编辑推荐：
生物聚合物气凝胶作为新型食品包装材料，主要应用于气体吸附和机械缓冲两类功能。小型标签气凝胶通过高孔隙结构实现乙烯吸附和智能变色指示，而大型垫片气凝胶则具备吸湿、缓释抗菌剂和抗冲击特性。材料体系涵盖纤维素、壳聚糖、乳清蛋白等生物基成分，通过结构设计优化解决湿稳定性差、成本高等问题，为智能可持续包装提供新方向。
Xinxin Yan|Ziwen Li|Lukuan Guo|Weiqing Liu|Junlong Song|Wenyuan Zhu|Donglu Fang|Jiaqi Guo
国家森林食品资源开发利用重点实验室与江苏省可持续纸浆造纸技术与生物质材料重点实验室，南京林业大学，江苏南京210037，中国
摘要
生物聚合物气凝胶作为食品包装系统的功能性组件越来越受到关注，这些系统需要轻质结构、湿度管理、主动保护和智能传感功能。本文通过将气凝胶的应用分为两大包装形式——小型气凝胶标签和大型气凝胶垫或插件，总结了最新的研究进展。这种分类方式不同于以往主要关注材料类型的综述。文章介绍了基于多糖和蛋白质的气凝胶的发展情况，包括来自纤维素纳米结构、淀粉、壳聚糖和乳清蛋白的体系，并强调了这些材料在各种包装功能中的应用。小型气凝胶标签可用作乙烯吸附剂、湿气和杂质清除剂以及能够响应pH变化或挥发性胺类的智能比色指示剂，以实现实时新鲜度监测。大型气凝胶垫则可作为渗出物的超强吸收剂、抗菌或抗氧化剂的控释载体、机械保护的缓冲层，以及适合冷藏或冷冻食品的轻质隔热材料。这些新兴应用展示了生物聚合物气凝胶的多功能性，同时也揭示了其局限性，如湿稳定性较差、活性成分的监管障碍以及大规模制造的较高成本。通过围绕包装形式和功能角色对现有知识进行整理，本文提供了关于生物聚合物气凝胶在下一代智能和活性食品包装系统中的实际潜力、局限性和未来机遇的全面概述。
引言
气凝胶是一种高度多孔的固体材料，最初由Kistler于1931年开发（Kistler, 1931）。其定义是液体相被气体替代，同时保持固体的三维网络结构。这种独特结构赋予了其超低密度、高比表面积和优异的孔隙率等特性，为多种功能应用提供了结构基础，包括在食品包装系统中的新兴用途（Li et al., 2024b）。根据组成，气凝胶通常被分为无机、有机和混合三类（Liu et al., 2025）。有机气凝胶进一步分为合成聚合物基系统（如间苯二酚-甲醛、聚酰亚胺）和来自可再生资源的生物聚合物基系统，包括多糖（纤维素、海藻酸盐、果胶、琼脂）和蛋白质（丝素、明胶、乳清）。早期研究主要集中在无机气凝胶上，尤其是二氧化硅，因为它们具有成熟的加工工艺和低热导率、高透明度和强吸附能力等优势（Zhao et al., 2020）。然而，无机气凝胶通常柔韧性较差、不可生物降解且机械强度不足（Ma et al., 2023）。这些缺点限制了其广泛应用。因此，在可持续和绿色食品包装的背景下，研究逐渐转向使用可再生原料制备的生物聚合物气凝胶（Abdullah et al., 2023）。
包装作为一种保护屏障，可以减轻食品的机械损伤，防止过度成熟、软化和微生物腐败。生物聚合物气凝胶通常被认为是可持续和可生物降解的（Tosif et al., 2026）。此外，由废弃生物质（Fontes-Candia et al., 2019）或食品副产品（Wu et al., 2022）制成的气凝胶有助于资源回收和循环经济的发展。由于生物聚合物含有丰富的官能团（如羟基、羧基和氨基），它们容易形成混合结构，并且可以通过化学修饰来调整表面化学性质、机械完整性和湿稳定性，同时仍满足食品包装材料的基本要求（Li et al., 2025b）。
在食品包装系统中，生物聚合物气凝胶主要采用两种形式。首先，作为微型智能标签或气体吸附插件，其高孔隙率和相互连接的通道能够选择性吸附氧气、二氧化碳和乙烯等气体，这些气体的积累会加速不同食品的氧化、微生物生长、软化或过度成熟（Asadullah et al., 2024）。当暴露于特定气体刺激（如碱性气体）或过高湿度时，这些气凝胶标签会含有pH或湿度响应性染料，从而发生可见的颜色变化，实现实时新鲜度指示。其次，作为放置在食品下方的缓冲垫，它们可以吸收渗出物并提供机械保护。其轻质特性便于处理和集成到包装中，而可变形和弹性的孔隙网络则提供了减少机械损伤所需的冲击缓解能力（Li et al., 2025b）。这些垫子还可以通过添加抗菌剂实现控释功能。与传统聚合物泡沫相比，气凝胶具有高度多孔、均匀的固体网络和独特的纳米结构，这是通过特殊的溶胶-凝胶工艺实现的，而聚合物泡沫通常通过细胞膨胀机制获得孔隙率。这种基本结构的差异导致了孔隙率、吸附行为和可调成分方面的差异（Takeshita et al., 2025）。由于其生物聚合物来源和潜在的可生物降解性，基于气凝胶的插件通常具有良好的食品相容性，同时支持环境可持续的包装策略（图1）。
重要的是，这些包装形式不仅在尺寸或外观上有所不同，还对气凝胶的设计和性能要求提出了根本性的不同边界条件。微型标签需要优先考虑快速响应、光学可读性和最小材料使用量（Mirmoeini et al., 2023b），而大型垫子和插件则受到承载能力、吸收体积和在处理及运输过程中的机械韧性的限制（Jin et al., 2025）。因此，相同的气凝胶材料在不同包装形式下可能需要不同的孔隙结构、密度和功能化策略。这种基于形式的视角突出了仅凭材料分类无法捕捉到的设计权衡。
未来食品包装的发展越来越强调智能化、多功能性和环境可持续性。除了传统的复合薄膜和涂层等方法外，新的方向还包括基于纸张的抗菌材料（Shi et al., 2024）、比色指示剂（Luo et al., 2022）以及基于多糖或蛋白质的水凝胶（Sudheer et al., 2023）。气凝胶为这些方向提供了额外的材料平台，具有可调的架构、高孔隙率和超轻结构，支持气体吸附和活性物质的控释（Rizal et al., 2021）。
尽管已有几篇综述讨论了生物聚合物气凝胶在食品相关应用中的用途，但大多数研究集中在材料制备（Vrabi?-Brodnjak, 2024）或一般活性包装（Asqardokht-Aliabadi et al., 2025）功能上，并未区分小型智能气凝胶标签和大型气凝胶垫的不同作用。它们也很少解释气凝胶结构如何影响实际功能，如气体吸附、湿度或渗出物管理以及机械缓冲（Manzocco et al., 2021）。现有的综述往往将材料和方法混为一谈，没有将这些属性与实际包装条件或食品保质期要求联系起来（Morales-Herrejon et al., 2025）。基于形式的框架对于食品包装气凝胶非常有用，因为包装形式作为边界条件，决定了在实际储存和分销场景下的设计优先级和结构-功能考量。
本综述基于对生物聚合物气凝胶在食品包装应用相关已发表研究的广泛调查。文献主要从Web of Science、Scopus和Google Scholar收集，使用关键词组合进行搜索，如“生物聚合物气凝胶”、“食品包装”、“活性和智能包装”、“气体吸附”、“乙烯调节”、“吸附垫”和“缓冲或减震包装”。在选择文献时，特别关注了报告具体食品包装场景或食品保鲜案例的研究，以更好地反映气凝胶基系统在食品包装应用中的实际相关性。总体而言，所选参考文献集中在与食品包装功能密切相关的气凝胶基材料上，包括气体吸附标签、吸附垫和缓冲垫、抗菌成分以及新鲜度指示系统。
生物聚合物气凝胶的材料和制备方法
如图2所示，生物聚合物气凝胶可以由多种天然聚合物制成，包括淀粉、纤维素、蛋白质、壳聚糖（CS）和其他多糖（Chen et al., 2024）。然而，原始的生物聚合物气凝胶通常具有较低的机械强度和有限的结构稳定性，这限制了它们在食品包装中的直接应用。因此，需要采用离子或共价交联、聚合物共混或化学修饰等增强策略
作为小型标签的应用
标签型生物聚合物气凝胶旨在与包装食品的内部环境相互作用，同时尽量减少材料使用和成分迁移。它们超多孔的网络和可调的表面化学性质使其能够选择性吸附与食品腐败相关的气体，并对包装内的气体组成变化及相关指标做出敏感响应。因此，标签型气凝胶的科学重点是将快速的质量传递与可靠的
作为缓冲垫的应用
垫型生物聚合物气凝胶作为与食品接触的缓冲层，用于管理液体和机械负荷，在需要时还可以实现活性物质的释放。由于它们具有较大的厚度和接触面积，其性能不仅受孔隙率和表面化学性质的影响，还受储存和运输过程中的湿态完整性和长期变形抵抗力的影响。同时，由于它们直接与食品接触且材料使用量相对较高
安全性和控释评估
尽管气凝胶具有多种功能，但将其应用于食品包装时需要仔细考虑安全性和控释行为。关键方面包括释放动力学、迁移潜力以及与封装的活性物质（如抗菌剂、抗氧化剂、营养物质）和功能性成分（如纳米颗粒）相关的潜在健康风险。
天然抗菌剂如精油经常被
结论
由于具有高度多孔的结构、生物基来源和可调节的功能性，生物聚合物气凝胶已成为食品包装的多功能材料。在标签型应用中，它们的大表面积和可调的表面化学性质使其能够与包装内部环境高效交互，实现气体吸附和新鲜度指示。在垫型应用中，气凝胶作为与食品接触的缓冲层，结合了湿度管理和机械缓冲功能
CRediT作者贡献声明
Wenyuan Zhu： 软件、资源、项目管理。Junlong Song： 资源、项目管理、方法论。Jiaqi Guo： 方法论、调查、数据分析、概念化。Donglu Fang： 可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论。Ziwen Li： 调查、资金获取。Xinxin Yan： 数据分析、概念化。Weiqing Liu： 可视化、验证。Lukuan Guo： 软件
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报告的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（32371811）的资助。作者还感谢江苏省特聘教授计划的支持。
