明胶交联的新型木质素-普鲁兰二醛生物复合膜，用于活性食品包装

《Bioresource Technology Reports》：Gelatin crosslinked novel lignin-pullulan dialdehyde biocomposite film for active food packaging

生物基薄膜通过棉秆提取的lignin与pullulan dialdehyde-gelatin复合实现水稳定性和高机械性能提升，有效延长kinnow橙子保鲜期。

　　

Ayan Banerjee|Mohit Kumar Mehra|Shrestha Dutta|Sujith M. Subrahmanian|Megha M. Unnimaya|Jyotsnendu Giri|Althuri Avanthi

印度海得拉巴印度理工学院生物技术系，Kandi, Sangareddy, Telangana, 502284, 印度

摘要

基于生物聚合物的塑料由植物和微生物制成，因其环保特性而在食品包装中越来越受欢迎，但它们在接触水后会降解，因此需要添加防水材料。在这项研究中，将普鲁兰二醛（P）、明胶（G）和木质素（L）混合制成耐水性的普鲁兰二醛-明胶-木质素（PGL）水凝胶薄膜。木质素通过酸碱法从棉茎中提取，并通过FTIR和2D HSQC NMR对其结构和纯度进行了表征。将木质素加入含有亚胺键的普鲁兰二醛-明胶（PG）混合物中，通过氢键和静电作用等广泛的物理相互作用增强了网络强度和耐溶剂性，这一点通过FTIR和XPS分析得到了证实。这些薄膜在60°C下固化，使得这一过程具有能源效率。PGL薄膜表现出高水稳定性、高机械强度、良好的防潮性能和生物活性，非常适合用于水果保鲜。与对照组相比，木质素提高了薄膜的疏水性、水凝胶强度和生物降解性。通过分析PGL薄膜对金诺橙（kinnow oranges）的保鲜效果和保质期的影响，评估了其作为食品包装材料的有效性。监测了包装前后橙子的物理性质（如重量损失、硬度）和化学性质（包括pH值、可滴定酸度、脂质氧化、蔗糖含量和抗氧化活性）。PGL薄膜在水中的稳定性很高，其水膨胀指数为303%，拉伸强度为48.5 MPa，断裂伸长率超过3.1%。这些结果表明，PGL薄膜可以作为一种可持续的、可生物降解的包装材料，在水果保鲜方面具有巨大潜力。

引言

传统的塑料包装材料，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），都是从石油和天然气中合成的，属于不可再生资源（Bauer等人，2022年）。合成塑料仅提供防潮性和食品容纳性以及便于运输的优点，但缺乏主动功能（Shiva等人，2024年）。这些合成塑料的被动性质要求添加化学防腐剂来保证食品保鲜（Shiva等人，2024年；Rodrigues等人，2022年）。相比之下，各种基于生物聚合物的薄膜，包括多糖（如淀粉（Yuan等人，2025年）、普鲁兰（Trinetta和Cutter，2025年）、蛋白质（Sun等人，2025年）和聚羟基烷酸酯（PHAs）（Amir等人，2025年），因其可持续性和生物活性而被研究。然而，诸如机械强度不足、亲水性差和防潮性能有限等挑战限制了它们的广泛应用（Taherimehr等人，2021年）。

普鲁兰是一种由Aureobasidium pullulans产生的外多糖，具有优异的成膜能力和氧气阻隔性能，但存在较差的防水性和较低的机械强度（Ghosh等人，2022年；Farris等人，2014年）。棉花是一种全球广泛种植的农作物，主要用于纺织工业（Cai等人，2024年）。目前，印度等80多个国家都种植棉花（Jindal等人，2023年）。棉花秸秆（CS）是一种丰富的农业废弃物，每年产量约为3000万吨（Jindal等人，2023年）。传统的田间处理方式是将棉花秸秆露天焚烧，这增加了碳足迹。棉花秸秆中含有21-25%（重量百分比）的木质素（Li等人，2022年），使其成为潜在的木质素来源。

木质素是一种芳香族、含量第二高的异质性生物聚合物，具有多酚结构（Garg和Avanthi，2025年；Rico-García等人，2020年）。木质素主要用作锅炉燃料的填充剂或低级添加剂。它由桂酰基、丁香基和

-羟基苯基等亚单位组成（Halloub等人，2022年），其组成会随生物质类型的不同而变化（Avanthi和Banerjee，2016年）。木质素的复杂结构使其难以开发相关产品（Du等人，2022年）。尽管结构复杂，但它具有抗氧化、抗菌、疏水性和阻燃等有益特性。由于其内部交联结构，木质素具有较高的机械强度，并表现出光热性能（Liu和Bernaerts，2024年）。

由于木质素和普鲁兰之间的氢键不稳定，所得到的生物复合材料（木质素-普鲁兰）薄膜在水环境中缺乏稳定性。因此，需要一种能够将普鲁兰和木质素结合在一起的交联剂/共聚物。有毒的交联剂，如甲醛基的（戊二醛（Liu和Bernaerts，2024年）、环氧氯丙烷（Dessouki等人，2001年）和异氰酸酯（Shibata等人，2001年），不适合用于制造食品包装薄膜，因为它们可能会渗入食品中（Mugnaini等人，2023年）。一些交联剂，如柠檬酸（Wen等人，2021年）、单宁酸（Zhao等人，2025年）和环磷酸酯（Dulong等人，2011年），已被用于制造不同的食品包装薄膜，但尚未有报道表明它们能提高薄膜的耐水性。还有一些共聚物，如PVA（Min等人，2021年）、纤维素（Min等人，2021年）、淀粉（Zhang等人，2023a）和壳聚糖（Zhang等人，2023b），也被报道可以增强氢键和静电键等物理相互作用。

明胶（G）是一种广泛可用且成本低廉的蛋白质，来源于动物胶原蛋白（Gasti等人，2022年）。它分为A型明胶（酸水解）和B型明胶（碱水解）（Xiao等人，2021年）。A型明胶粘度低，蛋白质含量高，因此比B型明胶更适合形成薄膜。羰基和氨基之间的氢键形成了明胶的三螺旋结构，使其具有较高的机械强度（Gómez-Guillén等人，2011年）。

虽然木质素可以通过破坏明胶三维蛋白质结构中的稳定分子间氢键与明胶发生静电相互作用（Aadil等人，2016年），但所得到的木质素-明胶混合物仅部分耐水。同样，单独的普鲁兰和明胶也无法形成稳定的薄膜，因为缺乏强烈的化学相互作用。然而，普鲁兰二醛（P）容易与明胶反应形成稳定的共价亚胺键（Zhang等人，2025年），普鲁兰的氧化会引入反应性的醛基，从而提高耐水性和抗菌活性（Roy等人，2023年）。在这项研究中，开发了一种新的普鲁兰二醛-明胶-木质素（PGL）生物复合材料薄膜（图1），作为塑料包装的环保替代品。评估了该薄膜在金诺橙（一种保鲜期有限的柑橘类水果）活性包装中的物理化学和功能性能。此外，还评估了PGL薄膜在土壤和水中的生物降解能力，以评估其环境可持续性。结果表明，PGL薄膜具有优异的耐水性、抗菌活性、紫外线屏蔽和自由基清除性能，使其适合用于水果包装。据我们所知，目前文献中尚未有关于明胶交联的普鲁兰二醛-木质素生物复合材料薄膜的研究。

材料

棉花秸秆（CS）从印度Sangareddy的当地农民处收集（纬度和经度分别为17.602502517051256，78.04290842650505）。氢氧化钠（NaOH）、硫酸（H₂SO₄）、过碘酸钠（NaIO₄）、甘油、DPPH（2,2-二苯基-1-吡啶肼）、琼脂、胰蛋白胨大豆肉汤（TSB）肉汤、苯酚、三氯乙酸（TCA）和硫代巴比妥酸（TBA）由Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd.（SRL）提供。乙二醇和盐酸羟胺则从其他地方购买。

通过酸碱法从棉花秸秆中提取木质素的回归分析

棉花秸秆（CS）中的木质素产量受到酸碱反应条件的显著影响。为了提高木质素的产量和纯度，基于Plackett-Burman方法设计了实验（DOE），考虑了六个因素，每个因素设置两个水平。

根据表1中的数据，使用Minitab 17软件开发了一个回归模型（方程19）来预测木质素的回收率（%）。回归方程包含了独立因素（或

结论

通过使用环保的制造工艺开发了一种可持续的食品包装材料，以减少对环境的影响。通过酸碱法从棉花秸秆中提取的木质素（纯度为93.93±5.29%，重量百分比产量为48.22±2.45%）被加入到普鲁兰二醛-明胶基质中，制备了PGL-0.7生物复合材料薄膜。流变分析证实了强烈的物理和化学交联作用，使其具有48.5 MPa的拉伸强度和3.1%的断裂伸长率，表明

缩写

2D HSQC NMR	二维异核单量子相干核磁共振
AA	乙酸（食品模拟物）
Abs	吸光度
ANOVA	方差分析
ASTM D882	美国材料与试验协会D882标准
CR	碳残留
CS	棉花秸秆
DMSO?d6	氘代二甲基亚砜
DPPH	2,2-二苯基-1-吡啶肼
E	乙醇（食品模拟物）
EDX	能量分散X射线光谱
EE	红斑效应
FIB-SEM	聚焦离子束扫描电子显微镜
FTIR	傅里叶变换红外光谱

CRediT作者贡献声明

Ayan Banerjee：撰写初稿、验证、方法论、研究、数据管理、概念构思。Mohit Kumar Mehra：撰写初稿、验证、方法论、研究、数据管理、概念构思。Shrestha Dutta：撰写初稿、研究、数据管理。Sujith M. Subrahmanian：研究、正式分析、数据管理。Megha M. Unnimaya：研究、正式分析、数据管理。Jyotsnendu Giri：撰写、审稿与编辑、验证，

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Althuri Avanthi博士报告称获得了印度科技部Anusandhan国家研究基金（SERB）的财务支持。Mohit Kumar Mehra获得了印度高等教育部大学拨款委员会的财务支持。Althuri Avanthi、Ayan Banerjee和Mohit Kumar Mehra（发明人）