《LWT》：Closed-loop valorization of bamboo agro-waste into multifunctional cellulose–pullulan films for active food packaging
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本研究针对传统食品包装材料功能单一和环境污染问题，通过将竹笋壳废弃物升级转化为纤维素和氮掺杂碳点（NCDs），并与普鲁兰多糖共组装形成多功能PCN薄膜。该薄膜在5 wt% NCDs添加量下实现约42 MPa的拉伸强度，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别超过96%和99%，并能有效延长草莓保鲜期。这项研究为农业废弃物的闭环高值化利用提供了新策略。
随着全球对可持续食品包装需求的日益增长，生物基水胶体材料特别是多糖类材料因其低碳足迹和可生物降解特性受到广泛关注。然而，传统多糖材料如纤维素和普鲁兰多糖各自存在明显缺陷：纤维素在水中溶解性差易发生界面聚集，而普鲁兰多糖在高湿度环境下易发生结构降解。更重要的是，这些天然多糖材料普遍缺乏内在抗菌活性，需要额外添加功能助剂才能满足食品保鲜要求，这在一定程度上限制了其实际应用。
在此背景下，碳点（CDs）作为一种新兴的纳米材料，凭借其超小尺寸（通常<10纳米）、高水分散性以及丰富的表面官能团，在活性食品包装领域展现出巨大潜力。但传统碳点存在活性氧（ROS）产率有限、电荷转移效率不高等问题。为此，研究人员开发了氮掺杂碳点（NCDs），通过引入氮原子作为电子供体来调节能带结构，从而增强抗菌性能。然而，现有NCDs的合成通常涉及多源前体和复杂工艺，且在高负载量下易发生团聚，导致机械强度不足、紫外吸收范围有限等问题。
针对这些挑战，浙江科技大学的研究团队在《LWT》期刊上发表了一项创新性研究，开发了一种闭环增值策略，将竹笋壳农业废弃物同步转化为纤维素和氮掺杂碳点，并与普鲁兰多糖复合制备多功能食品包装薄膜。这种"一材两用"的设计思路不仅提高了资源利用效率，还为可持续包装材料的发展提供了新方向。
研究团队采用了几项关键技术方法：通过水热法从竹笋壳中同步制备纤维素和氮掺杂碳点；利用流变学分析评估薄膜前驱体溶液的加工性能；通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征材料微观结构和分子相互作用；采用抗菌实验评估材料对食源性致病菌的抑制效果；并以草莓为模型开展保鲜性能验证。
3.1. 闭环合成与纤维素/NCDs表征
研究成功从竹笋壳中制备出平均尺寸约4.1纳米的氮掺杂碳点，X射线光电子能谱（XPS）分析证实氮元素以吡咯氮和石墨氮的形式成功掺杂到碳骨架中。傅里叶变换红外光谱显示NCDs表面富含羟基、羧基和氨基等官能团，这些基团增强了与多糖基质的氢键相互作用。
3.2. 薄膜形成、分散稳定性与结构-性能关系
在5 wt% NCDs添加量下，薄膜表现出最佳的综合性能：拉伸强度达到约42.7兆帕，比未添加NCDs的薄膜提高约30%；水接触角从亲水性（<90°）转变为疏水性（>90°）；紫外屏蔽性能显著增强，在280纳米处透光率几乎为零，同时保持约72%的可见光透光率。
3.3. 活性包装的多功能性能
抗菌实验显示，PCN-5薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别超过96%和99%。扫描电镜观察发现细菌细胞膜出现明显皱缩和破损，表明其抗菌机制主要通过接触性膜损伤实现。同时，薄膜还表现出良好的抗氧化活性和紫外屏蔽能力。细胞毒性实验表明所有薄膜对L929成纤维细胞无毒性，且在一定浓度下还能促进细胞代谢活性。
3.4. 草莓保鲜性能
在实际应用中，PCN-5薄膜包装的草莓在6天储存期内表现出最佳的保鲜效果：失重率仅约20%，显著低于对照组（约55%）；能有效抑制霉菌生长，保持草莓的酸碱度、可溶性固形物和维生素C含量。
3.5. 环境降解行为
土壤埋藏实验表明，所有薄膜在12天内均能达到98%以上的质量损失，表现出良好的生物降解性。虽然NCDs的添加略微延缓了初始降解速率，但最终降解程度与未添加组相当。
这项研究通过建立竹材农业废弃物的闭环增值路径，成功开发出集高效抗菌、紫外屏蔽、抗氧化和可生物降解于一体的多功能食品包装材料。该工作不仅为解决农业废弃物处理和塑料污染问题提供了可行方案，还为设计可持续活性包装材料提供了新的思路和方法。特别值得关注的是，研究中采用的"一材两用"策略最大限度地提高了资源利用效率，符合循环生物经济的发展理念。未来研究可进一步探索该材料对其他易腐食品的保鲜效果，并开展大规模生产的经济性评估，以推动其实际应用进程。
