利用水果和蔬菜副产品制成的多功能生物降解薄膜：具备优异的机械性能、抗氧化性能和抗菌性能

《Food Bioscience》：Multifunctional biodegradable films from fruit and vegetable by-products: Enhanced mechanical, antioxidant and antimicrobial properties

可降解洛桃皮膜通过化学氧化去除木质素，显著提升机械性能（撕裂强度增加3.6倍，杨氏模量增加15.1倍）、透明度和阻隔性（水蒸气透过率降低70.3%）。HPLC-TOF-MS鉴定出20种酚类/萜烯类/脂肪酸化合物，兼具高效抗氧化（DPPH/ABTS清除率58.46%/64.72%）和抗菌特性（抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌达99%）。实验验证LPF包装哈密瓜可延长保质期，并证实该工艺可拓展至葡萄皮、石榴皮等富含纤维素和酚类物质的农业废弃物制备高性能包装材料，为可持续包装提供创新解决方案。

　　

陈伟|倪明|史颖|薛峰|姜红梅

南京农业大学理学院

摘要

本研究通过海藻酸钠基化学氧化和浇铸工艺制备了一种多功能、可生物降解的去木质素枇杷果皮薄膜（LPF）。脱木质素处理显著提高了薄膜的机械强度（拉伸强度增加了3.6倍，断裂伸长率增加了15.1倍）、光学透明度（350-800纳米范围内的透射率显著提高）以及阻隔性能（水蒸气透过率降低了70.3%）。XRD、FT-IR和TGA分析表明，纤维素与海藻酸钠和甘油形成了强氢键，这种分子间相互作用增强了薄膜的机械性能。HPLC-TOF-MS²检测出20种生物活性化合物（包括酚类、萜类和脂肪酸），这些化合物赋予了薄膜双重功能：能够清除58.46%的DPPH和64.72%的ABTS自由基，并对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有99%的抑制作用。实际应用验证表明，用LPF包装的哈密瓜可以有效延长保质期。该制备工艺具有广泛的应用前景，可将富含果胶和纤维素的生物质（如葡萄皮、石榴皮）转化为机械性能优异、功能多样化的包装材料。这项工作提出了一种创新策略，将农业废弃物转化为有价值的资源，不仅为废弃物利用开辟了新途径，也为替代传统塑料、解决塑料污染问题提供了有效方案。

引言

保鲜膜可以防止食品在供应链中的污染和损坏[1]。然而，目前大多数保鲜膜以石油基材料为主，且不可生物降解[2]。对不可生物降解塑料的持续依赖不仅导致垃圾填埋场废物堆积，还加剧了海洋和陆地生态系统的微塑料污染，对生物多样性和人类健康构成严重威胁[3]、[4]、[5]。此外，保鲜膜中使用的添加剂可能迁移到食品中，对消费者健康造成危害[6]。因此，开发可生物降解的生物基保鲜膜是解决资源与环境矛盾的有效途径。

天然聚合物如多糖[7]、[8]、蛋白质[9]和脂质[10]是可生物降解食品包装膜的理想候选材料。然而，它们的机械性能往往较差，限制了实际应用。虽然化学改性和与合成聚合物的物理共混是常见的增强方法，但这些方法可能带来毒性问题[11]或兼容性问题[12]、[13]。纤维素因其优异的机械性能、可再生性和加工性[14]、[15]、[16]而备受关注。然而，纯纤维素薄膜缺乏天然抗菌活性，限制了其在食品保存中的应用[17]、[18]。因此，开发结合天然抗菌剂的纤维素基薄膜是实现高机械强度和有效抗菌功能的可持续包装材料的重要策略。

可添加到保鲜膜中的抗菌剂包括天然抗菌剂[19]、无机抗菌剂[20]和有机抗菌剂[21]等。其中，天然抗菌剂主要来源于自然界中的生物活性物质，易于获取、安全、环保且对人体无害，应用广泛。目前大多数天然抗菌剂直接从植物和水果中提取，但存在提取效率低、成本高和资源浪费等问题[22]、[23]。许多学者发现，从水果加工副产品（如果皮、果核等）中提取抗菌剂不仅解决了废弃物随意处理造成的环境污染问题，还提高了资源利用率[24]。

水果加工副产品富含黄酮类和多酚类等天然抗菌化合物以及丰富的纤维素[25]、[26]，为可生物降解食品包装提供了双重优势。它们既可作为生物活性物质的来源，也可作为结构基底。多项研究证实了直接利用果皮制备可降解薄膜的可行性。例如，吴等人[27]使用废弃的柚子果皮作为成膜基底，并添加茶多酚制备了可食用的抗菌塑料膜，该膜能有效抑制细菌生长并防止大豆油氧化。Reshmy等人[28]从水果副产品中提取纤维素作为成膜基底，制备了可在50天内完全降解的生物降解塑料。Firdaus等人[29]利用柠檬果皮提取的果胶和壳聚糖以及印楝叶提取物成功制备了保鲜膜，显著延长了杏子的保质期和储存时间。Silva等人[30]使用香蕉加工废弃物并添加枇杷叶提取物制备了可食用的生物基薄膜，显示出良好的抗氧化性能。由此可见，这些研究利用水果加工副产品制备可降解生物质薄膜，既减少了环境污染和资源浪费，又在一定程度上降低了成本。然而，直接使用未经脱木质处理的果皮制成的薄膜透明度较低，不利于食品外观检查[31]、[32]。此外，添加二氧化钛等纳米材料作为抗菌剂时，由于毒理学数据不明确，可能会带来毒性风险，限制了生物塑料在食品包装中的应用。

本研究利用中国枇杷加工过程中产生的丰富果皮废弃物，制备了一种具有优异机械性能和抗菌特性的可生物降解薄膜。枇杷果皮含有47%的纤维素和高达0.879 mg·g^-1的多酚[33]，为薄膜提供了结构支撑和抗菌效果。通过化学方法去除木质素以提高薄膜透明度，并评估了海藻酸钠和甘油的效应，以及薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的物理、化学、热性能、抗氧化性能和抗菌性能。同时研究了该薄膜对哈密瓜的保鲜效果及其在土壤中的降解情况。本研究提出了一种简单可行的方法，将农业废弃物转化为功能性生物基薄膜。

材料

无水乙醇、亚硫酸钠和过氧化氢购自中国上海的Sinopod化学试剂有限公司。2,2-二苯基-1-二羧肼（DPPH）、2,2'-二氮代-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）、Folin-Ciocalteu试剂、硫代巴比妥酸（TBA）、甘油、氯化钠、碘和淀粉购自中国上海的MCLIN生物科技有限公司，海藻酸则由上海豫源生物科技有限公司提供

木质素对保鲜膜物理化学性质的影响

本文采用废弃枇杷果皮作为原料，通过活性成分分离、化学氧化和流态浇铸工艺制备了一种可生物降解且可回收的生物基保鲜膜。枇杷果皮中含有抗菌活性成分，纤维素可增强薄膜的机械性能，而木质素因其深色而影响薄膜的透明度。

结论

本研究利用枇杷果皮废弃物作为成膜基底，从中提取活性成分作为天然抗菌剂和抗氧化剂，制备了食品保鲜膜。通过化学氧化去除木质素后，LPF在外观、透明度和机械性能方面均优于N-LPF。

作者贡献声明

陈伟：撰写初稿、方法设计、实验实施、概念构思。史颖：数据分析与处理。倪明：软件操作与数据管理。姜红梅：文章修订与指导。薛峰：整体指导

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（2023YFF1104900）的财政支持。