《Food Hydrocolloids》：Film matrix modification synergize with active ingredient introduction strategy to synthesize polysaccharide-based active packaging with enhanced barrier performance and functional activity for efficient perishable fruit preservation
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本研究通过结合薄膜基体改性与小分子活性成分协同引入策略，成功开发了具有优异水蒸气阻隔性（降低22.98%）、光阻隔性（透光率下降30.24%）、高抗氧化活性（清除自由基效率超50%）及广谱抗菌性能的多糖基活性包装膜，并证实其在草莓保鲜中的高效性（显著抑制腐烂和重量损失）。该策略有效解决了多糖基膜机械性能差、气体阻隔性不足及功能活性单一等问题，为生物可降解包装材料的开发提供了新途径。
Zitian Liu|Ligang Lin|Jiaxin Zhang|Kui Niu|Minglun Cheng|Yuxuan Zhu|Bin Du|Wenlong Hou|Huiyang Shang
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，秦皇岛，066004，中国
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活性不足的局限性。为了解决这些问题，本研究采用了一种策略，结合薄膜基质的改性和活性成分的引入，有效提升了基于多糖的薄膜的物理化学性质和功能活性。具体来说，将基于银的有机框架（SA/Ag-2MI）合成到海藻酸钠中，使其同时作为成膜基质和功能性成分。随后，将姜黄素-环糊精包合物（CUR@CD）作为活性添加剂加入到由SA/Ag-2MI、瓜尔胶和羧基化纤维素纳米纤维组成的成膜基质中，进一步增强了薄膜的物理化学性质和功能活性。与原始薄膜相比，GSC/Ag-2MI/CUR@CD薄膜表现出更优异的阻气性能（水蒸气透过率降低了22.98%）、遮光性能（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一条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利因素（如潮湿环境、细菌污染和氧化）引起的食品变质，在保持食品质量方面发挥着关键作用（Khan等人，2023年）。传统的食品包装主要使用石油基塑料作为原材料，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，石油基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65亿吨塑料废物，其中包装废物占很大比例（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）表现出优异的性能，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石油基包装材料的有希望的替代品，因为它们可以延长食品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，近年来多糖被广泛用作开发各种食品包装材料的原料（Cazón等人，2017年；Kong等人，2025年）。然而，基于多糖的包装材料在实际应用中仍面临某些限制。具体来说，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，显然需要开发具有改进的包装性能和功能活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而脱颖而出。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的多孔框架具有均匀的孔隙，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），这展示了它们出色的遮光能力，这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产生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，表现出对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的广谱抗菌活性，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，具有天然的抗氧化性能（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引入到基于多糖的成膜基质中，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活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引入基于多糖的成膜基质中可能会破坏包装膜的结构，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膜至关重要。
本文创新性地提出了一种策略，结合薄膜基质的改性和活性成分的添加，有效提升了基于多糖的薄膜的物理化学性质和功能活性。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膜的示意图构建过程。图1C进一步展示了所开发活性包装膜的性能优势和应用场景。具体来说，通过在海藻酸钠（SA；薄膜基质成分之一）中生长Ag-2MI颗粒，构建了抗菌多糖薄膜基质（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，开发了复合多糖基质薄膜。最后，通过加入姜黄素-环糊精包合物（活性成分；CUR@CD），进一步增强了薄膜的物理化学性质和功能活性。这一包含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更好的抗菌性能。细胞毒性测试证实其具有低细胞毒性，表明其具有实际应用的潜力。值得注意的是，选择草莓作为代表性易腐水果，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，同时显著减少了重量损失和腐烂率，显示出比商业聚乙烯保鲜膜更优越的保鲜性能。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，突显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篇研究报告中被证实（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质改性和活性成分引入的策略，制备出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阻气性能、遮光性能、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，正式分析，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可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（编号22078244）、中国石油化工公司的科学研究与开发项目（编号222443）以及国家大学生创新与创业培训计划（编号202310058013）。同时感谢天工大学的分析与测试中心在结构表征方面提供的帮助。
