《Food Hydrocolloids》：Phosphorylation-modified
fava bean 11S protein fibril-based oleogels: A novel strategy to enhance network flexibility and alter rheological and textural properties
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双改性策略制备的GSC/Ag-2MI/CUR@CD多糖薄膜显著提升水蒸气阻隔性（降低22.98%）、光阻隔性（600nm透光率降30.24%），兼具高效抗氧化（清除率超50%）和抗菌性能，有效维持草莓储存品质。
Zitian Liu|Ligang Lin|Jiaxin Zhang|Kui Niu|Minglun Cheng|Yuxuan Zhu|Bin Du|Wenlong Hou|Huiyang Shang
中国河北省邢台市河北师范大学科学技术学院天然产物活性成分与功能重点实验室，066004
摘要
天然生物聚合物食品包装材料在实际应用中存在包装性能和功能性不足的局限性。为了解决这些问题，本研究采用了一种策略，结合薄膜基材改性与活性成分的协同引入，有效提升了基于多糖的薄膜的物理化学性质和功能性。具体来说，在海藻酸钠中合成了基于银的金属有机框架（SA/Ag-2MI），使其既可作为成膜基材，也可作为功能性成分。随后，将姜黄素-环糊精包合物（CUR@CD）作为活性添加剂加入由SA/Ag-2MI、瓜尔胶和羧基化纤维素纳米纤维组成的成膜基材中，进一步增强了薄膜的物理化学性质和功能性。与原始薄膜相比，GSC/Ag-2MI/CUR@CD薄膜表现出更优异的水蒸气阻隔性能（水蒸气透过率降低了22.98%）、光阻隔性能（600纳米处的透射率降低了30.24%）、抗氧化活性（对两种自由基的清除率超过了50%）以及抗菌活性（三种细菌的抑制圈出现）。此外，GSC/Ag-2MI/CUR@CD薄膜通过显著抑制草莓的外观变化、重量损失、硬度下降和腐烂发生，有效保持了草莓的储存质量。总之，这项工作为提升天然生物聚合物包装的性能提供了有前景且可行的途径，在活性包装和水果保鲜领域具有巨大潜力。
引言
食品包装可以有效抑制由不良因素（如潮湿环境、细菌污染和氧气氧化）引起的食品变质，在保持食品质量方面起着关键作用（Khan等人，2023年）。传统的食品包装主要使用基于石油的塑料作为原料，这些材料具有低成本、耐用性、柔韧性、透明度和高机械强度等优点（Khan等人，2023年）。然而，基于石油的包装材料存在严重的缺点，包括对化石燃料的依赖（Zhou等人，2023年；Zhou等人，2023年）、不可回收性、生物降解性差以及有害物质的迁移（Dehankar等人，2023年；Yang等人，2024年），对环境和人类健康构成重大危害。据报道，1950年至2015年间产生了约65亿吨塑料垃圾，其中包装垃圾占很大比例（Choi等人，2022年）。近年来，基于生物的包装材料（如多糖、蛋白质和脂质（H. Huang等人，2022年；Li等人，2025年；Zhao等人，2025年）展现了出色的性能，包括可再生性、生物降解性、无毒或低毒性以及环境友好性（Ma等人，2020年；Mari等人，2022年）。这些特性使它们成为传统基于石油的包装材料的有希望的替代品，因为它可以延长食品的保质期并减缓全球塑料污染的速度（Dehankar等人，2023年；Zhou, Mao等人，2023年）。在众多基于生物的聚合物中，由于来源丰富（Cazón等人，2017年；Kong等人，2025年），多糖近年来被广泛用作开发各种食品包装材料的原料。然而，基于多糖的包装材料在实际应用中仍面临一些限制。具体而言，单基质多糖基包装材料具有不足的机械性能，在处理和使用过程中容易撕裂和结构失效（Zhao等人，2023年）。同时，不足的气体阻隔性能限制了它们在保持食品质量方面的有效性（Liu, Chang等人，2020年；Zhou等人，2021年；Zhou等人，2021年）。此外，单基质多糖基包装缺乏维持食品储存质量所需的某些特性（如抗菌和抗氧化活性）（Zhang, Jiang等人，2022年）。为了克服这些限制，迫切需要开发具有改进包装性能和功能性的基于多糖的包装材料。
已经开发了几种改性方法来提升基于多糖的薄膜的性能。在众多用于改性的化合物中，金属有机框架（MOFs）作为一种新型的无机-有机杂化抗菌聚合物脱颖而出。它们具有广谱抗菌性、显著的效力、延长的作用时间、可调的结构和强的热稳定性等优点（Zhang, Zheng等人，2022年）。此外，MOFs的多孔结构具有均匀的空腔，其固有的带隙特性能够有效吸收或散射紫外线和可见光（Cai等人，2025年），这表明它们具有出色的光阻隔能力，这也是包装材料所需的另一个关键特性。将MOFs与天然多糖结合可以制备基于多糖的金属有机框架（多糖-MOF）材料。它们自组装的高度有序的功能结构赋予了这些混合材料生物相容性、柔韧性、生物安全性、生物可利用性和抗菌性（Nadar等人，2019年）。一些研究人员开发了高性能的基于多糖-MOF的活性包装。例如，Zhang等人制备了基于银的MOF改性的羧甲基纤维素薄膜，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出广谱抗菌活性，同时比直接加载银离子的羧甲基纤维素薄膜具有更低的细胞毒性（Zhang, Jiang等人，2022年）。此外，除了抗菌性能外，抗氧化能力也是基于多糖的薄膜需要提升的另一个关键特性，因为营养物质的氧化也会导致食品变质（L. Lei等人，2022年）。姜黄素（CUR）是一种从姜黄根茎中提取的亲脂性多酚化合物，具有天然抗氧化性能（Khan等人，2023年）。研究表明，含有CUR的生物基薄膜可以有效防止水果和食用油的氧化变质（Dong等人，2023年；Ren, Cai等人，2022年）。我们设想，同时将MOFs和CUR引入基于多糖的成膜基材中，是否可以结合它们的优异性能，构建出既具有增强包装性能又具有功能性的先进活性包装材料。然而，由于大多数多糖材料是水溶性的，直接将不溶于水的MOFs和CUR加入基于多糖的成膜基材中可能会破坏包装薄膜的结构，严重影响包装性能（Cao等人，2024年；Zhang, Jiang等人，2022年）。因此，设计适当的活性成分添加策略对于构建高性能的基于多糖的活性包装薄膜至关重要。
本研究创新性地提出了一种策略，结合薄膜基材改性与活性成分的添加，有效提升了基于多糖的薄膜的物理化学性质和功能性。图1A和B展示了为满足易腐食品当前包装需求而开发的复合基于多糖的活性包装薄膜的构建示意图。图1C进一步展示了所开发活性包装薄膜的性能优势和应用场景。具体来说，通过在海藻酸钠（SA；薄膜基材成分之一）中生长Ag-2MI颗粒，构建了抗菌多糖薄膜基材（SA/Ag-2MI）。随后，通过共同添加SA/Ag-2MI、瓜尔胶和羧基化纤维素纳米纤维，开发了复合多糖基材薄膜。最后，通过加入姜黄素-环糊精包合物（活性成分；CUR@CD），进一步提升了薄膜的物理化学性质和功能性。这种包合物添加过程能够在几乎不破坏薄膜结构的情况下引入不溶于水的活性成分（Cao等人，2024年；Lai等人，2022年）。结合SEM-EDS、FT-IR、XRD和XPS技术，确认了基于多糖的活性包装薄膜（GSC/Ag-2MI/CUR@CD薄膜）的成功制备。此外，系统评估了这些薄膜的关键性能，包括阻隔和机械性能、热稳定性、抗菌和抗氧化活性以及安全性。详细来说，GSC/Ag-2MI/CUR@CD薄膜表现出良好的气体和光阻隔性能。此外，GSC/Ag-2MI/CUR@CD薄膜表现出增强的抗氧化能力，能够有效清除DPPH和ABTS+自由基，并对三种常见细菌表现出改进的抗菌性能。细胞毒性测试表明其具有低细胞毒性，表明其在实际应用中的潜力。值得注意的是，选择草莓作为代表易腐水果，评估GSC/Ag-2MI/CUR@CD薄膜对水果储存质量的影响。GSC/Ag-2MI/CUR@CD薄膜有效保持了草莓的外观和硬度，同时显著降低了重量损失和腐烂率，显示出比商用聚乙烯保鲜膜更优异的保鲜性能。简而言之，本研究通过双重改性策略开发了一种可持续的活性包装材料，强调了其在创新食品包装和水果保鲜系统中的巨大潜力。
材料
海藻酸钠（SA；分子量=86,537 g/mol（该产品的这一参数已在多项研究中得到验证（Huang等人，2023年；Ming等人，2025年；Wang等人，2024年；Yan等人，2025年）；粘度（1% H2O，20°C）= 200 ± 20 mpa·s，干燥损失≤15%）由Aladdin Biochemical Co. Ltd.提供。本工作中对SA粉末样品的FT-IR光谱、XRD图谱和SEM图像进行了表征和展示。还测定了其流变性能（稳态粘度、储能模量和损耗模量）
SA/Ag-2MI的合成与表征
通过SEM、FT-IR和XRD图谱研究了SA/Ag-2MI的微观结构和化学结构。如图3A所示，SA的微观结构呈现大尺寸（>20 μm）的块状结构，形状不规则，表面粗糙，有凹陷和凸起。这与Lei等人的研究结果一致（Lei等人，2025年）。如图3B所示，改性后，SA呈现出长棒状微观结构，其表面覆盖了大量小颗粒。
化学
结论
总之，本研究开发了一种结合基材改性与活性成分协同引入的策略，制备了性能显著提升的基于多糖的活性包装薄膜。与原始薄膜相比，GSC/Ag-2MI/CUR@CD薄膜表现出显著增强的气体阻隔性能、光阻隔性能、抗氧化活性和抗菌性能，这表明所提出的改性策略是有效的
CRediT作者贡献声明
Zitian Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，调查，形式分析，概念化。Ligang Lin：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源获取，项目管理，资金筹集，概念化。Jiaxin Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，数据管理。Kui Niu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件。Minglun Cheng：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（编号：22078244）、中国石油化工 Corporation的科学研究与开发项目（编号：222443）以及国家大学生创新创业培训计划（编号：202310058013）。同时感谢天工大学的分析测试中心在结构表征方面的支持。
