综述：生物聚合物食品包装薄膜中的Schiff碱交联作用：实现先进食品保鲜系统的动态共价化学技术

《Current Research in Food Science》：Schiff Base Crosslinking in Biopolymeric Food Packaging Films: Dynamic Covalent Chemistry for Advanced Food Preservation Systems

本文系统综述了Schiff base反应（SBR）在生物聚合物薄膜（BFPFs）中的应用，探讨其通过动态共价键增强机械强度、气体/水分阻隔性及刺激响应功能。研究聚焦多糖（壳聚糖、纤维素等）和蛋白质（明胶、大豆蛋白等）与醛类化合物（如DAPs、植物醛）的SBR交联机制，揭示其改善薄膜抗氧化、抗菌及智能响应性能的机理。案例分析显示，SBR可延长果蔬、肉类及乳制品的保鲜期，但存在 Scalability、安全性验证不足及成本效益待优化等挑战，提出需多学科协同解决技术瓶颈，推动工业转化。

　　生物聚合物薄膜（BFs）作为一种可持续的包装材料，为食品包装领域提供了环保且高效的解决方案。然而，现有的生物聚合物薄膜在机械强度、湿度控制以及气体阻隔性能方面仍存在一定的局限性。本文系统性地探讨了通过席夫碱反应（SBRs）实现动态共价化学的策略，旨在提升生物聚合物薄膜的综合性能，使其能够更广泛地应用于食品包装。席夫碱反应通过将富含氨基的生物聚合物（如壳聚糖、明胶）与醛类物质（如二醛多糖、植物醛）进行交联，能够有效改善薄膜的稳定性、阻隔性能以及对环境刺激的响应能力。植物醛类物质不仅作为交联剂，还兼具抗菌功能，从而实现pH响应性释放，用于抑制食品腐败。随着食品包装技术的发展，多项研究表明，基于多糖/蛋白质的生物聚合物薄膜在水果、蔬菜和肉类的保鲜中表现出良好的效果。然而，目前尚缺乏对席夫碱功能化生物聚合物薄膜（SB-FPFs）研究进展的系统性总结。

### 1. 引言

在现代社会，消费者对安全、营养的食品需求日益增长，这对食品质量和安全提出了更高的要求。食品包装在维持食品品质和安全性方面发挥着至关重要的作用。然而，目前大部分食品包装材料仍依赖于合成塑料，这些材料虽然在运输和储存过程中能有效保护食品，但其不可降解的特性对环境和人体健康构成潜在威胁。因此，寻找替代传统塑料的包装材料成为当前研究的热点。近年来，食品包装领域逐渐转向利用天然生物聚合物制造可降解的包装薄膜（FPFs），这类材料不仅具有良好的环境友好性，还具备可回收性和可再利用性。

生物聚合物薄膜具有非毒性、可生物降解、生物相容性良好等优势，因此在食品包装中受到广泛关注。然而，这些薄膜在机械性能、水敏感性和阻隔性能方面仍难以满足实际应用需求。为解决这些问题，研究者探索了多种改性策略，包括聚合物共混、交联剂（CLAs）的使用、纳米颗粒的添加以及生物聚合物的改性。其中，席夫碱反应作为一种温和且快速的化学反应方式，已被证明在提升生物聚合物薄膜性能方面具有巨大潜力。

### 2. 席夫碱反应在食品包装薄膜中的应用

席夫碱反应最早由德国化学家Hugo Schiff于1864年提出，该反应涉及含有醛（或酮）基团和氨基的化合物，生成席夫碱基团（-C=N-）。这种反应具有温和的反应条件和较高的反应速率，使其在食品包装材料的制备中具有显著优势。近年来，席夫碱反应在生物化学和生物医学领域受到关注，因为它能够形成动态共价键，具有良好的可逆性和响应性。这种特性使得席夫碱反应成为开发智能包装和活性包装的重要手段。

在食品包装薄膜中，席夫碱反应主要通过将富含氨基的生物聚合物（如壳聚糖、明胶）与醛类交联剂（如二醛多糖、植物醛）结合，形成稳定的交联网络。这种网络不仅提高了薄膜的机械性能和阻隔性能，还能够实现对环境刺激（如pH、温度、水分含量）的响应，从而释放抗菌剂或抗氧化剂，延长食品的保质期。此外，席夫碱反应形成的网络结构具有良好的生物相容性，且在某些情况下还能增强薄膜的抗菌活性。

#### 2.1 壳聚糖基席夫碱反应在包装薄膜中的应用

壳聚糖（CS）是一种由甲壳类动物外壳提取而来的天然多糖，其主要由葡萄糖胺和N-乙酰葡萄糖胺组成。CS具有非毒性、可生物降解、抗菌性、水分保持能力以及良好的成膜性等优点，因此成为席夫碱反应的理想底物。通过将CS的氨基与醛类物质反应，可以形成席夫碱键（SB-bond），从而提升薄膜的稳定性、抗菌活性和pH响应性。

在某些研究中，研究人员通过将CAD（肉桂醛）与CS结合，形成具有pH响应性的席夫碱键，从而实现抗菌剂的控制释放。这种反应在酸性条件下尤为有效，因为酸性环境可以促使席夫碱键的水解，释放出CAD，进而抑制微生物的生长。在一项实验中，通过席夫碱反应制备的CS/CAD复合薄膜在冷藏条件下能够有效防止面包切片的霉菌生长，延长其保质期。

此外，CS与二醛多糖（如二醛淀粉、二醛纤维素）的席夫碱反应已被用于改善薄膜的机械性能和阻隔能力。例如，CS/二醛淀粉（DAS）复合薄膜在冷藏条件下能够有效延长蓝莓的保质期，同时减少水分和氧气的渗透。这表明，席夫碱反应不仅可以增强薄膜的物理性能，还能提升其在食品包装中的功能性。

#### 2.2 明胶基席夫碱反应在包装薄膜中的应用

明胶（GE）是一种来源于胶原蛋白的蛋白质，具有良好的成膜性和抗菌活性。然而，纯明胶薄膜在机械性能和水分阻隔性方面存在不足。因此，研究者尝试通过席夫碱反应来改善这些性能。例如，GE与二醛多糖（如二醛淀粉、二醛纤维素）的席夫碱反应能够形成稳定的交联网络，从而提升薄膜的机械强度和水分阻隔性。

在另一项研究中，GE与二醛淀粉的席夫碱反应被用于开发具有pH响应性的抗菌薄膜。这种薄膜在酸性条件下能够释放出抗菌物质，从而抑制食品中的微生物生长。此外，GE与二醛多糖结合后，其抗菌活性显著增强，同时还能提高薄膜的抗氧化性能。

#### 2.3 其他多糖基席夫碱反应在包装薄膜中的应用

除了壳聚糖和明胶，其他多糖如纤维素、果胶、卡拉胶、淀粉等也被用于席夫碱反应，以形成具有抗菌、抗氧化等特性的包装薄膜。例如，通过将果胶与二醛β-环糊精（DA-β-CD）结合，研究人员成功开发出具有pH响应性的智能包装材料。这种材料在酸性条件下能够释放出抗菌物质，从而延长食品的保质期。

此外，一些研究还探讨了不同多糖来源对席夫碱反应的影响。例如，来自不同来源的明胶（如鱼皮、猪皮、牛皮）在席夫碱反应中的表现存在差异，这可能影响最终薄膜的性能。因此，未来的研究需要进一步分析不同来源的明胶对席夫碱反应效率和薄膜性能的影响。

### 3. 席夫碱反应对生物聚合物薄膜性能的影响

#### 3.1 多糖基生物聚合物薄膜

多糖基生物聚合物薄膜在食品包装中表现出良好的性能，包括非毒性、生物相容性、可生物降解性以及食品级安全性。然而，这些薄膜在机械性能、水分阻隔性和气体阻隔性方面仍有待提升。席夫碱反应作为一种有效的交联手段，能够显著改善这些性能。

在一项研究中，壳聚糖与二醛多糖（如二醛纤维素、二醛淀粉）的席夫碱反应被用于增强薄膜的机械性能和水分阻隔性。例如，CS/二醛纤维素（DAC）复合薄膜在冷藏条件下能够有效延长蔬菜的保质期，同时减少水分和氧气的渗透。这表明，席夫碱反应不仅能够提升薄膜的物理性能，还能增强其在食品包装中的功能性。

此外，席夫碱反应还能改善薄膜的光阻隔性能。例如，通过将壳聚糖与二醛多糖结合，研究人员成功开发出具有强UV阻隔能力的复合薄膜。这种薄膜能够有效防止紫外线对食品的损害，从而延长其保质期。

#### 3.2 蛋白质基生物聚合物薄膜

蛋白质基生物聚合物薄膜在食品包装中也表现出良好的性能，包括良好的成膜性、优异的气体阻隔性和丰富的营养成分。然而，这些薄膜在机械性能和水分阻隔性方面仍有待改进。席夫碱反应作为一种有效的交联手段，能够显著提升这些性能。

在一项研究中，明胶与二醛多糖（如二醛淀粉、二醛纤维素）的席夫碱反应被用于改善薄膜的机械性能和水分阻隔性。例如，GE/二醛淀粉（DAS）复合薄膜在冷藏条件下能够有效延长水果的保质期，同时减少水分和氧气的渗透。这表明，席夫碱反应不仅能够提升薄膜的物理性能，还能增强其在食品包装中的功能性。

此外，席夫碱反应还能改善蛋白质基薄膜的抗菌性能。例如，通过将明胶与二醛多糖结合，研究人员成功开发出具有强抗菌活性的复合薄膜。这种薄膜能够有效抑制食品中的微生物生长，从而延长其保质期。

### 4. 席夫碱反应功能化包装薄膜在食品保鲜中的应用

席夫碱反应功能化包装薄膜在食品保鲜中表现出显著的优势。这些薄膜不仅能够提升机械性能和阻隔性能，还能实现对环境刺激的响应，从而释放抗菌剂或抗氧化剂，延长食品的保质期。例如，通过将壳聚糖与植物醛（如肉桂醛、香草醛）结合，研究人员成功开发出具有pH响应性的抗菌薄膜。这种薄膜在酸性条件下能够释放出抗菌物质，从而抑制食品中的微生物生长。

此外，席夫碱反应还能改善食品的感官特性。例如，通过将明胶与二醛多糖结合，研究人员成功开发出具有pH响应性的智能包装材料。这种材料能够通过颜色变化来指示食品的新鲜度，从而帮助消费者判断食品是否仍然安全食用。

在另一项研究中，研究人员通过将壳聚糖与肉桂醛结合，开发出一种能够延长水果保质期的智能包装材料。这种材料在冷藏条件下能够有效抑制水果的腐败，同时减少水分和氧气的渗透。这表明，席夫碱反应功能化包装薄膜在食品保鲜中具有广阔的应用前景。

### 5. 结论与展望

综上所述，席夫碱反应作为一种动态共价化学手段，能够显著提升生物聚合物薄膜的性能，使其在食品包装中具有广泛的应用前景。然而，当前研究仍存在一些局限性，如生物聚合物种类的局限性、工业化生产的可行性、成本控制以及安全性评估等方面。未来的研究需要进一步探索其他生物聚合物（如淀粉、纤维素、蛋白质）在席夫碱反应中的应用，同时优化反应条件以提高薄膜的性能和稳定性。此外，还需要开发更高效的工业化生产方法，以实现席夫碱反应功能化薄膜的大规模生产。最后，安全性评估需要更加全面，包括长期毒理学测试、迁移性分析以及环境影响评估，以确保这些材料在食品包装中的安全性和可持续性。