基于魔芋粉与双醛淀粉接枝共聚的AA/H2O2氧化还原体系构建及其在生物基食品保鲜膜中的应用研究

为解决石油基包装材料导致的白色污染问题，本研究通过AA/H2O2氧化还原体系促进魔芋粉(KF)与双醛淀粉(DAS)接枝共聚，开发出高性能生物基薄膜。结果表明当DAS添加量为25%时，薄膜综合性能最优：拉伸强度达33.08 MPa，水接触角87.17°，香蕉7天失重率仅15.67%，生物降解率93.16%。该研究为绿色食品包装材料开发提供了新策略。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，开发可替代石油基材料的环境友好型包装成为当务之急。传统塑料包装难以降解且回收利用率低，对生态环境和人类健康构成严重威胁。在此背景下，利用可再生生物资源制备生物基薄膜被视为解决白色污染的有效途径。魔芋粉(Konjac Flour, KF)作为一种天然多糖原料，不仅具备良好的成膜性，还含有纤维素、蛋白质等辅助成分，可直接作为成膜基质使用，避免传统魔芋葡甘聚糖(Konjac Glucomannan, KGM)提取过程中的能耗问题。然而，纯生物材料制备的薄膜往往存在耐水性差、机械强度低等缺陷，需要通过物理或化学改性提升性能。

为此，研究人员创新性地采用抗坏血酸/过氧化氢(Ascorbic Acid/Hydrogen Peroxide, AA/H₂O₂)氧化还原体系引发魔芋粉与双醛淀粉(Dialdehyde Starch, DAS)的接枝共聚反应。DAS作为一种安全无毒的醛类化合物，其分子链上富含活性醛基，可与KF中的氨基、羟基等基团发生希夫碱反应、醛醇缩合等化学反应形成交联网络。这种绿色改性方法不仅反应彻底、无污染副产物，还能显著提升薄膜的生物降解性。

本研究通过系统调控DAS添加比例（0-45%），制备了一系列生物基薄膜，并对其理化特性、结构特征及应用性能进行了全面表征。主要采用的技术方法包括：傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析化学结构变化，X射线衍射(XRD)测定结晶特性，扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌，热重分析(TGA)评估热稳定性，力学性能测试仪测定拉伸强度(TS)、弹性模量(EM)和断裂伸长率(EAB)，水接触角测量仪分析表面润湿性，并通过土壤埋藏实验评价生物降解性能，最后以香蕉为保鲜对象验证实际应用效果。

3.1 物理性能

研究显示所有薄膜均呈现无色透明状，但DAS含量显著影响薄膜厚度、含水量和透明度。当DAS添加量为25%时，薄膜厚度最小（0.12 mm），含水量最低（10.2%），透明度最优。这表明适当的化学交联可减少自由亲水基团，优化薄膜结构稳定性。

3.2 耐水性分析

通过水接触角(WCA)、水溶性(WS)和水蒸气透过率(WVP)测试发现，DAS25-g-KF薄膜的WCA值最高（87.17°），WS和WVP值最低，表明其具有最佳的疏水性和阻湿性。这归因于DAS与KF间形成的致密交联网络有效抑制了水分渗透。

3.3 力学性能

机械性能测试表明，DAS的引入显著提升了薄膜的拉伸强度（TS）和弹性模量（EM）。当DAS含量为25%时，TS和EM分别达到33.08 MPa和318.31 MPa，较未添加DAS的薄膜提高了70.66%和87.21%。而过高的DAS含量（>25%）会导致薄膜刚性过强，柔韧性下降。

3.4 结构分析

FT-IR光谱显示在3300 cm^-1处出现宽化羟基峰，1725 cm^-1处醛基特征峰消失，证实了DAS与KF间成功发生接枝反应。XRD图谱在2θ=11°处出现新的衍射峰，且DAS25-g-KF薄膜结晶度最高（68.91%），表明形成了有序的交联结构。SEM图像进一步显示该薄膜具有最致密、均匀的断面形貌，无可见裂纹或相分离现象。

3.5 热性能分析

热重分析表明所有薄膜主要经历三个阶段的热分解：水分蒸发（<130°C）、甘油及侧链分解（200-260°C）和聚合物主链降解（>260°C）。DAS25-g-KF薄膜在800°C时的残炭率最高，表明其热稳定性最优，这与其高度交联的网状结构密切相关。

3.6 降解性能

土壤埋藏实验显示，所有薄膜在30天内均呈现持续降解趋势，其中DAS25-g-KF薄膜的降解率最高（93.16%），表明DAS的加入不仅改善了薄膜性能，还促进了其生物降解性，符合环境友好型材料的设计要求。

3.7 保鲜应用与氧气阻隔性

以香蕉为保鲜对象的应用试验表明，DAS25-g-KF薄膜包装的香蕉在7天后失重率仅为15.67%，显著低于对照组（28.27%）。同时该薄膜表现出优异的氧气阻隔性能，能有效抑制水果呼吸作用，延缓褐变进程。

本研究成功通过AA/H₂O₂氧化还原体系实现了KF与DAS的高效接枝共聚，制备出综合性能优异的生物基薄膜。当DAS添加量为25%时，薄膜具有最优的机械性能（TS=33.08 MPa, EM=318.31 MPa）、耐水性（WCA=87.17°）和阻隔特性，同时保持93.16%的生物降解率和良好的热稳定性。在香蕉保鲜实验中，该薄膜展现出显著的应用潜力，使水果失重率降低至15.67%。该研究不仅为开发高性能生物基食品包装材料提供了新思路，还提高了魔芋资源的综合利用效率。尽管薄膜的耐水性仍有提升空间，但通过引入疏水物质（如丙烯酸类、硅基材料或聚乳酸）进行复合改性的策略，有望进一步优化其性能，推动其在食品包装领域的实际应用。