便、組裝簡(jiǎn)單、功能各異，在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域（包括食品領(lǐng)域）均具有廣泛的應(yīng)用，主要包括活性功能物質(zhì)緩釋、食品貯藏與保鮮、食品加工設(shè)備抑菌和食品工業(yè)廢水處理等。

4.1 MPN在活性物質(zhì)緩釋方面的應(yīng)用

許多藥物或生物大分子都需要利用一定的手段將其包埋起來，或負(fù)載到載體上，才能更好地發(fā)揮作用。將MPN制成膠囊應(yīng)用于藥物緩釋或營養(yǎng)物質(zhì)遞送是MPN最常見的應(yīng)用之一。MPN膠囊含有的酚羥基具有高的表面結(jié)合能力和金屬螯合能力，可以在堿性條件下快速組裝，在生理酸性條件下分解并釋放包裹的內(nèi)容物。MPN由于其良好的生物相容性和pH值響應(yīng)性，在活性物質(zhì)緩釋應(yīng)用方面十分具有潛力。目前，已證明MPN在藥物的表面包覆可以實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋和靶向釋放，特別是抗腫瘤藥物，在呈酸性的腫瘤組織中MPN逐漸降解從而釋放出藥物。同時(shí)MPN可以直接包覆在納米藥物的表面，使得載藥量大大提高[40]。

4.2 MPN在食品貯藏與保鮮方面的應(yīng)用

可食膜是一種重要的食品保鮮技術(shù)，其包覆食品可以隔絕外界環(huán)境，延長食品貨架期，延緩采后品質(zhì)下降。以TA-Fe3+絡(luò)合物為例，其作為可食膜既可以補(bǔ)充人體所需的微量元素鐵，又具備TA的抗菌、抗氧化和抗病毒等功能。

使用噴霧法將MPN溶液噴涂在橘子和草莓表面，形成MPN涂層，具有延長食品貨架期的作用，同時(shí)，涂層中的多酚類物質(zhì)可從薄膜基質(zhì)釋放到包裝食品中，進(jìn)而在食品貯存過程中提供持續(xù)的抗氧化和抗菌活性[56]。在25 ℃的環(huán)境條件下，經(jīng)過MPN涂層處理的橘子在14 d內(nèi)保持完好，未經(jīng)過MPN涂層的橘子則完全腐爛，表面布滿綠色的霉菌[57]。對(duì)全部受試橘子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，在25 ℃存放28 d后，未經(jīng)MPN涂層處理的橘子有27%發(fā)生腐爛，而經(jīng)過MPN涂層處理的橘子沒有腐爛。經(jīng)感官評(píng)價(jià)可發(fā)現(xiàn)，噴霧涂層處理沒有改變草莓的口感和質(zhì)地。在室溫（25 ℃）和相對(duì)濕度32%～45%條件下，將草莓放在聚苯乙烯泡沫盒中貯藏58 h后，可以觀察到未經(jīng)MPN涂層的草莓已發(fā)生腐爛，但經(jīng)MPN涂層處理的草莓完好無損。其中經(jīng)MPN涂層處理的草莓中有56.3%是可食用的，而未經(jīng)MPN涂層過的草莓中只有6.3%可食用?？傮w來說，經(jīng)MPN涂層處理的橘子和草莓腐爛的數(shù)量明顯少于未經(jīng)MPN涂層的，可食用的數(shù)量更多。該方法可推廣到其他果蔬，為食品保鮮領(lǐng)域提供新思路。

4.3 MPN在食品加工過程中的應(yīng)用

4.3.1 MPN用于食品加工設(shè)備表面的抑菌

由于食品加工過程和環(huán)境具有復(fù)雜性，如在食品配料與制作、食品灌裝與包裝的過程中存在諸多可能引發(fā)微生物污染的因素。因此，食品加工設(shè)備的抑菌工作對(duì)于保證食品安全尤為重要。關(guān)于細(xì)菌形成生物膜的研究近20多年逐漸受到一些學(xué)者的重視，但研究范圍主要集中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。食品領(lǐng)域中，直至最近幾年，乳品和肉品行業(yè)才出現(xiàn)了關(guān)于細(xì)菌生物膜的相關(guān)報(bào)道。微生物在各個(gè)加工環(huán)節(jié)都有可能形成生物膜，易造成交叉污染和加工后污染，從而引起食品安全問題。

食品加工設(shè)備表面形成生物膜的主要菌種為金黃色葡萄球菌，屬革蘭氏陽性菌，MPN具有廣譜抑菌性，但對(duì)革蘭氏陽性菌的抑制作用更強(qiáng)[45]，因此適合作為食品加工設(shè)備表面的抑菌涂層。

相較于傳統(tǒng)的殺菌消毒方法，MPN涂層更加綠色環(huán)保，不會(huì)對(duì)操作人員、設(shè)備和周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響。由于MPN在各種表面均具有強(qiáng)黏附性，因此可使用噴霧涂層的方式將MPN涂覆于設(shè)備表面，以抑制細(xì)菌黏附和繁殖。涂層厚度受噴霧循環(huán)次數(shù)、組裝MPN的原材料種類、pH值、溶劑種類、多酚與金屬的比例和濃度的影響[57]。MPN具有制備方法簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn)，且不受設(shè)備形狀的限制，在食品設(shè)備與器具表面抑菌處理方面具有巨大的發(fā)展前景。但目前鮮見其具體應(yīng)用，應(yīng)進(jìn)一步加大研究力度，以推動(dòng)其商業(yè)化發(fā)展。

4.3.2 MPN用于食品工業(yè)廢水處理

食品加工產(chǎn)生的廢水中存在微生物、糖類、蛋白質(zhì)等，通常易腐敗，且含有大量有機(jī)物和懸浮物，化學(xué)需氧量和生物需氧量較高[58]。膜處理技術(shù)是廢水處理的方法之一，通常簡(jiǎn)單高效，還可將食品工業(yè)廢水中的糖、蛋白質(zhì)等有用物質(zhì)回收再利用[59]，因此該技術(shù)與傳統(tǒng)廢水處理技術(shù)相比有良好的前景和優(yōu)勢(shì)。但膜處理技術(shù)目前仍存在易污染、費(fèi)用高等問題，利用MPN涂層改性廢水濾膜具有低成本、低污染的特點(diǎn)[60]，可以應(yīng)用于食品工業(yè)廢水處理。

Kim等[61]首次將TA和Fe3+形成的MPN涂層應(yīng)用于廢水濾膜。MPN中的兒茶酚和五倍子醇基團(tuán)增加了廢水濾膜的性能，如防止蛋白質(zhì)、油和微生物的污染，以及抗菌和去除重金屬離子。加入了TA-Fe3+涂層的廢水濾膜，水通量比原始聚醚砜膜提高了2 倍左右，銅綠假單胞菌細(xì)胞黏附和存活細(xì)胞數(shù)量減少了近一半。MPN還能有效去除廢水中的NH4+和NO2-，加入TA-Fe3+后，NH4+和NO2-的去除率明顯提高[62]。由此可見，MPN涂層對(duì)于陽離子和陰離子氮污染物均具有較好的去除效率，能夠有效解決食品工業(yè)廢水處理中的脫氮問題。

5 結(jié) 語

本文綜述了近年來MPN的組裝、功能特性及其在食品領(lǐng)域的研究進(jìn)展。雖然這種方法還處于起步階段，但已經(jīng)有各種各樣的底物（包括高分子材料、石墨烯、納米材料、金納米粒子、酵母、哺乳動(dòng)物細(xì)胞、牙齒等）使用MPN涂層來賦予其更多的性能[62]。

MPN在很多領(lǐng)域都展現(xiàn)了獨(dú)特的應(yīng)用前景，其應(yīng)用目前主要集中在生物醫(yī)學(xué)和藥物遞送領(lǐng)域。MPN在藥物遞送領(lǐng)域具有的顯著優(yōu)勢(shì)提示也可將其作為功能活性因子緩釋運(yùn)載體系，包裹各種微營養(yǎng)成分和活性物質(zhì)以用于營養(yǎng)強(qiáng)化與功能提升，在保持功能物質(zhì)的活性的同時(shí)又可以更精準(zhǔn)地在不同部位發(fā)揮作用。同時(shí)，由于植物多酚具有顯著的抗氧化性和抑菌性，且來源安全，因此在食品表面涂覆MPN涂層用于保鮮將是未來食品貯藏與保鮮及包裝領(lǐng)域的創(chuàng)新性研究之一。其既可以以噴霧的方式將MPN溶液噴涂在果蔬的表面，直接在果蔬表面形成一層具有保鮮作用的保護(hù)膜，也可以將MPN作為涂層涂覆于現(xiàn)有的膜材料表面（如使用MPN功能化改性納米纖維素膜，增加纖維素腸衣的抗菌性和抗氧化性）。此外，相較于傳統(tǒng)食品設(shè)備消毒的方法，在加工設(shè)備表面噴霧涂覆一層MPN膜，可以有效防止細(xì)菌黏附，進(jìn)而防止生物膜形成，該方法簡(jiǎn)便高效、綠色環(huán)保，且不會(huì)對(duì)加工人員及食品產(chǎn)生毒害作用，也為食品設(shè)備消毒提供了新方法。

目前MPN涂層的底物主要是合成高分子聚合物，而在天然生物高分子聚合物表面的涂層鮮有涉及，合成高分子材料易造成環(huán)境污染，因此將MPN作為涂層涂覆于天然生物聚合物表面，以更好地適應(yīng)食品領(lǐng)域的要求將成為未來的重要研究方向之一。為此，隨著對(duì)MPN結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，利用MPN涂層的高通用性與模板介導(dǎo)的方法結(jié)合，篩選酚類配體，進(jìn)行多功能響應(yīng)薄膜材料的開發(fā)，不斷改進(jìn)材料性能，拓展應(yīng)用范圍，MPN或?qū)⒃跔I養(yǎng)運(yùn)載與控釋、保鮮與儲(chǔ)藏、綠色包裝、設(shè)備清潔等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。