《Synthetic and Systems Biotechnology》：Fabrication of levan derived from
Priestia koreensis HL12 into polyvinyl alcohol and gelatin based composite film for food packaging
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面对日益增长的食品安全和可持续发展需求，开发新型生物可降解包装材料至关重要。本文献首次报道了将韩国类芽孢杆菌（Priestia koreensis）HL12产生的果聚糖（levan）整合到聚乙烯醇（PVA）/明胶（GE）复合膜中。研究表明，添加20 wt%的果聚糖显著增强了复合膜的断裂伸长率（达166%）、热稳定性并降低了溶胀指数，为解决传统包装材料的环境问题和性能局限提供了有前景的绿色解决方案。
在全球对食品安全和可持续性需求日益增长的大背景下，传统塑料包装引发的环境问题日益凸显。可食性包装膜以其生物可降解性、安全性及潜在的营养益处，成为极具吸引力的替代方案。然而，目前广泛研究的可食性膜材料，如聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）和明胶（Gelatin, GE），在单独使用时存在各自的性能短板。PVA虽具有良好的成膜性和力学强度，但对水高度敏感，耐水性差。明胶则因其生物相容性和成膜能力备受关注，但其力学强度低、不耐热的缺点也限制了其应用。将两者复合虽能取长补短，但其应用仍受限于有限的抗菌活性、脆性及加工挑战。为了突破这些瓶颈，研究人员将目光投向了来源于微生物的天然多糖——果聚糖。果聚糖（levan）是一种主要由果糖单元通过β-(2→6)糖苷键连接而成的多糖，具有良好的溶解性、力学性能、粘附性和热稳定性，其独特的分子结构、高生物相容性及内在的生物活性，使其成为生物聚合物基材料中有吸引力的添加剂。本研究正是基于此背景，首次探索利用一种新型高效的果聚糖生产菌——韩国类芽孢杆菌（Priestia koreensis）HL12所产的果聚糖，来增强PVA/GE复合膜的性能，旨在开发一种性能优异的可食性食品包装材料。
本研究主要采用了以下关键技术方法：利用韩国类芽孢杆菌HL12生物转化蔗糖生产果聚糖，并通过溶剂浇铸法制备不同果聚糖含量（0-50 wt%）的PVA/GE/果聚糖复合膜，使用京尼平（genipin）作为交联剂。对所得复合膜进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）形貌观察、力学性能测试（拉伸强度与断裂伸长率）、接触角测量，以及溶胀行为、含水量和水溶性等一系列理化性质的表征。
3.1. 基于果聚糖、聚乙烯醇和明胶的水凝胶复合材料的开发
研究首先证实了HL12菌株合成的果聚糖与市售提摩西草来源的果聚糖具有高度相似的FTIR特征峰，表明其功能基团一致。随后，将合成的果聚糖用于制备PVA/GE复合膜。随着果聚糖含量的增加，复合膜的颜色从蓝色逐渐过渡为紫色，这归因于交联剂京尼平与明胶中氨基的反应，以及果聚糖的加入对京尼平衍生发色团结构的环境修饰。所有复合膜表面光滑，厚度均匀（约0.147–0.162 mm）。
3.2. 来源于P. koreensisHL12的果聚糖在聚乙烯醇和明胶基复合材料中的理化性质**
FTIR分析 表明，复合膜中出现了羟基、酰胺I、酰胺II和酰胺III等特征峰，证明了果聚糖成功整合到PVA/GE基质中，并存在组分间的相互作用。
热分解行为 显示，所有复合膜的热分解过程分为三个阶段。与不含果聚糖的PVA/GE膜相比，加入果聚糖使主要分解温度从321°C移至314°C，表明果聚糖的加入影响了复合材料的热降解行为。
形态学性质 的SEM图像显示，所有复合膜表面均光滑，果聚糖与PVA/GE基质间无裂纹，表明果聚糖被成功地化学交联在水凝胶网络中，各组分相容性良好。
力学性能 测试结果表明，果聚糖的加入对复合膜的拉伸强度（TS）影响不显著，均保持在约8 MPa左右。然而，对断裂伸长率（EL）有显著影响。当果聚糖含量为20 wt%时，复合膜表现出最高的断裂伸长率，达到166%，显著高于不含果聚糖的对照组（98.5%）。这表明适量果聚糖起到了增塑剂的作用，提高了膜的延展性和柔韧性。
理化性质 评估包括接触角、溶胀指数、含水量和水溶性。所有复合膜的接触角在53°至64°之间，表明表面是亲水性的。随着果聚糖含量的增加，复合膜的含水量和水溶性均有所增加，这与其亲水特性一致。值得注意的是，当果聚糖含量为20 wt%时，复合膜的溶胀指数最低（67.76%），表明其水吸收能力降低，结构完整性得到改善。
综上所述，本研究成功利用Priestia koreensisHL12生物合成果聚糖，并将其首次整合到京尼平交联的PVA/GE复合膜中。系统的表征表明，果聚糖的加入有效改善了复合膜的性能。在所有配方中，含有20 wt%果聚糖的PVA/GE/20%LV复合膜表现出最佳的综合性能：它具有最高的断裂伸长率（166%），显著提高了膜的柔韧性和延展性；其热分解行为虽稍有变化，但仍保持良好的热稳定性；同时，该配方的溶胀指数最低，表明其抗水溶胀能力增强。尽管果聚糖的加入增加了膜的亲水性和水溶性，并未改善其疏水性，但综合考虑力学性能和溶胀行为，20 wt%的果聚糖添加量被认为在增强聚合物链移动性和维持网络结构完整性之间达到了最佳平衡。因此，PVA/GE/20%LV复合膜被确定为最适合用于可食性食品包装应用的配方。这项工作不仅为开发可持续、高性能的可食性包装材料提供了新思路，也凸显了微生物来源的果聚糖作为一种功能性生物聚合物在食品包装领域的巨大应用潜力。该研究成果已发表于《Synthetic and Systems Biotechnology》。
