《Food Research International》：Novel nanocomposite films co-embedded with bioactive compounds: Synergistic barrier, antioxidant, controlled-release properties and application on food packaging
编辑推荐：
可持续包装纳米复合薄膜双递送系统机械性能提升抗氧化活性|
杨婷婷|吴振然|张新明|夏光华|李东泽|陈瑞|李树怀|张黎明|王佳梅|王雅琴|佩尔·厄特比约
中国南海水生资源高效利用工程研究中心，海口市海鲜加工重点实验室，海南省食品营养与功能性食品重点实验室，海南大学食品科学与工程学院，海口市，海南570228
摘要
随着消费者和环境问题日益受到关注，对安全、可食用且可持续的食品包装的需求也在增加。本研究采用了一种可持续的、环境友好的自组装工艺，利用可再生生物聚合物和天然化合物，避免了传统塑料生产过程中产生的高能耗和有毒副产品。首次报道了一种通过玉米醇溶蛋白和酪蛋白钠的新型组合制备的姜黄素和白藜芦醇共负载纳米颗粒（ZCRC NPs），并将其嵌入明胶基质中，制备出一种多功能复合薄膜。综合表征证实，ZCRC NPs具有均匀的球形形态，并且对姜黄素（83.41%）和白藜芦醇（86.63%）的包封效果优异。与传统单一化合物包封系统相比，这种双组分递送方法实现了两种生物活性成分的协同抗氧化作用和持续释放。所得G-NPs薄膜的机械性能显著提高，拉伸强度、断裂伸长率和杨氏模量分别提高了271%、105%和120%，同时具有优异的阻氧和阻水性能。该复合薄膜还表现出优异的紫外线阻隔能力和一级动力学下的持续释放行为，在DPPH和ABTS检测中显示出显著的抗氧化活性。扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析表明，纳米颗粒与明胶基质之间的氢键、静电相互作用和疏水力共同促进了薄膜性能的提升。当应用于冷藏罗非鱼片时，G-NPs薄膜有效抑制了脂质氧化和蛋白质降解，使保质期延长至8天，远优于以往报道的明胶基薄膜。相关性分析进一步证明了薄膜性能与保鲜效果之间的显著关系。本研究提供了一种创新的、环保的包装材料，具有显著的水产品保鲜潜力，通过其独特的双生物活性纳米颗粒递送机制和增强的物理化学性能，为传统塑料包装提供了可行的替代方案。
引言
随着可持续发展的日益重要，开发安全、可食用且环保的食品包装对于保持食品质量至关重要（Ibeogu等人，2023年）。传统的合成聚合物基材料面临降解时间长、微塑料污染以及功能不足等问题，限制了它们满足现代保鲜要求的能力（Bu等人，2023年；Palanisamy等人，2024年）。传统塑料包装的碳足迹很大，其生产依赖于化石燃料，处置过程通过焚烧或在垃圾填埋场缓慢降解导致温室气体排放（Zou等人，2024年）。相比之下，来自可再生资源的生物聚合物基薄膜提供了一种低碳替代品，整个生命周期的环境负担较低（Ghanbarzadeh等人，2025年）。另一方面，由多糖、蛋白质和脂质等生物聚合物制成的可食用薄膜因其可生物降解性、良好的阻隔性能和较低的碳足迹而受到越来越多的关注（Liu等人，2022年；Yin等人，2023年）。
在天然聚合物中，明胶因其生物相容性、成膜能力和可生物降解性而成为一种有前景的基质（Wei等人，2024年）。然而，纯明胶薄膜的机械强度低、亲水性高且功能有限，限制了其实际应用（Chen等人，2024年）。为了解决这些问题，人们探索了纳米复合技术、混合和交联等策略（Kowalczyk等人，2020年；Kowalczyk等人，2021年）。值得注意的是，基于纳米颗粒的改性策略可以在不损害环境可持续性的前提下提高薄膜性能，因为这些方法通常需要较低的能耗并且避免了有毒化学交联剂的使用（Yang、Li、Yu等人，2025年）。正如Jacob等人（2024年）所综述的，纳米结构材料，特别是那些来自生物聚合物的材料，为工程化食品包装的阻隔、机械和功能性能提供了前所未有的机会，超越了传统材料的能力。特别是纳米复合方法利用纳米颗粒的独特效应来提升薄膜性能，尽管通过协同成分整合多种功能仍然具有挑战性（Vieira等人，2022年）。
姜黄素是一种天然疏水性多酚化合物，由于其显著的抗氧化、抗癌和抗菌特性，在功能性食品包装领域成为非常有前景的活性成分（Ranade等人，2025年；Roy等人，2021年）。同样，白藜芦醇是一种来自葡萄等植物的非黄酮类多酚化合物，具有优异的抗氧化能力，使其成为开发功能性食品包装薄膜的有希望的候选材料（Song、Zang等人，2024年）。然而，它们的水溶性差、光敏感性和热不稳定性限制了其实际应用（Zhou等人，2025年）。Elmowafy等人（2023年）指出，溶解度低、生物利用度低和不稳定是天然生物活性剂的主要限制，提出使用聚合物纳米颗粒通过增强包封和控释来解决这些问题。使用姜黄素和白藜芦醇等植物来源的生物活性化合物符合绿色化学原则，因为它们是可再生的、可生物降解的且无毒的，有助于最终包装材料的整体环境可持续性（Zhang、Song等人，2024年）。在本研究中，我们设计了一种玉米醇溶蛋白-硫酸软骨素（CS）纳米载体，通过分子自组装共同包封这些疏水性活性成分。该系统通过静电相互作用提高了化合物的稳定性，并促进了其在明胶基质中的均匀分散。虽然姜黄素和白藜芦醇的协同生物活性已被知晓，但将其嵌入功能性可食用薄膜的合适共包封策略仍需进一步探索。
因此，我们开发了一种由玉米醇溶蛋白-姜黄素-白藜芦醇-硫酸软骨素纳米颗粒（ZCRC NPs）组成的纳米复合系统，以提升明胶薄膜的性能。我们假设ZCRC NPs将显著提高薄膜的机械强度、疏水性和抗氧化活性以及控释行为。对复合薄膜进行了全面评估，涵盖了机械性能、阻隔性能、微观结构、光学性能、热性能以及抗氧化性能、释放动力学和食品保鲜效果。通过使用可再生生物聚合物、天然生物活性化合物和绿色制备方法，本研究为开发低碳、环境可持续的食品包装解决方案做出了贡献。这项工作为新型多功能可食用包装提供了理论基础，并为相关技术创新提供了参考范例。
材料
新鲜罗非鱼片（1×1×1厘米，3克）来自本地采购的鱼类。食品级明胶和硫酸软骨素（CS，15 kDa，纯度>98%）由豫源生物技术公司（上海）提供。玉米醇溶蛋白（纯度>95%）和姜黄素（纯度>99.5%）来自Macklin生化公司（上海）。乙醇、甘油、白藜芦醇（纯度>99%）和LB培养基来自Aladdin生化公司（上海）。
纳米颗粒的制备与表征
采用了Zhang等人（2023年）报道的纳米颗粒制备方法，并进行了轻微修改。
ZCRC纳米颗粒的表征
对ZCRC纳米颗粒进行了胶体稳定性、表面电荷、形态、包封效率和分子相互作用的表征。如图1A所示，纳米颗粒的平均动态直径为190.10纳米，PDI为0.22，表明尺寸分布均匀。ζ电位为-31.6 mV，表明表面带有强负电荷，这归因于玉米醇溶蛋白的脱质子化羧基、硫酸软骨素的硫酸基团以及姜黄素的羟基/羰基
结论
本研究成功制备了一种用ZCRC纳米颗粒功能化的明胶基活性包装薄膜，该薄膜表现出显著提升的物理化学性能和保鲜效果。G-NPs-4%复合薄膜具有最佳的结构均匀性和成分相容性，这是通过协同的氢键、静电吸引和疏水相互作用实现的。这些分子间作用有助于提高热稳定性和结晶性
作者贡献声明
杨婷婷：撰写——原始草稿、方法学、实验研究。吴振然：方法学、实验研究。张新明：正式分析。夏光华：验证、方法学。李东泽：实验研究。陈瑞：数据管理。李树怀：资源获取、方法学。张黎明：撰写——审稿与编辑、资金争取。王佳梅：监督、项目管理。王雅琴：软件支持。佩尔·厄特比约：撰写——审稿与编辑。
未引用的参考文献
用于活性包装的抗氧化剂掺杂生物聚合物复合材料，2026年
Huang, Zhang, Quan 和 Zheng, 2020
Tagrida, Nilsuwan, Gulzar, Prodpran 和 Benjakul, 2022
Zhang 等人，2025
Zhao 等人，2021
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工作。
致谢
本工作得到了海南省国际科技合作与研发项目（GHYF2025009）、海南省热带果蔬质量安全重点实验室及亚热带果蔬质量安全控制重点实验室开放基金、农业农村部（KFKT2025002）、国家自然科学基金（32060568）和海南开放基金的财政支持
