《Food Chemistry》：Contact-killing antimicrobial cationic starch/PBAT blown films: Physicochemical properties, antimicrobial mechanism, and preservation capacity on beef
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本研究通过阳离子淀粉（CS）与聚丁二酸-对苯二甲酸丁二酯（PBAT）共混挤出吹塑制备复合薄膜，系统研究淀粉比例对薄膜机械性能、阻隔性及抗菌效果的影响。结果表明，随着CS含量增加，薄膜的变形抗力提升69.42%，表面亲水性增加32.65%，氧气和二氧化碳阻隔性分别降低91.99%和98.48%；对金黄色葡萄球菌和肠大肠杆菌的接触杀菌效率达98.04%和89.65%，且12小时内持续抑菌；薄膜在21天内保持溶剂耐受性，未观察到CS迁移。机制研究表明静电相互作用导致细菌膜破裂，生物相容性评估证实安全。应用测试显示CS/PBAT薄膜将冷藏牛肉保质期延长至14天，有效抑制微生物生长及食品成分降解。该研究提出新型接触杀菌包装策略，兼具环保与高效抗菌特性。
吴云通|高珊|耿晓璐|王冰|杨书倩|王文涛|阿里夫·拉希德|孙胜林|侯汉雪
山东农业大学食品科学与工程学院，山东省粮食加工工程技术中心，中国山东省泰安市，271018
摘要
具有内在抗菌活性的包装材料可以提升食品安全并减少对防腐剂的依赖。本研究通过挤出吹塑工艺将阳离子淀粉（CS）与聚（丁酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯）（PBAT）混合，制备出复合薄膜。增加CS的比例提高了薄膜的抗变形性（69.42%）、表面亲水性（32.65%）和透气性（透氧率降低91.99%，二氧化碳透率降低98.48%）。CS/PBAT薄膜对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的接触杀菌效率分别为98.04%和89.65%，并在12小时测试时间内持续抑制其生长。此外，CS/PBAT薄膜在21天内表现出良好的耐溶剂性，在与培养基接触24小时后未观察到CS迁移现象。机制研究表明，这种效果源于季铵基团与细菌膜之间的静电相互作用，导致膜结构破坏和细胞质泄漏。全面的生物相容性和安全性评估证实了这些薄膜的生物安全性。CS/PBAT薄膜将冷藏牛肉的保质期延长至14天，有效抑制了微生物生长、蛋白质降解和脂质氧化。本研究为设计用于食品保鲜的接触杀菌包装提供了一种新策略。
引言
微生物污染是食品变质和食源性疾病的主要原因，对全球食品安全、公共卫生和经济稳定构成重大挑战。全球食品供应链越来越需要既能抑制微生物生长又能符合可持续发展目标的有效保鲜技术（Liao等人，2024年）。抗菌包装作为一种有前景的策略，能够在储存、运输和零售过程中主动控制微生物繁殖，从而延长食品保质期并减少浪费（Gao等人，2024年；Li等人，2023年）。
在各种抗菌包装方式中，基于生物聚合物的薄膜因其可生物降解性、生物相容性和功能化潜力而受到广泛关注。淀粉作为一种丰富且可再生的多糖，是可生物降解食品包装的理想原料。其成膜能力、可用性和成本效益是开发环保包装材料的关键因素（Kanth等人，2023年；Liu等人，2024年）。然而，天然淀粉薄膜存在固有缺陷，如易碎性、高水分敏感性和机械强度低，限制了其在食品包装中的直接应用（Li等人，2023年）。为了解决这些问题，通常将淀粉与合成可生物降解的聚酯（如聚（丁酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯）（PBAT）混合使用，后者具有优异的柔韧性、热加工性和机械性能（Gao等人，2025年；Wang, Flury等人，2025年）。这类淀粉/PBAT复合材料表现出更适合包装应用的物理化学性质（Som & Harnkarnsujarit，2024年；Wadaugsorn等人，2022年）。然而，淀粉/PBAT薄膜本身缺乏内在的抗菌性能，因此需要加入抗菌剂以满足食品安全要求。传统方法包括将天然抗菌剂（如精油、ε-聚赖氨酸）掺入聚合物基质中或将其涂覆在表面（Gao等人，2022年；Shen等人，2024年）。尽管这些方法具有显著的抗菌效果，但基于释放的抗菌系统的作用机制依赖于抗菌剂向食品表面的迁移，仍面临长期效果有限、残留物积累以及促进抗菌剂耐药性的风险（Bahmid & Siddiqui，2024年；Westlake等人，2022年）。
另一种极具吸引力的方法是设计接触杀菌抗菌包装，该方法利用共价或离子键将抗菌功能基团（如季铵基团和胍基团）固定在聚合物主链上（Liu等人，2024年；Zhang, Ju等人，2024年）。这种机制通过与微生物细胞的直接接触发挥杀菌作用（Dang等人，2025年；Yao等人，2023年）。这种接触杀菌系统的优势在于持久活性、较低的环境影响和较低的诱导抗菌剂耐药性的风险，这些都是抗菌食品包装的关键因素（Hao等人，2022年）。然而，接触杀菌系统的抗菌效果依赖于微生物与功能表面的直接接触，这限制了其有效范围和应用场景（Wu等人，2023年）。此外，许多用于此类系统的抗菌聚合物需要复杂的合成工艺（Yu等人，2025年）。幸运的是，阳离子淀粉（CS）因其独特的结构和功能而成为一种特别有前景的候选材料。CS是通过将季铵基团接枝到淀粉分子上制备得到的，从而带有正电荷（Cao, Song等人，2025年）。Rodrigues等人（2020年）指出，CS的抗菌潜力主要归因于其正电荷。我们之前的研究表明，将季铵盐掺入CS/PBAT吹塑薄膜中可赋予其抗菌活性和理想的物理化学性质（Gao等人，2024年）。因此，我们假设直接使用CS作为与PBAT混合的成膜聚合物，可以制备出具有接触杀菌效果的抗菌包装，同时保持薄膜的理想物理化学性质和抗菌性能。尽管这些特性很有前景，但CS在PBAT吹塑薄膜中的应用以及淀粉含量、薄膜性质和抗菌机制之间的关系仍需进一步研究。理解这些关系对于优化薄膜配方至关重要，以实现抗菌功能与实际包装所需的机械性能和阻隔性能之间的平衡。此外，这些薄膜的安全性问题尚未得到充分研究。
因此，本研究旨在开发一系列不同淀粉含量（0–50 wt%）的CS/PBAT吹塑薄膜，探讨CS的添加如何影响薄膜的物理化学性质和抗菌活性。具体而言，系统地表征了薄膜的结构和物理化学特性，包括形态、机械性能和阻隔性能，以了解薄膜的完整性和稳定性。同时评估了其对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的抗菌活性，并利用荧光染色和扫描电子显微镜（SEM）探讨了表面电荷与细菌失活之间的关系。此外，还评估了CS和薄膜的细胞毒性，以确保其适合食品接触应用。最后，通过监测用CS/PBAT薄膜包装的新鲜牛肉的保质期，验证了这些可生物降解抗菌材料的实际应用潜力。
材料
CS是一种经过改性的木薯淀粉，含有3-氯-2-羟基丙基三甲基氯化铵，购自中国湖北的Langbowan Biotechnology and Pharmaceutical Co., Ltd.。PBAT树脂（产品代码：BT1218）由中国山东济宁的Ruian Applied Bio-tech Co., Ltd.提供，其密度为1.21–1.24 g/cm3，熔点为110–130 °C，熔融流动指数（190 °C，2.16 kg）为3–5 g/10 min。荧光染色试剂为碘化丙啶（PI）和磷酸盐缓冲液（PBS）。
CS的表征
用于抗菌包装的常见抗菌剂，如精油成分（如肉桂醛、丁香酚、百里酚）和抗菌肽（如ε-聚赖氨酸、尼辛），其分子量通常在150至3500 g/mol之间（Burt，2004年；de Arauz等人，2009年）。相比之下，本研究中使用的CS具有显著更大的分子尺寸（重量平均分子量为2.05 × 10? g/mol，见图1a）。
结论
本研究成功开发了通过挤出吹塑工艺制备的接触杀菌抗菌CS/PBAT薄膜。CS的引入赋予薄膜内在的抗菌特性，同时改善了其物理化学性质。结构分析表明，随着CS含量的增加，氢键相互作用和形态变化增强，进而影响了机械强度、表面亲水性和阻隔性能。
CRediT作者贡献声明
吴云通：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，数据分析，数据整理。
高珊：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，结果验证，方法学研究，数据分析。
耿晓璐：结果验证，数据分析。
王冰：软件应用，实验研究。
杨书倩：数据可视化，数据整理。
王文涛：结果验证，资源协调。
阿里夫·拉希德：撰写 – 审稿与编辑。
孙胜林：数据可视化，结果验证，数据分析，概念构思。
未引用参考文献
Cao等人，2025年
Zhang等人，2025年
Zhang等人，2025年
Zhang等人，2024年
Zhang等人，2024年
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了泰山产业专家计划、国家自然科学基金（32102015）、山东省重点研发计划（2023CXGC010710、2021TZXD010）、中国博士后科学基金（2022M711965）以及山东省青年创新人才引进与培养计划的支持。高珊还得到了中国科学技术协会青年人才支持计划——博士奖学金计划的支持。
