《Sustainable Chemistry》：Trade-Offs Between Antioxidant Functionality and Physical Properties of Glycerol-Plasticized Chitosan Nanocomposite Films Containing Different-Sized Lignin Nanoparticles
Suteera Witayakran,
Demi T. Djajadi,
Helle J. Martens,
Jens Risbo,
Mogens L. Andersen and
Lisbeth G. Thygesen
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本研究系统探讨了在甘油增塑壳聚糖（pCS）膜中添加不同尺寸（约70、125、170 nm）和负载量（1%、3%、5%）木质素纳米颗粒（LNPs）对薄膜性能的综合影响。研究发现，LNPs的加入显著提升了薄膜的紫外（UV）屏障性能、可见光不透明度（opacity）和抗氧化活性，但增加了薄膜的刚度和脆性。研究揭示了薄膜性能间的权衡关系：更小尺寸的LNPs（LNP1）实现了更均匀的分布，从而赋予薄膜更高的刚度、拉伸强度（tensile strength）和较低的不透明度；而中等尺寸的LNPs（LNP2）表现出更高的抗氧化活性，这与木质素衍生酚类物质（lignin-derived phenolic substances）的迁移速率相关。这为开发功能性、生物基的食品活性包装材料提供了重要的参数优化依据。
1. 引言
生物基包装材料，例如壳聚糖（CS），凭借其可再生和可生物降解的特性，为替代石油基塑料提供了可持续的选项。壳聚糖是一种源自几丁质的线性多糖，具有良好的成膜性、抗菌活性、无毒性和生物相容性。然而，纯壳聚糖膜通常较脆，常需加入甘油作为增塑剂以破坏氢键、增加链流动性。为了进一步提升功能性，如紫外屏障、抗氧化活性、机械强度等，常添加各类填料。其中，木质素纳米颗粒（LNPs）作为一种可生物降解的添加剂，在增强包装材料的抗氧化、抗菌、紫外屏障及机械性能方面展现出潜力。LNPs的尺寸是影响复合材料性能的关键因素，但此前关于LNPs尺寸分布对壳聚糖膜性能的特定影响研究仍不充分。本研究旨在系统探究三种不同尺寸的LNPs，在不同负载量下，对完全生物基的甘油增塑壳聚糖纳米复合膜（pCS-LNP）性能的影响，重点关注其机械、物理、光学、化学特性与抗氧化活性之间的关系。
2. 材料与方法
2.1. 材料
使用高分子量壳聚糖。以苏打木质素（Protobind 1000）为原料，通过三种略有修改的丙酮-水溶剂交换法制备了三种不同尺寸的LNPs（LNP1, LNP2, LNP3）。
2.2. LNP与薄膜制备与表征
通过动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）对LNPs的流体力学直径、粒径分布和形貌进行了表征。薄膜采用溶剂浇铸法制备，分为纯CS膜、甘油增塑CS膜（pCS，作为对照）以及添加了不同尺寸和负载量LNPs的pCS-LNP膜。薄膜的厚度、机械性能（杨氏模量、拉伸强度、断裂伸长率）、光学性能（不透明度、紫外-可见光谱）、抗氧化活性（DPPH自由基清除试验、电子自旋共振（ESR）光谱）、水分含量、水溶性、溶胀度以及微观结构（扫描电子显微镜SEM、共聚焦激光扫描显微镜CLSM）均被详细表征。
3. 结果
3.1. LNP表征
成功制备了三种尺寸的LNPs，其尺寸趋势为LNP1（约70 nm）< LNP2（约125 nm）< LNP3（约170 nm）。TEM图像显示LNPs并非完美的球形，且存在一定的团聚现象。
3.2. 薄膜的物理与机械性能
3.2.1. LNP在薄膜中的分布
所有pCS-LNP薄膜的厚度均约为50 μm。SEM显示，添加LNPs增加了薄膜空气面的表面粗糙度，且较大的LNPs团聚倾向更高，导致表面更粗糙。CLSM成像清晰地揭示了LNPs在薄膜横截面中的分布：最小的LNP1在膜基质中分布最为均匀；而较大的LNP2和LNP3则更倾向于聚集在薄膜的上半部分，靠近空气面。
3.2.2. 水分关系
与纯CS膜相比，pCS膜由于甘油的亲水性，具有更高的水分含量（20.4%）。添加LNPs并未显著改变薄膜的含水量和水溶性，但显著降低了薄膜的水溶胀度，这归因于LNPs的疏水性以及LNPs与壳聚糖链之间的相互作用。
3.2.3. 机械性能
添加LNPs，特别是最小的LNP1，增加了薄膜的刚度（更高的杨氏模量），但对拉伸强度的提升有限，甚至添加较大LNPs时会降低拉伸强度。这归因于较小LNPs在基质中更均匀的分布和更好的界面结合。此外，LNPs的加入显著降低了薄膜的断裂伸长率，使其变得更脆，这可能源于壳聚糖与LNPs酚羟基之间的化学相互作用，减少了聚合物网络中的自由体积。
3.3. 薄膜的不透明度与紫外屏障性能
添加LNPs显著增加了薄膜在可见光区域的不透明度，且不透明度随LNP负载量的增加而增加。在相同负载量下，含有最小LNP1的薄膜不透明度最低。在紫外屏障性能方面，所有pCS-LNP薄膜在UV-C（200-280 nm）和UV-B（280-320 nm）区域均表现出优异的阻隔性能，紫外光透过率低于2%，且性能随LNP负载量增加而增强。然而，LNP尺寸对紫外屏障性能没有显著影响。
3.4. 薄膜的抗氧化活性
3.4.1. DPPH自由基清除活性
所有pCS-LNP薄膜均显示出比pCS对照膜高得多的自由基清除活性（RSA），且RSA随LNP负载量增加而增加。然而，抗氧化活性与LNP尺寸呈现复杂关系。反应30分钟后，不同尺寸LNPs在1%负载下RSA相似；但在更高负载下（3%和5%），含有中等尺寸LNP2的薄膜表现出最高的最终RSA，高于LNP1和LNP3。尽管LNP1颗粒最小、比表面积最大，其抗氧化活性反而不是最高。
3.4.2. 释放的木质素衍生物质
通过测量薄膜在乙醇中浸泡后溶液在285 nm处的吸光度（指示酚类物质），发现从薄膜中迁移出的木质素衍生物质随时间的增加而增加。其中，含有最大LNP3的薄膜释放量最高，而含有最小LNP1的薄膜释放量最低。这表明抗氧化活性与酚类物质从薄膜中的迁移速率相关。LNP1由于其均匀分布和更好的包埋，释放更慢，这解释了其在DPPH长期测试中RSA较低的原因。
3.4.3. ESR光谱评估的自由基清除活性
ESR检测显示，pCS-LNP薄膜中含有源自LNPs酚类自由基的固有信号。pCS-LNP2-5薄膜具有最高的自由基含量。基于ESR测定的RSA值与DPPH分光光度法在30分钟时的结果有合理相关性。此外，测定显示，在薄膜与DPPH溶液接触30分钟后，溶液中消耗的DPPH自由基数量是薄膜内部损失的自由基数量的2-3倍。
4. 讨论：薄膜性能与抗氧化活性的视角
研究结果表明，在pCS薄膜中添加LNPs会导致性能上的权衡。较小的LNPs（LNP1）能提供更高的刚度、拉伸强度、更好的紫外屏障和相对较低的不透明度。然而，其抗氧化活性（基于物质迁移）并非最高。中等尺寸的LNPs（LNP2）能释放更多的酚类物质，表现出最高的抗氧化活性。因此，在开发此类功能性包装薄膜时，需要根据具体的应用需求（例如，更强调机械强度还是抗氧化活性）在LNP尺寸和负载量之间做出权衡和妥协。
5. 结论
向甘油增塑壳聚糖薄膜中添加木质素纳米颗粒，赋予了纳米复合薄膜更高的紫外屏蔽性能，但也使其更硬、更脆，并对不透明度产生负面影响。这些效应与LNP的添加量相关。较小的LNPs对不透明度影响较小，同时提供了测试尺寸中最佳的紫外防护，并形成了刚度更高、强度更大的薄膜。较大的LNPs导致薄膜内分布更不均匀，表面更粗糙。薄膜的自由基清除活性与酚类木质素衍生物质从薄膜中的迁移相关，这取决于LNPs在薄膜内的尺寸和分布。含有中等尺寸LNPs的薄膜释放出最多的酚类物质，并表现出最高的抗氧化活性，这凸显了所测性能之间存在的权衡关系。
