通过挤出和浇铸工艺制备明胶和黄原胶与纤维素增强的生物聚合物混合物：一种比较研究方法

《Food Packaging and Shelf Life》：Tailoring biopolymer blends of gelatin and xanthan gum reinforced with cellulose through extrusion and casting: A comparative approach

生物聚合物薄膜的加工工艺对性能的影响研究。通过比较凝胶atin-xanthan gum-微晶纤维素复合材料的铸造与挤出成型工艺，发现铸造膜拉伸强度高但脆性大，挤出膜柔韧性和疏水性显著提升，且纤维素浓度增加未产生显著差异。

　　

J.F. Pereira | S. Mali | S.A. Cruz

化学系，精确科学中心，圣卡洛斯联邦大学（UFSCar），华盛顿·路易斯高速公路235公里处，10 SP-310，圣卡洛斯，巴西

摘要

生物聚合物被广泛认为是化石基塑料的可持续替代品，但其在包装中的实际应用取决于性能与可扩展性之间的平衡。例如明胶这样的蛋白质具有出色的成膜能力，但存在脆性问题；而黄原胶等多糖则能在不同条件下提供柔韧性和稳定性。微晶纤维素通过增强作用进一步提高了防水性和机械强度。尽管这些互补的生物聚合物具有潜力，但大多数研究都集中在通过浇铸工艺制备的配方上，这种工艺简单但难以扩大规模。关于挤出等工业相关方法如何影响明胶、黄原胶和纤维素复合材料的结构和功能，目前知之甚少。本研究通过比较使用明胶、黄原胶和不同浓度（2.5%、5.0%和10.0%）的纤维素制成的薄膜，填补了这一空白。结果表明，浇铸工艺制成的薄膜的拉伸强度比挤出工艺制成的薄膜高出200%，而挤出工艺则使薄膜的延展性提高了800%，并且制备出了疏水性薄膜（接触角>90°）。所有材料都表现出无定形结构，并且具有相似的热稳定性，无论纤维素浓度如何。总体而言，我们的发现表明加工路线是决定生物基薄膜功能的关键因素。通过展示如何利用挤出工艺来调节柔韧性和表面性能，这项工作为推进可持续食品包装中可扩展的高性能化石基塑料替代品提供了宝贵的见解。

引言

人们对开发来自可再生和可生物降解聚合物的新食品包装材料的兴趣与日俱增，实现这一目标的众多方法之一是在这些材料的制造中使用天然聚合物（Tran等人，2023年）。生物聚合物是指可以从天然来源获得的聚合物，它们具有满足环保材料可持续性目标的吸引人的特性（Park等人，2020年）。

在用于开发功能性材料的天然大分子中，多糖和蛋白质因其可生物降解、生物相容性以及能够形成连续薄膜的能力而脱颖而出（Amelia等人，2024年）。明胶是通过动物副产品中的胶原蛋白部分水解获得的，成本低廉、来源丰富，并且具有良好的成膜能力（Amelia等人，2024年；Rivera等人，2025年）。然而，明胶薄膜往往较为脆弱，强度低且柔韧性有限，这使其不太适合某些用途。为了克服这些缺点，建议将明胶与其他聚合物混合使用，因为在挤出过程中蛋白质可能会发生变性，从而有助于其与多糖更好地相互作用并改善薄膜的性能（Guerrero等人，2014年；Layek，2024年；Rivera等人，2025年）。

黄原胶（XG）是一种杂多糖，其重复单元由两个葡萄糖单元、两个甘露糖单元和一个葡萄糖醛酸单元组成（Rukmanikrishnan等人，2020年）。XG是由革兰氏阴性细菌Xanthomonas campestris通过发酵过程合成的，以葡萄糖或蔗糖等碳水化合物为底物。此外，其可生物降解、生物相容性和无毒的特性使其适用于环保和健康安全的应用（Ribeiro等人，2023年；Pereira等人，2023年）。此外，黄原胶在生物医学和环境应用的高级材料开发中变得越来越重要，包括薄膜的制备（Chen等人，2022年）、水凝胶（Pereira等人，2023年）、伤口敷料和可生物降解的食品包装（Ribeiro等人，2023年），使其成为可持续产品创新的关键成分。

纤维素是自然界中最丰富的生物聚合物之一。其结构由β-D-葡萄糖单元重复组成，每个单糖单元含有三个自由羟基（Pereira等人，2023年；Ribeiro等人，2023年）。其衍生物，如微晶纤维素（MCC）和纤维素纳米纤维（CNF），由于其高机械强度和改善阻隔性能的能力而被广泛用作增强剂（Bangar等人，2023年）。由于其功能性优势，MCC常被添加到产品中以改善质地、稳定性、防水性和整体性能（Li等人，2023年；Xu等人，2024年）。MCC作为一种强效添加剂，显著提高了产品的功能性和加工效率（Bangar等人，2023年）。正如Amelia等人（2024年）所报道的，纤维素可以作为明胶基薄膜中的增强成分，主要是因为其显著的机械强度和增强材料防水性的能力。

文献中很少有研究使用明胶、黄原胶和纤维素的混合物来制备聚合物基质。Pereira等人（2023年）通过两次连续的挤出步骤和热压处理，使用明胶、黄原胶和纤维素制备了适用于制药和化妆品领域的氢凝胶薄膜。Hazirah等人（2016年）开发了基于明胶和羧甲基纤维素基质的复合可食用薄膜，其中含有不同浓度的黄原胶（0%、5%、10%、15%、20%和25%w/w），并指出含有5%黄原胶的配方在物理和机械性能方面优于其他配方。Mohamed等人（2023年）报道了使用不同浓度的黄原胶和纤维素衍生物（羟乙基甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素）制备的可食用薄膜。添加这些多糖增强了薄膜的机械强度、热稳定性和水蒸气阻隔性能，突显了它们作为活性和可食用包装材料的潜力。

在聚合物基薄膜的生产过程中，浇铸方法因其简单性、成本效益和多功能性而成为最常用的方法之一（La Fuente等人，2022年；Nair等人，2023年；Pereira等人，2022年）。尽管浇铸工艺具有优势，但扩大其规模存在一些挑战，如处理时间较长以及需要蒸发大量溶剂（Chen等人，2024年；La Fuente等人，2022年；Nair等人，2023年）。相比之下，挤出是一种连续的熔融基工艺，在工业上广泛用于生产塑料薄膜，最近也用于生产生物聚合物薄膜。而溶剂浇铸是一种基于溶液蒸发的批次式实验室方法，因此依赖于缓慢干燥和平衡条件。相比之下，挤出工艺通过高温和剪切力连续喂料材料，允许使用高浓度混合物，通常无需溶剂。这使得挤出成为生产可扩展、高通量生物基包装薄膜的更有吸引力的途径（Lyn等人，2024年；Pereira等人，2023年）。已有研究表明，挤出工艺可用于制备基于不同生物聚合物的薄膜，如淀粉、聚3-羟基丁酸-聚3-羟基戊酸酯（PHBV）（Le Delliou等人，2024年）、壳聚糖（Flores-León等人，2024年）、明胶（Fakhouri等人，2013年）和纤维素（Pereira等人，2023年）。

尽管加工在调节聚合物的结构和功能特性方面起着关键作用，但系统评估和比较其影响的专门研究仍然有限。大多数现有研究集中在特定系统上，如淀粉（La Fuente等人，2022年；Vargas等人，2016年）、淀粉与黄原胶的组合（De Melo等人，2011年）、明胶（Andreuccetti等人，2012年；Andreuccetti等人，2017年）、PLA（Cruz等人，2019年；Rhim等人，2006年）、明胶与淀粉的组合（Fakhouri等人，2013年）以及淀粉与扁豆蛋白的组合（Ochoa-Yepes等人，2019年）。这些研究一致表明，不同的加工方法会导致具有不同特性的材料，强调了选择最合适的生产过程的必要性。虽然之前已经研究了明胶/黄原胶和明胶/纤维素薄膜，但没有研究直接比较了通过浇铸和挤出工艺制备的相同三元基质。需要注意的是，浇铸和挤出属于根本不同的加工环境，因此从加工优化的角度来看，所生成的材料并不直接可比；然而，比较它们可以洞察每种工艺如何调节同一生物聚合物基质中的结构和功能行为。

在食品包装的背景下，防潮性能、搬运和储存过程中的机械完整性以及表面润湿性是影响产品保存和保质期的关键因素（Ramos等人，2012年）。基于此，在本研究中，使用微晶纤维素作为明胶-黄原胶聚合物基质的增强剂来制备薄膜，重点研究了每种工艺如何影响形态、机械行为、疏水性和水蒸气渗透性，以及这些性质与潜在包装应用之间的关系。此外，还分析了纤维素浓度对所得材料的机械性能、热稳定性和防水性的影响，提供了与食品包装性能相关的结构和功能关系的见解。

材料

明胶、黄原胶、微晶纤维素和甘油均从êxodo Científica（巴西）购买。本研究中使用的所有试剂均为分析级。

扫描电子显微镜

薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像见图2和图3。可以看出，总体而言，浇铸薄膜在横截面图像中呈现出均匀且致密的外观。另一方面，挤出薄膜存在一些异质性，如微孔和裂纹，这可能是由于挤出过程中快速的水分膨胀和蒸发造成的，这是由于较高的温度和存在的机械剪切力所致。

结论

本研究采用的方法评估了通过两种不同工艺（浇铸和挤出）生产的材料，证明生产工艺对于获得具有不同特性的材料至关重要。添加纤维素被证明是有效的，然而，所使用的不同纤维素浓度在分析的材料中并未显示出显著差异。通过浇铸和挤出制备的薄膜都表现出

作者贡献声明

Pereira, J. F.：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、数据分析、概念化。Mali, S.：撰写——审阅与编辑、监督。Cruz, S. A：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资源管理、项目管理、概念化。

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：Sandra Andrea Cruz报告称获得了圣卡洛斯联邦大学的财务支持。Sandra Andrea Cruz与圣卡洛斯联邦大学存在雇佣关系。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响研究的财务利益或个人关系。

致谢

我们想感谢FAPESP（项目编号：2023/00151–0）对本研究的财务支持。我们还要感谢Rosemary Aparecida de Carvalho教授在圣保罗大学（USP）动物科学与食品工程学院（FZEA）提供的机械测试支持（TA.XTplus纹理分析仪，资产编号：074.012854）。