《International Journal of Biological Macromolecules》：Janus-architected gelatin-dialdehyde starch/zein bilayer films with strong antioxidant/UV-blocking performance and selective antibacterial activity for active food packaging
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可降解Janus双面薄膜通过明胶/玉米蛋白复合结构实现抗菌与抗氧化协同增效，紫外线阻隔率达100%，对金黄色葡萄球菌抑制效果显著，并有效保持蓝莓保鲜期8天的花青素含量和硬度。
宋祝斌|李珂|孙启森|张欣宇|陈浩|甘静
山东大学-澳大利亚国立大学联合科学学院，中国威海，264209
摘要
可生物降解包装材料的发展日益受到关注，作为石油基塑料的替代品。然而，目前的生物基包装材料采用均匀的结构设计，这限制了它们在抑制食物变质方面的有效性，食物变质受到多种因素的影响，包括微生物代谢、氧化反应和紫外线辐射。本研究利用明胶和玉米醇溶蛋白作为基底，通过逐层组装技术，并基于席夫碱反应和酶催化交联，开发了一种Janus双层可食用薄膜。这种方法实现了亲水性聚赖氨酸和疏水性姜黄素的共负载，从而使双层薄膜具有抗菌和抗氧化性能。随后，研究了明胶-二醛淀粉-聚赖氨酸/玉米醇溶蛋白-TGase-姜黄素（GDP/ZTC）薄膜的物理化学性质、紫外线抗性、抗菌活性、抗氧化活性和水果保鲜能力。实验结果表明，GDP/ZTC薄膜表现出出色的紫外线抗性，紫外线阻挡率达到100%。它还显示出显著的抗氧化活性，DPPH和ABTS自由基清除率分别为94%±0.09%和87.08%±0.85%。GDP/ZTC薄膜对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制率为65.35%±0.6%，对大肠杆菌（E. coli）的抑制率为21.53%±1.22%，显示出对革兰氏阳性菌的偏重抗菌效果。此外，GDP/ZTC薄膜在蓝莓保鲜实验中表现优异，即使在8天后也能有效保持蓝莓的外观、重量（重量损失率仅为4.45%±0.51%）和硬度（硬度降低仅为0.56 N）以及花青素含量。总体而言，这种Janus双层结构结合了出色的抗氧化/紫外线屏蔽性能和选择性的革兰氏阳性菌抗菌功能；对大肠杆菌的中等抑制效果反映了结构与功能之间的权衡，凸显了其在可持续食品包装方面的潜力。
引言
全球食品包装行业面临着一个关键困境：需要在环境可持续性和保持有效保鲜性能之间找到平衡[1]，[2]。由于石油基塑料具有优异的性能和相对较低的成本，它们被广泛用作食品包装材料，占据了超过70%的市场份额[3]，[4]。然而，传统的塑料材料依赖于不可再生资源且不可生物降解，在许多情况下无法完全回收[5]，[6]。因此，这些塑料材料的大量消耗导致了严重的生态污染，约占包装相关碳排放总量的40%[7]。作为回应，多种天然聚合物化合物，包括明胶、玉米醇溶蛋白和壳聚糖，已被用于制造具有优异生物降解性和生物相容性的生物基食品包装[8]，[9]，[10]。这些特性使它们成为传统石油基塑料的理想替代品，预计从2023年到2030年，可食用薄膜市场将以6.8%的复合年增长率（CAGR）增长[11]，[12]。然而，大多数现代生物基薄膜采用均匀的单层结构，无法充分应对食物变质的多因素性质[13]。这是由于微生物繁殖（例如金黄色葡萄球菌）、营养物质的氧化降解以及紫外线辐射的光氧化损伤之间的复杂相互作用[14]，[15]。因此，迫切需要开发结构工程化的生物基薄膜，以实现抗菌和抗氧化/紫外线防护功能的分离，同时不牺牲机械性能或屏障完整性。
一个关键的限制在于对抗这些不同变质机制所需的物理化学要求之间存在矛盾[16]，[17]。亲水性物质，如ε-聚赖氨酸，在高湿度环境中扩散迅速；然而，当它们被掺入疏水性基质中时，会遭受结构不稳定[18]，[19]，[20]。相反，疏水性物质，如姜黄素，表现出优异的抗氧化能力，但在水系中的分散性有限[21]。传统的混合策略经常导致相分离或功能性化合物效力的损失，据报道效率损失为30-50%[22]，[23]。这一悖论突显了迫切需要创新的结构设计，以在空间上解决不兼容的功能组分，同时保持材料完整性。在这种情况下，Janus和其他不对称结构在从食品包装到水和环境处理的可持续生物基应用中引起了越来越多的兴趣[24]。在可食用包装中，这一概念很有吸引力，因为面向食品的一侧和面向环境的一侧可以根据不同的湿度和氧化挑战进行定制，而无需将所有活性成分强制放入一个不相容的相中。
由于Janus结构能够在单一系统中整合对比鲜明的性质，最近在材料科学领域受到了关注[25]，[26]。在食品包装领域，这种不对称双层结构有潜力实现以下理论成果：（1）通过界面和结构设计实现活性成分的不对称分布和潜在的方向性释放，（2）通过分隔的功能层实现多功能保护，（3）通过互补的聚合物网络提高机械强度。重要的是，Janus堆叠还提供了一种实用的方法，可以将难以共处理的组分（例如可水处理的明胶和可乙醇处理的玉米醇溶蛋白）整合到单一结构中，从而保留它们各自的网络形成和生物活性。然而，许多基于蛋白质的Janus薄膜在高湿度下仍存在层间粘合力不足的问题，物理界面键合可能导致储存过程中的分层和性能下降。尽管如此，实现不涉及化学迁移的强层间粘附在技术上仍然具有挑战性。目前的方法，如简单浇铸或挤出，通常产生的分层力较低[27]。这使得它们不适合涉及潮湿的应用，特别是在食品储存或准备的情况下。
为了解决这些限制，本研究提出了一种Janus双层可食用薄膜，该薄膜结合了层特定的共价（席夫碱）和酶促（TGase）交联，以增强每个网络并在潮湿条件下提高层间粘合力。利用明胶和二醛淀粉（GD）负载的ε-聚赖氨酸（PL）之间的席夫碱反应，以及转谷氨酰胺酶（TGase）催化的玉米醇溶蛋白结合（ZT）负载的姜黄素（Cur），我们开发了一种层次结构化的明胶-二醛淀粉-聚赖氨酸/玉米醇溶蛋白-TGase-姜黄素（GDP/ZTC）薄膜。在这种设计中，亲水性抗菌剂（PL）和疏水性抗氧化剂（Cur）被空间分离到不同的层中，这些层之间通过非共价键连接，从而形成分隔的功能层和不对称的表面结构，而不是均匀的混合基质。因此，本工作重点在于利用Janus双层的结构不对称性来整合抗菌和抗氧化功能，并具有适当的机械性能和屏障性能，而不是定量表征方向性释放动力学。通过将每种活性成分分配到与其兼容的层中，这种结构减少了混合基质中常见的相分离和活性损失，并使每一侧都能根据其预期作用进行调整（食品接触侧的抗菌作用与面向环境的抗氧化/紫外线屏蔽作用）。系统评估了其物理化学性质、紫外线屏蔽效率和双重抗菌-抗氧化功能。此外，通过全面的蓝莓试验验证了所提出薄膜的实际保鲜效果，特别关注了花青素的保留和质地稳定性——这些通常是现有研究中经常被忽视的关键质量指标。总体而言，本研究提出了一种基于结构设计的方法来提高可食用薄膜的性能，并提供了一种有前景的Janus双层抗菌和抗氧化材料，用于可生物降解的食品包装。
材料
玉米醇溶蛋白购自Bide Pharmatech有限公司（中国）。明胶A型来自Sigma-Aldrich（上海，中国）。二醛淀粉由广东翁江化学试剂有限公司提供（中国）。转谷氨酰胺酶来自沧州孙森酶生物技术有限公司。姜黄素由南京杜利生物技术有限公司提供（中国）。聚赖氨酸由上海Macklin生化技术有限公司供应。甘油由天津河东宏远提供
均匀混合对照薄膜尝试（Blend-GDP/ZTC）
作为直接对照，以评估Janus结构的必要性，我们尝试按照补充材料中描述的程序制备了一种包含ε-聚赖氨酸和姜黄素的均匀混合薄膜（Blend-GDP/ZTC）。然而，当将水相明胶/二醛淀粉与乙醇相玉米醇溶蛋白结合时，在相同的活性负载和浇铸/干燥条件下，干燥后的浇铸层变得脆弱
结论
总结来说，我们利用逐层（LBL）浇铸方法成功制备了GDP/ZTC Janus双层薄膜，实现了亲水性聚赖氨酸和疏水性姜黄素的共负载。明胶和玉米醇溶蛋白之间的非共价相互作用被用来形成双层薄膜，显著提高了它们的机械性能、屏障特性和紫外线抗性。此外，加入ε-聚赖氨酸和姜黄素增强了抗氧化活性
CRediT作者贡献声明
宋祝斌：撰写——原始草稿、验证、方法学、正式分析。李珂：撰写——原始草稿、方法学、研究、概念化。孙启森：可视化、软件、正式分析。张欣宇：撰写——审阅与编辑、可视化、数据管理。陈浩：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。甘静：可视化、监督、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们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
本工作得到了国家自然科学基金（编号：32102129）、教育部合成与生物胶体重点实验室、江南大学（编号：1042050205243170/006）、云南精准营养与个性化食品制造重点实验室开放项目（编号：YNJZKF2024A01）、云南省-城市一体化项目（编号：202302AN360002）、农产品加工与储存重点实验室等机构的财政支持
