《Food Control》：Linking carvacrol antimicrobial efficacy in controlled-release packaging to surface adsorption: A regression study by mechanistic model prediction
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表面吸附主導非接觸可控釋放包裝中揮發抗菌劑效能，通過重構粘附系數模型揭示吸附量與抗菌活性強相關，而頭space濃度及吸附速率影響有限，為優化包裝設計提供理論依據。
作者：袁碩（Shuo Yuan）| 山吉健（Kit Yam）
新澤西州立大學羅格斯分校食品科學系，地址：65 Dudley Rd, New Brunswick, NJ, 08901, 美國
摘要
對于使用揮發性抗菌劑的控釋包裝（CRP）系統而言，將實驗室開發的概念轉化為實際應用受到了商業試驗中性能不一致的阻礙，這主要是由于人們對CRP效果的機制理解還不夠充分。特別是，抗菌劑從頂部空間吸附到食品表面的相對貢獻尚未明確。本研究旨在定量評估吸附在CRP效果中的作用，并將其與傳統的利用頂部空間濃度作為效果指標的方法進行比較。基于粘附系數的機制模型被重新設計，用于預測香芹酚在胰蛋白酶大豆瓊脂上的吸附動態，同時考慮了吸附速率和表面積累量。模型顯示粘附系數與吸附量之間存在S形關系，表明吸附過程中存在飽和現象。通過氣相色譜法驗證了模型預測結果，并將所得參數與對大腸桿菌O157:H7 Sakai的抗菌活性進行了關聯分析。回歸分析表明，抗菌效果與吸附在表面的香芹酚量密切相關，而頂部空間濃度和吸附速率與效果幾乎沒有相關性。這些結果強調了表面吸附在非接觸式CRP系統中抗菌效果的主導作用。因此，理解和量化表面吸附動態對于優化揮發性抗菌劑的釋放以及確保非接觸式CRP應用中的有效微生物控制至關重要。
引言
隨著消費者對清潔標簽產品的需求增加，控釋包裝（CRP）近年來作為一種將抗菌劑輸送到食品中的創新方法而受到了廣泛關注。CRP的效果取決于食品類型及其包裝方式。對于肉類、魚類和飲料等直接與包裝接觸的產品，抗菌劑通常從包裝材料擴散到食品中（Cerisuelo等人，2013年；Wu等人，2018年；Zhang等人，2023年）。相比之下，對于新鮮農產品、香料和堅果等不與包裝直接接觸的產品，抗菌劑首先蒸發到頂部空間中，然后再吸附到食品表面（Kwon等人，2017年；Suppakul等人，2016年）。在這些非接觸系統中，頂部空間濃度通常被認為是決定抗菌效果的關鍵因素（Chen等人，2019年）。
然而，研究表明，僅靠頂部空間濃度并不能完全解釋抗菌效果。例如，Emiro?lu等人（2010年）發現，相同頂部空間濃度的百里香精油在不同表面上表現出不同的抗菌效果。這些發現以及類似的研究（Mejlholm & Dalgaard，2002年；Min等人，2024年；Olmedo等人，2025年；Shemesh等人，2016年）表明，抗菌效果不僅取決于頂部空間濃度，還取決于與食品表面的相互作用。某些表面可能會排斥抗菌劑，限制其效果，而其他表面則由于更強的親和力而促進吸附（Singh等人，2003年；Smith-Palmer等人，2001年）。然而，吸附與頂部空間濃度對抗菌效果的具體影響仍不清楚。
理解吸附的相對影響對于將實驗室開發的CRP概念轉化為實際應用至關重要，因為這種轉化受到了商業試驗中性能不一致的阻礙。傳統的CRP設計僅依賴于目標抗菌劑的裝載量、釋放速率或頂部空間濃度，無法在不同食品基質中提供一致且可預測的結果。將吸附因素納入考慮為解釋CRP效果提供了新的機制視角。吸附是揮發性抗菌劑在包裝頂部空間中傳輸的關鍵步驟，直接反映了食品表面可用的活性化合物量，而微生物附著和失活也發生在這一階段。通過量化和整合吸附到CRP設計中，開發者可以改進不同應用中的效果，并更精確地優化裝載量和釋放曲線，從而減少化學物質的使用。
因此，本研究的目的是量化吸附在揮發性抗菌劑效果中的作用，并確定其是否與頂部空間濃度同樣重要。選擇香芹酚作為模型揮發性抗菌劑。我們重點關注兩個關鍵參數：吸附速率（W）和吸附在表面的累積量（Γ）。這一分析的核心是粘附系數（εs）（Armand & Manson，1991年），它將頂部空間濃度與吸附在表面的揮發性抗菌劑的量和速率聯系起來。為了研究這些參數，我們重新設計了一個先前開發的機制模型——該模型最初用于預測頂部空間濃度及其與表面吸附的相互作用（Yuan & Yam，2024年），以便能夠估算W、Γ和εs。
研究采用了四步方法：（1）擴展模型以預測香芹酚在胰蛋白酶大豆瓊脂上的吸附動態和εs；（2）通過實驗數據驗證模型；（3）在不同頂部空間濃度下生成模型預測；（4）分析吸附量與抗菌效果之間的關系。這些步驟共同構成了一個結構化的框架，用于確定吸附與頂部空間濃度相比對CRP系統中揮發性化合物抗菌效果的相對貢獻。
部分摘錄
CRP中頂部空間和吸附動態的擴展機制模型
控釋包裝（CRP）系統涉及抗菌劑從包裝中的釋放、頂部空間的積累以及揮發性化合物在表面的吸附之間的動態相互作用。早先，Yuan和Yam（2024年）基于圖1所示的過程開發并驗證了一個機制模型，用于預測香芹酚的頂部空間濃度隨時間的變化情況。為了簡化建模和實驗目的，他們模擬了香芹酚的釋放過程
粘附系數的估算與分析
圖2顯示了6°C下香芹酚在1.5%瓊脂凝膠上的粘附系數（εs）。εs與吸附量Γ之間存在S形關系，在約100 mg/m2處有一個明顯的飽和點（Rose & Bartha，2009年）。在此閾值以下（Γ < 100 mg/m2），εs基本保持恒定，約為5.5 × 10?6。然而，超過飽和點（Γ > 100 mg/m2）后，εs急劇下降到5.5 × 10?8以下。這種轉變與Smith（1964年）描述的S形行為一致
結論
本研究揭示，在非接觸式控釋包裝（CRP）中，表面吸附是抗菌效果的主要驅動因素。在不同頂部空間濃度和吸附動態下評估了香芹酚在胰蛋白酶大豆瓊脂上的抗菌活性，并將其與重新設計的用于描述香芹酚吸附行為的機制模型預測的參數進行了關聯分析。在這些參數中，只有香芹酚的吸附量顯示出強相關性
CRediT作者貢獻聲明
袁碩（Shuo Yuan）： 起草初稿、方法論設計、實驗研究、概念構思。山吉健（Kit Yam）： 文章審閱與編輯、監督工作、資金申請、概念構思。
資金來源
本工作得到了USDA-NIFA Hatch項目 #NJ10185的支持。
