《International Journal of Biological Macromolecules》：In situ multi-crosslinked bacterial cellulose with enhanced mechanical and barrier properties for antimicrobial food contact packaging
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细菌纤维素/乳铁蛋白/苯硼酸改性海藻酸钠复合膜通过多交联策略提升机械性能、阻隔性和抗菌活性，有效延长冷藏猪肉保质期至10天。
Weimin Xing|Wenyan Liu|Bei Yang|Linwang Fan|Yan Zhou|Zhuoyue Wang|Cheng Niu|Jiacheng Li|Yuhong Feng
海南大学材料科学与工程学院，中国海南省海口市人民路58号，570228
摘要
为了减轻传统不可生物降解塑料包装对环境造成的污染以及食品接触安全问题，基于可生物降解和可食用多糖的材料（如细菌纤维素（BC）可以作为食品包装的理想替代品。本文采用原位多重交联策略制备了BC/Nisin/SA-PBA复合薄膜，以提高BC薄膜的机械强度、阻隔性能和抗菌活性。研究目标是开发基于BC复合材料的可生物降解且安全的食品包装薄膜。具体而言，合成了两亲性海藻酸盐衍生物（SA-PBA），并在细菌纤维素生物合成过程中将其与Nisin结合；收获后通过Ca2+进行交联。与纯BC薄膜相比，含有0.2 wt% SA-PBA的BC/Nisin/SA-PBA复合薄膜的机械性能显著提高，拉伸强度（TS）提高了3.08倍（24.77 MPa），断裂伸长率（EAB）提高了37.51倍（16.13%）。氧气透过率（OTR）和水蒸气透过率（WVP）分别降低了98.11%和80.93%。此外，该复合薄膜表现出优异的抗菌活性，尤其是对金黄色葡萄球菌的抑制效果，并将猪肉的保质期延长至4°C下的10天。该薄膜还显著降低了总挥发性碱性氮（TVB-N）和总活菌数（TVC），表明其具有保持食品质量的潜力。本研究提出了一种新的原位多重交联策略，用于开发可生物降解、食品安全且高性能的食品包装材料。
引言
超过20%的石油基塑料用于食品包装，而大约95%的塑料包装仅使用一次就被丢弃[1]。主要由石油制成的传统不可生物降解材料被广泛使用，是塑料垃圾污染的主要来源[2]、[3]。此外，生物监测研究表明，塑料包装中的增塑剂可能会迁移到食品中，其在人体和牲畜体内的存在会带来毒理学风险[4]。来自可再生资源的生物质材料，特别是多糖和蛋白质，激发了人们对具有增强功能的先进食品包装薄膜的广泛研究[5]、[6]。基于天然多糖的薄膜因其固有的生物降解性和可食用性而成为相对理想的选择，这有助于减轻生态污染并提高食品接触安全性[7]。由于肉类具有较高的水分活度以及丰富的脂质和蛋白质，基于多糖和蛋白质的先进可生物降解薄膜为防止肉类变质提供了有效的屏障和抗菌性能[8]。在冷藏储存过程中，变质主要源于脂质氧化、蛋白质降解和微生物腐败。脂质氧化会导致异味、变色和营养损失，而蛋白质降解会导致质地变软和总挥发性碱性氮（TVB-N）升高。研究表明，超过40种细菌与生肉变质有关，其中主要的特定腐败菌包括假单胞菌属（Pseudomonas）、热解肉杆菌（Brochothrix thermosphacta）、单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）[8]、[9]。为了延长肉类的保质期，开发具有有效屏障和抗菌性能的可生物降解包装薄膜至关重要。
作为天然多糖之一，纤维素由d-葡萄糖单体通过β-1,4-糖苷键聚合而成[10]。纤维素主要来源于植物细胞壁和微生物生物合成[11]。由细菌菌株合成的纤维素称为细菌纤维素（BC），以区别于其他合成途径[12]。使用椰子水作为培养基，由Komagataeibacter xylinus生产的BC通常被称为Nata de coco[13]，在食品加工中作为膳食纤维广泛使用，中国每年的消费量约为12万至13万吨。由于其优异的生物相容性和高保水能力，BC在生物医学和化妆品领域也受到了广泛关注[14]、[15]。然而，由于BC的抗菌性能不足、阻隔性能差和机械韧性低，其作为食品包装材料的潜力有限[16]。为了提高BC食品包装薄膜的抗菌性能，可以在合成过程中原位加入功能性抗菌剂。特别是，可以选择有机大分子抗菌剂（如Nisin）并加入Komagataeibacter xylinus的BC合成系统中，这是一种可行的方法[17]。Nisin对形成孢子的革兰氏阳性微生物表现出显著的抗菌活性，主要是通过结合细胞质膜来发挥作用[18]。如果将这种增强抗菌性的BC复合材料用作包装材料，可以确保食品安全并延长易腐食品的保质期。此外，还需要对BC进行改性以改善其机械性能和阻隔性能。
通过利用超分子相互作用（包括氢键、金属-配体相互作用、动态共价键和静电相互作用）可以改进这种纤维素的性能[19]。海藻酸钠（SA）是一种天然阴离子多糖，具有生物降解性，富含羟基和羧基，具有可食用性、优异的成膜能力和多种可修饰位点以及独特的离子凝胶化特性[20]。然而，SA的强亲水性导致其防水性能较差，从而限制了其在食品包装中的应用。在之前的研究中，我们成功地将海藻酸钠-Ca
2+配位应用于可食用复合薄膜的制备[21]。此外，对SA进行疏水改性可以有效提高其疏水性和降低水蒸气透过率[22]。在分子间相互作用层面，动态共价键的结构稳定性明显优于氢键和静电力等非共价相互作用。具体来说，苯硼酸（PBA）可以与顺式二醇基团特异性结合，从而形成共价
O键[23]。值得注意的是，BC中的葡萄糖吡喃糖单元的C2-C3顺式二醇结构使其能够与PBA形成可逆的硼酸酯键[24]。Lu等人通过将3-丙烯酰胺苯硼酸与羟丙基瓜尔胶和丙烯酰胺通过硼酸酯键和氢键交联，制备了一种具有增强机械强度的复合水凝胶。随着AAPBA含量的增加，能量耗散增加了18倍[25]。这些结果突显了硼酸酯键的作用，它们在外部应力下可逆形成和 dissociation，通过断裂和重新结合来耗散能量，从而增强材料的韧性和能量吸收[26]。聚合物链之间通过离子交联形成强静电相互作用，从而在长距离尺度上提高结构稳定性。材料在应力下的高拉伸强度和尺寸稳定性得益于改进的网络密度和机械完整性。因此，基于这些研究结果，我们计划设计一个整合氢键、动态硼酸酯键和离子交联的超分子网络，期望能够协同增强BC/SA-PBA复合薄膜的机械强度和阻隔性能。
在这里，我们提出了一种原位多重交联策略，涉及硼酸酯键、Ca2+离子键和氢键，用于制备食品包装和冷藏猪肉保存用的BC薄膜。图1展示了合成两亲性海藻酸盐衍生物（SA-PBA）和制备BC/Nisin/SA-PBA复合薄膜的示意图。扫描电子显微镜（SEM）、能量分散光谱（EDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）被用来表征BC薄膜的形态和化学键合相互作用，从而确认了SA-PBA的成功掺入。研究了SA-PBA和Nisin对BC复合薄膜的结构、形态、机械性能、热性能、阻隔性能和抗菌性能的影响，结果表明它们的掺入显著改善了薄膜的多种性能。猪肉保存实验表明，BC/Nisin/SA-PBA复合薄膜可以有效防止储存过程中猪肉质量的下降。这项工作有望为开发具有强机械性能和阻隔性能的抗菌食品包装提供设计灵感。
材料
海藻酸钠（SA，200?±?20?mPa·s）、3-氨基苯硼酸盐酸盐（3-APBA，98%）、甲醛（AR）、Nisin（1000UI/mg）、蔗糖（AR）和无水氯化钙均从Aladdin Chemical Reagent Co. Ltd.（中国上海）购买。实验中使用的SA和两亲性海藻酸盐衍生物（SA-PBA，DS?=?15.16%）与我们之前的研究中的相同[27]。环己基异氰酸酯、磷酸二氢钾（AR）、氢氧化钠（AR）和无水乙醇也用于实验。
SA-PBA的表征
使用1H NMR、FT-IR和UV–Vis光谱分析了SA-PBA的结构，光谱特征确认了SA分子中存在PBA。1H NMR谱图显示了SA和SA-PBA的主链质子峰位于3.5–4.9?ppm区域。与纯SA相比，SA-PBA在7.3–7.9?ppm（3-APBA的苯基质子）和1.3–1.8?ppm（环己基质子）处出现了新的共振峰。
结论
本研究开发了一种创新策略，通过氢键、硼酸酯键和Ca2+离子键在BC/Nisin/SA-PBA复合薄膜中原位构建多重交联网络。与纯BC薄膜相比，复合薄膜的机械性能显著提高，拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EAB）分别从8.08?MPa和0.43%提高到了24.77?MPa和16.13%。此外，未观察到细胞毒性。
CRediT作者贡献声明
Weimin Xing：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，正式分析，数据管理。Wenyan Liu：方法学，研究，正式分析。Bei Yang：可视化，验证，监督。Linwang Fan：方法学，研究，正式分析。Yan Zhou：方法学，研究，正式分析。Zhuoyue Wang：方法学，研究，正式分析。Cheng Niu：软件，资源，研究。Jiacheng Li：监督，软件。
利益冲突声明
作者声明没有竞争性财务利益。
致谢
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