基于植酸与硅酸盐/聚乙烯醇混合体系的活性可持续薄膜的开发，用于包裹鸡肉

《Food Packaging and Shelf Life》：Development of active sustainable films based on phytic acid and silicate/polyvinyl alcohol hybrid system for wrapping chicken meat

基于PVA、PA和Na2SiO3的可回收抗菌包装膜通过原位合成SiO2纳米颗粒实现性能提升，显著增强机械强度、热稳定性和抗菌活性（E. coli、S. aureus），延长冷藏鸡肉保质期至11天，并具备水溶可回收特性。

　　

李超群|孟凡宇|杨永艳|王静飞|张瑞婷|李崇瑞涵|王月|王佳|高岩|钟双玲|崔学军

吉林大学化学学院，中国长春 130012

摘要

本研究开发了一种可持续且可回收的抗菌食品包装膜。采用聚乙烯醇（PVA）、植酸（PA）和硅酸钠（Na?SiO?）作为绿色原料，通过简单的浇铸工艺制备了该薄膜。关键技术在于利用硅酸钠（Na?SiO?）作为前驱体，在PVA-PA基质中原位合成二氧化硅（SiO?）纳米颗粒。PVA-PA体系的弱酸性环境（由PA的磷酸基团提供）促进了SiO?的水解，无需额外添加酸化剂。这一设计避免了传统混合薄膜中常见的SiO?团聚和复杂合成过程问题。实验结果表明，优化后的PSPⅡ2薄膜表现出优异的综合性能。通过PA与原位生成的SiO?的协同交联作用，其机械强度、热稳定性和抗菌性能得到了显著提升。PSPⅡ2薄膜对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）具有显著的抗菌活性。实际储存测试显示，该薄膜可将冷藏鸡胸肉的保质期延长至11天，并有效降低总挥发性碱性氮（TVB-N）含量。此外，该薄膜可在90°C下溶解，溶解后可以重新塑造成新的薄膜。这种回收再利用过程简单且环保，体现了其优异的可持续性。同时，该薄膜还具有良好的热压缩加工性能，适用于多种包装场景。总之，PSPⅡ2薄膜不仅具有出色的功能特性，还为环保包装提供了一种新策略，显示出作为可回收和可持续食品包装材料的巨大潜力。

引言

食品包装技术在保证食品质量、延长保质期和减少食品浪费方面发挥着重要作用。虽然传统食品包装技术能有效防止食品受到外部污染（Chamas等，2020；Marsh & Bugusu，2007；Pandey等，2022），但无法满足现代包装行业对可持续、环保解决方案的需求（Chamas等，2020；Nguyen & Lee，2022b）。随着全球塑料污染问题的加剧，越来越多的研究致力于开发环保、可回收的包装材料以减少环境影响（Momeni等，2023）。传统包装材料在保护易腐食品（如肉类）方面面临挑战。鸡肉作为一种保质期较短的高易腐产品，需要高效的包装解决方案来保持其新鲜度、营养价值和安全性（Katiyo等，2020）。然而，现有包装材料无法完全满足这些要求。因此，活性包装材料为这些问题提供了新的解决方案。活性包装材料不仅能够保护食品，还能与食品内部环境相互作用，从而延长易腐食品的保质期（H. Li等，2024；D. Wang等，2022）。

可生物降解的聚合物包装材料为缓解生态污染和生物安全问题提供了有前景的解决方案（Haghighi等，2021；Shen等，2020；Venkatesan, Srinivasan等，2025）。其中，聚乙烯醇（PVA）作为一种典型的合成可回收聚合物，因其无毒、稳定性好和成膜性能优异，在环保包装、农业和制药行业中得到广泛应用（Sarwar等，2018）。然而，单独使用PVA作为食品包装材料仍存在某些局限性（Nguyen & Lee，2022a）。因此，许多研究致力于对PVA进行改性，尤其是引入抗菌剂等功能性成分以提升其综合性能（Chen & Xu，2023）。最新研究表明，添加功能性成分的PVA薄膜在保存易腐动物源性食品方面表现出显著优势，能有效延长保质期同时保持食品质量和安全性（Arora等，2025；Fan等，2025；Jebel等，2025；F. Li, Wong等，2024；Radoor等，2024）。植酸（PA）是一种天然植物化合物，在食品包装中的应用受到关注（Pan等，2012）。PA具有显著的抗菌活性，尤其是在与金属离子螯合后，能有效抑制细菌和真菌等微生物（Z. Wang等，2022）。因此，PA常被用作活性包装系统中的功能性成分，通过与金属离子相互作用发挥抗菌效果，从而显著延长食品保质期（Zhou等，2019）。例如，在基于纤维素纳米纤维的系统中，PA功能化的聚合物设计不仅能够增强包装材料的抗菌性能，还能改善其整体性能，包括机械强度和热稳定性（Huang等，2024）。这对于延长易腐食品（尤其是鸡肉）的保质期具有重要意义。

此外，含有纳米填料的复合材料因能够提升机械性能、热稳定性和阻隔性能等特性而受到广泛关注（Hou等，2025；Venkatesan等，2025；Venkatesan, Mayakrishnan等，2025）。在这些材料中，二氧化硅（SiO?）作为一种常见的无机物质，已被证明能够增强聚合物基体的结构稳定性、提高热稳定性并增加机械强度（Yang等，2018）。因此，将PA与SiO?结合有望进一步提升PVA薄膜的性能，增强其抗菌性、机械性能和热稳定性，从而扩大其在活性包装中的应用范围。

本研究的创新之处在于PA与原位生成的SiO?的独特组合。利用PVA-PA体系的弱酸性，无需额外调节剂即可实现SiO?的原位合成。同时，PA作为“分子桥梁”将SiO?纳米颗粒固定下来，解决了传统方法中常见的团聚问题，确保其在PVA基质中的均匀分散。原位形成的SiO?通过与PA和PVA的协同交联作用，增强了薄膜的机械强度和热稳定性。PA赋予薄膜优异的抗菌性能。PA和SiO?共同优化了薄膜的阻隔性能，有效减少了水分损失和微生物污染，满足了保存易腐食品的实际需求。

尽管在食品包装中使用可生物降解材料是一种理想的策略，但其降解过程实际上会导致资源浪费。因此，这种创新方法专注于开发可回收和可持续的食品包装材料，旨在提升PVA薄膜的抗菌活性和物理性能，为鸡肉保鲜提供了有前景的解决方案。该薄膜可在90°C下溶解，并通过简单的浇铸方法重新塑造成新的薄膜。PA-SiO?组合的有效性通过机械测试、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）以及抗菌试验等相关测试得到了验证，证明了其延长冷藏鸡肉保质期的能力。

材料

聚乙烯醇（PVA，分子量：146,000–185,000；水解度99%）、植酸（PA，≥50%）和硅酸钠（Na?SiO?，18.7 wt%）均从上海Michaelin Biotech有限公司采购。所有试剂均为分析纯级别，按收到状态直接使用，无需额外纯化。大肠杆菌（GIM 1.250）和金黄色葡萄球菌（CMCC 26003）由北京普天同创生物科技有限公司提供。

基于PA的功能化PVA薄膜

在100 mL反应烧瓶中，以400 rpm的搅拌速度将1 g PVA溶解在50 mL去离子水中。

PA-SiO?/PVA杂化薄膜的制备

本研究通过PA和SiO?的杂化交联作用提升了PVA薄膜的机械性能和功能特性。PA作为有效的交联剂与PVA反应，主要通过酯化反应进行，同时伴随氢键的形成。这一反应形成了初始的共价-物理交联网络，不仅显著改善了PVA基薄膜的机械性能，还赋予了其抗菌活性。

结论

本研究成功开发了PSPⅡ2薄膜，作为一种高效且经济可行的抗菌食品包装材料。PA和Na?SiO?的加入显著提高了薄膜的热稳定性、机械性能和抗菌活性，尤其是在抑制大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）等常见病原体的生长方面。该薄膜具有优异的透明性、安全性和生物相容性，非常适合用于食品包装。

作者贡献声明

崔学军：撰写 – 审稿与编辑，监督。钟双玲：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化。李超群：撰写 – 初稿撰写，软件使用，方法设计，实验研究，数据分析，概念构建。孟凡宇：软件使用，数据分析。王月：项目管理，实验研究。李崇瑞涵：资源协调，数据管理。高岩：数据验证，数据分析。王佳：数据可视化，实验研究。杨永艳：方法设计，数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国吉林省科学技术厅的“医药健康产业发展专项项目”（项目编号：20240401064YY）和“长春市科技创新发展计划项目”（项目编号：23CZ07）的支持。