革兰氏阳性菌是能被革兰氏染色为深蓝色或紫色的细菌，其细胞壁中含有大量的肽聚糖。由革兰氏阳性菌引起的感染可能导致许多严重的疾病，包括败血症、菌血症、肺炎和心内膜炎等。其中单核细胞增生李斯特菌（

Listeria monocytogenes
）和金黄色葡萄球菌（
Staphylococcus aureus
）是食品中常见的革兰氏阳性菌。

为提高食品包装的抑菌能力，通常在包装中添加抑菌材料。常用的抑菌材料可分为无机抑菌材料和有机抑菌材料。目前，抗菌剂的发展方向除了探索开发天然抗菌剂外，更多的是将天然抗菌剂负载在聚合物材料上，从而在保留抑菌剂活性的条件下达到增强其机械性能的效果。

纤维素来源广泛，年产量约为500亿 t。纤维素是由

D
-吡喃葡萄糖通过
-1,4-糖苷键连接而成的线性高分子化合物，具有良好的亲水性和化学修饰性，是自然界中最丰富的生物大分子材料，是最适合合成绿色产品的原料之一。纤维素可以作为性能优良的载体，运用不同的改性方法能够使纤维素在具备较好抗菌效果的同时满足差异化的需求。氨基酸是生物大分子蛋白质的基本组成单位，是一类同时含有碱性氨基和酸性羧基的两性化合物，目前一共有22 种氨基酸。氨基酸具有丰富的官能团，且大部分氨基酸具有良好的水溶性，是纤维素改性的一个良好选择对象。

相较于其他材料，纤维素和氨基酸均为绿色无害的天然化合物，可以广泛应用于食品中，且合成原料便于获取、成本较低，通过高碘酸钠氧化接枝的合成途径和条件也较为简单。

基于此，南京财经大学食品科学与工程学院的吴思邈、杨海凡、昕炀和北京绿邦环保工程有限公司的梁冠男以食品中常见的

L. monocytogenes
S.aureus
两种革兰氏阳性菌为研究对象，以微晶纤维素（MCC）为载体，
L
-甲硫氨酸（
L
-Met）为改性材料，设计开发一种纤维素基抑菌材料
L
-Met改性MCC（M-MCC）。通过
L. monocytogenes
S. aureus
生长曲线等指标评价M-MCC的抑菌效果，通过测定M-MCC处理后细胞膜通透性等指标以评价M-MCC对
L. monocytogenes
S. aureus
细胞膜的影响。

1 表征分析结果

1.1 微观形貌及结构分析

为了了解

L
-Met修饰对MCC形貌结构的影响，观察MCC和M-MCC的微观形貌和结构变化，采用SEM对MCC和M-MCC成像，结果如图2所示。与具有多孔结构、呈现短棒状的MCC相比， L -Met修饰的M-MCC表现出更粗糙的表面，呈片状分布，且表面覆盖有颗粒状纤维。这种表面结构改变可能有助于增加M-MCC对细菌的接触面积，进而提高抗菌活性，这有待进一步的确定。

1.2 表面官能团及元素分析

使用FTIR对改性前的MCC和改性后的M-MCC表面官能团进行表征，结果如图3所示。在3 337、1 634、1 430、1 320、1 166 cm-1和1 031 cm-1处MCC和M-MCC具有相同的峰，分别对应—OH拉伸振动峰、—OH弯曲振动吸收峰、—H—C—H—面内弯曲振动峰、—O—C—H面内弯曲振动峰、—C—O—C—不对称拉伸振动峰和—C—O—拉伸振动峰，这证明改性后MCC骨架结构不变，说明L-Met的接枝并没有破坏纤维素的基本骨架结构。—C—S—C—的红外吸收峰出现在1 024 cm-1处，1 630～1 680 cm-1碳氧伸缩振动和1 460～1 550 cm-1氮氢弯曲振动证明了酰胺键的存在，间接证明了L-Met成功接枝到MCC表面。

为了进一步了解M-MCC的元素分布情况，采用SEM-EDS和XPS分别对C、O、N、S进行元素分析。M-MCC中的元素分布情况如图4A所示，包含C、O、N、S的EDS总谱图如图4B所示，可以看出，在M-MCC上可以检测到N、S元素，而这两种元素MCC本身不具备，由于L-Met接枝负载在MCC上而出现，这证明L-Met成功接枝到了MCC上。在能谱总谱图中能够观察到N、S的特征峰，也证明了这一结论。

如图4C所示，M-MCC由于分子中N、S元素含量较少，全谱分析中并未能直接看到N元素（N1s）和S元素（S2p）的结合峰。M-MCC的C1s结合能为286.11 eV，O1s结合能为532.5 eV。进一步对N1s和S2p的特征谱峰进行精细扫描分析，由峰形可以判断出N、S元素的存在，但其较小的峰面积和峰强度也证实了N、S元素在M-MCC中含量较低。M-MCC的原子百分比如表1所示。由XPS所得到的N、S元素在M-MCC上的原子百分比仅为0.94%和0.55%，而C、O元素原子百分比则高达57.61%和40.91%。

1.3 XRD和TGA

如图5A所示，15.6°、22.6°和34.8°处的衍射峰分别为纤维素的（1～10）（110）、（200）和（004）晶面。没有观察到纤维素晶体形态的明显变化。改性后的M-MCC在22.6°处的特征峰略有增强，这可能是因为L-Met的负载使得MCC中非晶态区域有效降解，结晶强度增加，有利于M-MCC的稳定性。

如图5B所示，M-MCC在开始加热后开始缓慢产生质量损失，M-MCC在温度达到112.05 ℃左右时质量损失达到4.728%，而后质量随温度上升损失十分缓慢。温度到达153.08 ℃，M-MCC开始快速分解，产生较大的质量损失，且质量损失速率在320.46 ℃时达到最大值，在356.84 ℃时，M-MCC结束快速分解状态，恢复慢速降解。在温度上升到526.34 ℃时，M-MCC热解基本结束，质量不再有大的损失，此时M-MCC在升温过程中损失的质量达到73.87%。M-MCC在热解刚开始的质量损失都是由于水分的蒸发和小分子化合物的降解而造成。随着温度的进一步升高，M-MCC出现大规模的质量损失现象，而后在较高的温度结束快速热解状态。

2 M-MCC的体外抗氧化活性分析

如图6所示，在M-MCC质量浓度为0.1、0.5、1、5、10、20 mg/mL时，M-MCC对ABTS阳离子自由基的清除率分别为（30.67±3.35）%、（43.51±10.53）%、（52.38±6.99）%、（82.03±6.45）%、（93.55±3.63）%、（97.48±2.30）%。当M-MCC质量浓度较低时（0～1 mg/mL），M-MCC对ABTS阳离子自由基的清除能力较弱，清除率小于52.38%，M-MCC抗氧化能力较差；当M-MCC质量浓度逐渐上升时（1～5 mg/mL），M-MCC对ABTS阳离子自由基的清除能力急剧上升，清除率由52.38%上升到82.03%；当M-MCC质量浓度由5 mg/mL提高到10 mg/mL时，M-MCC对ABTS阳离子自由基的清除率高于90%；当M-MCC的质量浓度提高到20 mg/mL时，M-MCC对ABTS阳离子自由基的清除率达到97.47%，已接近抗坏血酸的抗氧化效果。

3 M-MCC的MIC和MBC

通过不同浓度的M-MCC抗菌实验发现，M-MCC质量浓度在15 mg/mL时，培养液在培养24 h后仍然澄清，所测得的M-MCC的MIC和MBC分别为15 mg/mL和30 mg/mL。从12 h和24 h的平板菌落可以看出，15 mg/mL以上的M-MCC对L. monocytogenes和S. aureus都具有较好的抑制效果（图7）。这可能是由于L. monocytogenes和S. aureus都是革兰氏阳性菌，细胞壁与细胞膜结合不紧密，细胞壁结构较为简单。

4 M-MCC细菌生长曲线测定

在M-MCC存在下的细菌生长曲线即为M-MCC对细菌的抑菌动力学曲线，可以用来表示细菌的生长代谢情况和规律。L. monocytogenes的生长曲线如图8A所示，未做任何处理的对照组呈现为典型的“S”型曲线，从8 h开始上升，到12 h左右到达整个生长曲线的对数期中期，表明L. monocytogenes的生长状态正常。在MIC的处理下，可以看出M-MCC对L. monocytogenes的生长具有一定的抑制作用，培养至16 h后曲线才出现上升趋势。而在2 MIC的作用下，L. monocytogenes几乎没有生长，24 h的OD600 nm仅为0.25左右，M-MCC对L. monocytogenes的抑制作用效果极其显著。这表明M-MCC能够在一定程度上推迟L. monocytogenes的对数生长期，且作用效果与其剂量有关。M-MCC对S. aureus的抑制效果较差，S. aureus对照组在开始培养的4～10 h即进行了快速的繁殖，并于10 h左右达到繁殖的巅峰，而1 MIC条件下的M-MCC将这一过程推迟了近6 h，同时也降低了S. aureus生长到最高处的OD600 nm。此外，2 MIC条件下的M-MCC处理仍然对S. aureus的生长有较好的抑制作用，2 MIC处理的S. aureus生长曲线仅在18 h后有小幅度的上涨。

5 M-MCC对细胞膜通透性的影响

如图9所示，与未处理的L. monocytogenes组相比，在1 MIC处理下，胞外电导率呈现上升的趋势，这种情况在2 MIC处理下表现得更加明显。这是因为活的细菌细胞拥有完整的细胞膜，能够选择性的控制膜内外的物质跨膜运输，所以胞外电导率较为稳定。而M-MCC处理过的L. monocytogenes、S. aureus胞外电导率上升，这说明M-MCC可能改变了细胞膜的通透性，或是破坏了细菌细胞膜，从而导致细菌胞内离子和聚合物转移到悬液中，造成电导率的变化。

6 M-MCC对细胞内容物的影响

核酸和蛋白质是生物细胞的重要组成部分，一般情况下，核酸和蛋白质等大分子不会跨过活细胞的细胞膜运输，因此，核酸和蛋白的泄漏情况可以一定程度上反映出细菌细胞膜的完整性。如图10所示，经过1 MIC和2 MIC处理后L. monocytogenes和S. aureus的OD260 nm和OD280 nm均有一定程度的上升，这说明部分L. monocytogenes和S. aureus细胞的核酸和蛋白质泄漏到上清液中，即M-MCC对细菌细胞膜的完整性产生了影响，使菌体细胞死亡，导致核酸和蛋白质泄漏。各处理组均在反应3 h左右核酸和蛋白的吸光度达到峰值，之后核酸和蛋白吸光度无明显变化，即细菌的胞内核酸和蛋白不再泄漏。所用M-MCC的浓度越高，上清液中核酸和蛋白质检出量越多，即对细菌细胞的破坏越严重。

7 M-MCC对细胞DNA含量的影响

DAPI是一种能够和DNA具有极强结合能力的荧光染料，能够透过完整的细胞膜，因此一般用于活细胞的染色。利用DAPI的过膜能力，使之与L. monocytogenes活细胞的DNA相结合，观察M-MCC对L. monocytogenes细胞DNA的影响。如图11所示，对照组无处理的L. monocytogenes细胞荧光强度较强，而经过1 MIC和2 MIC处理的细胞荧光强度明显降低。这说明经过M-MCC处理的细胞DNA发生了泄漏，细胞内DNA含量降低，这也与核酸泄漏情况相符合。

结论

本研究成功制备了具有抑菌效果的M-MCC抑菌剂，用以应对食品中

L
. mon
ocytogenes 和 S. aureus 的污染。通过SEM、EDS、FTIR、XPS、XRD和TGA表征改性后M-MCC的形貌变化、元素变化以及稳定性，结果表明 L -Met成功接枝。对M-MCC的体外抗氧化能力进行研究，发现其对ABTS阳离子自由基有着良好的去除效果。而后通过MIC以及细菌生长曲线进行了M-MCC对 L. monocytogenes 和 S. aureus 抑菌效果的研究。确定了M-MCC对 L. monocytogenes 和 S. aureus 的MIC为15 mg/mL。细菌生长曲线表明M-MCC能推迟指示菌的对数生长期。这可能与革兰氏阳性菌独特的细胞壁结构有关。通过研究细胞膜通透性、细胞膜完整性、细胞内容物以及DNA含量等多个方面，分析了M-MCC对 L. monocytogenes 和 S. aureus 细胞膜的作用。相关结果表明，M-MCC处理对 L. monocytogenes 的生长有显著的抑制效果，相应的胞外电导率、核酸和蛋白质的含量都发生明显的变化，且与处理时间的长短密切相关。综上，M-MCC可能是直接作用于 L. monocytogenes 的细胞膜表面，较低浓度的M-MCC可增加细菌细胞膜的通透性，破坏细菌胞内外电解质平衡，从而抑制细菌的生长；较高浓度的M-MCC则剧烈作用于细菌细胞膜表面，破坏细菌的细胞膜结构，使细胞死亡并释放出原本胞内的核酸和蛋白质等大分子，从而起到抑菌的作用。表明M-MCC抗菌剂在抗菌应用方面潜力巨大。

本文《

L
-甲硫氨酸改性微晶纤维素对革兰氏阳性菌的抑制作用》来源于《食品科学》2025年46卷第3期74-82页，作者：吴思邈，杨海凡，梁冠男，孙昕炀。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240625-177。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑：安宏琳；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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