基于分子对接技术的抗菌与可生物降解PCL/氧化木薯淀粉/尼辛三元薄膜的理性设计

《Journal of Food Engineering》：Rational Design of Antibacterial and Biodegradable PCL/Oxidized Cassava Starch/Nisin Ternary Films Based on Molecular Docking

可降解活性包装膜通过氧化木薯淀粉、聚己内酯与纳他霉素协同作用制备，显著提升降解率（316%）、抗菌活性（85.79%）及机械性能，分子机制显示氢键和离子键稳定结构。

　　

任向瑞|牛丽|赵丽萍|赵文清|林倩|郭双峰|胡雅云|李文豪

西北农林科技大学食品科学与工程学院，中国陕西省杨陵市新农路22号，邮编712100

摘要

本研究通过热压结合氧化木薯淀粉（OCS）、聚己内酯（PCL）和尼辛（Nisin），重点探讨了可降解活性包装膜的科学设计方法。系统表征表明，OCS的加入通过氢键作用降低了PCL的结晶度，显著改变了薄膜的微观结构和功能，并与尼辛协同作用提升了其生物降解性。关键实验数据显示，这种三元复合膜表现出优异的综合性能：72天后土壤降解率达到了15.98%，比纯PCL提高了316%。在抗菌效果方面，其对金黄色葡萄球菌的抑制率达到了85.79%。此外，所有复合膜的吸水率均较低（< 2%），部分配方还具备出色的柔韧性，断裂时的延伸率达到了117.98%。分子对接分析进一步揭示，氢键和盐桥稳定了薄膜结构，其中最强的结合亲和力为-5.0 kcal/mol，这一结果受到OCS氧化程度的影晌。本研究开发了一种新型的环保三元复合膜，具有可调节的降解性能和强抗菌活性，为下一代基于碳水化合物的活性包装材料的设计提供了战略框架，并为食品保鲜应用的生物基薄膜工程提供了实用策略。

引言

全球塑料污染危机的加剧以及对可持续发展的迫切需求，推动了环保食品包装材料的研究。传统的石油基塑料包装不可降解（Elfawal等人，2025年），最终会形成微塑料颗粒（MP），对生态系统和公共健康构成严重威胁（Kang等人，2025年）。因此，基于合成聚酯的可降解包装材料的开发成为应对这些挑战的有效策略。聚己内酯（PCL）是一种具有优异生物相容性和生物降解性的聚酯，可使用传统塑料设备进行加工（Zhang等人，2025年），在生物医学和食品包装领域具有广泛应用潜力。然而，纯PCL的性能往往无法满足特定应用的需求；因此，将PCL与多糖混合已成为克服单一组分薄膜局限性的重要方法（Li等人，2025年）。

氧化淀粉经过化学修饰，引入了羧基和羰基（Broekman等人，2025年），成为可降解包装材料的优质替代品。这种改性不仅降低了糊料的粘度，提高了加工性能，还延缓了淀粉的回生过程，从而增强了薄膜的长期尺寸稳定性（Yildirim-Yalcin等人，2026年）。在植物来源中，氧化木薯淀粉（OCS）因其优异的成膜能力和成本效益而尤为突出（Soler等人，2026年）。关键的是，接枝在OCS主链上的功能基团显著提高了其与疏水性生物聚酯的相容性和界面粘附性。Deng等人（2025年）利用OCS制备了食品包装纸，展现了优异的阻隔性能和机械强度。这种提升的相容性对于优化复合包装材料的机械强度、柔韧性和阻隔性能至关重要，有效克服了传统淀粉基薄膜通常存在的脆性和相分散问题（Wang等人，2025c）。

同时，随着食品安全标准的提高，开发能够抑制微生物生长的活性包装材料变得十分必要。在这种背景下，尼辛（E234）作为一种来自乳酸乳球菌的天然抗菌肽，因其公认的安全性和有效性而成为首选的生物防腐剂（Wang等人，2025b）。作为食品级抗菌剂，尼辛比银纳米颗粒等替代品更安全，能够提高包装材料的食品安全性和延长保质期（He等人，2024年）。然而，其在聚合物基质中的分子相互作用机制尚未完全明了。

为填补现有研究空白，本研究假设OCS的羧基通过氢键作用增强了与PCL的界面相容性，而尼辛通过与OCS的协同作用调节材料性能。为此，通过热压制备了三元复合膜，并通过分子对接分析了其微观结合机制。这项工作首次系统地阐明了该系统的结构-活性关系及OCS的具体调控作用，为氧化淀粉基活性包装的合理设计提供了理论指导。

材料

聚己内酯和尼辛购自Aladdin Reagents Co., Ltd。商业木薯淀粉（GB/T 8884-2017，食用级）由新乡良润全谷食品有限公司提供（产品编号：GB/T 29343；批次：20230518），纯度≥99%，直链淀粉含量17.2 ± 1.3%，灰分含量≤0.3%，水分含量≤12%。所有试剂（包括无水乙醇、蒸馏水和甘油）均具有化学纯度。

氧化木薯淀粉（OCS）的制备

OCS采用改进的异相氧化法制备

微观结构与表面形貌分析

通过数码摄影、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对复合膜的表面形态和内部微观结构进行了系统分析（图2和图3），以评估三元体系的界面相容性。宏观上看，大多数薄膜表面光滑平整，颜色均匀。在二元PCL/OCS体系中，OCS含量较低的薄膜（例如P₉₈-OCS₂）保持了相对均匀的结构。SEM表面图像仅显示出轻微的表层变化

结论

本研究采用无溶剂热压法成功制备了一种可降解且具有生物活性的三元复合膜（PCL/OCS/Nisin）。结果表明，OCS的合理掺入有效调节了聚酯基体的结构层次和功能响应，降低了透明度并提高了水蒸气透过率（WVP）。OCS与尼辛的协同作用不仅赋予了材料强大的生物活性

作者贡献声明

李文豪：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，概念构思。胡雅云：监督，资金获取。郭双峰：实验研究。任向瑞：撰写 – 初稿，方法设计。林倩：数据分析。赵文清：结果验证。赵丽萍：数据可视化。牛丽：软件支持

未引用参考文献

Xu和Zhao，2024年。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。本研究的数据未在其他地方发表。

致谢

本研究得到了陕西省重点研发计划（2025NC-YBXM-155）的财政支持。此外，作者感谢食品科学与工程学院的仪器共享平台以及西北农林科技大学生命科学研究核心服务设施在DSC（Lu Cui）、FT-IR、色度计（胡雅云）和SEM（Kerang Huang）方面的协助。