双醛淀粉接枝魔芋粉开发生物基食品保鲜膜：绿色改性策略与性能提升研究

本研究针对石油基包装材料造成的白色污染问题，通过构建抗坏血酸/过氧化氢(AA/H2O2)氧化还原体系，成功实现了双醛淀粉(DAS)与魔芋粉(KF)的接枝共聚，制备出高性能环境友好型生物基薄膜。结果表明，当DAS添加量为KF重量的25%时，薄膜综合性能最优：水分含量10.2%、水接触角87.17°、拉伸强度33.08 MPa、生物降解率93.16%。香蕉保鲜实验显示7天失重率仅15.67%，薄膜致密结构还显著增强了热稳定性，为食品包装材料提供了绿色解决方案。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，寻找石油基包装材料的可持续替代品已成为当务之急。传统塑料包装难以降解，在自然环境中长期存在，对生态系统和人类健康构成严重威胁。在这一背景下，生物基薄膜因其可降解性和环境友好性而备受关注。然而，天然生物材料制备的薄膜往往存在机械强度不足、耐水性差等缺陷，制约其实际应用。魔芋葡甘聚糖(KGM)虽具有良好的成膜性，但从魔芋中提取KGM过程能耗较高，直接利用魔芋原料粉(KF)则可避免提取环节，提高资源利用效率。但如何通过绿色改性技术提升KF基薄膜的综合性能，仍是当前研究的难点。

为解决这一挑战，西南林业大学张鑫等研究者在《Food Chemistry: X》发表研究，创新性地采用AA/H₂O₂氧化还原体系引发双醛淀粉(DAS)与魔芋粉(KF)的接枝共聚，成功开发出高性能生物基保鲜薄膜。DAS作为一种无毒且富含活性醛基的生物基交联剂，可与KF中的氨基等基团发生反应，形成稳定的交联网络结构。

本研究主要采用以下关键技术方法：通过自由基接枝聚合制备DAS-g-KF聚合物；采用溶液浇铸法制备生物基薄膜；通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析薄膜结构特征；利用热重分析(TG)评估热稳定性；通过土壤埋藏实验测试生物降解性；以香蕉为模型水果评估保鲜性能。

3.1. 物理性能

研究发现DAS含量显著影响薄膜的物理特性。当DAS添加量为25%时，薄膜表现出最优的透明度、最低的水分含量(10.2%)和最低的不透明度。厚度变化表明，适量DAS可增加分子间堆积密度，减少空间距离，而过量DAS则导致厚度增加。DAS25-g-KF薄膜的优异性能归因于KF与DAS之间形成了理想的交联体系。

3.2. 水阻力分析

水接触角(WCA)测试显示，所有薄膜均具有一定亲水性，但DAS的引入显著改善了疏水性。DAS25-g-KF薄膜的WCA值达到87.17°，较未添加DAS的薄膜有明显提升。水溶性(WS)和水蒸气透过率(WVP)测试进一步证实，25% DAS添加量的薄膜具有最佳耐水性能，这与其致密的交联结构密切相关。

3.3. 机械性能

机械性能测试表明，DAS的引入显著增强了薄膜的拉伸强度(TS)和弹性模量(EM)。当DAS接枝量为25%时，薄膜的TS和EM分别达到最优值33.08 MPa和318.31 MPa，较未改性薄膜分别提高70.66%和87.21%。然而，断裂伸长率(EAB)随DAS含量增加而逐渐降低，说明DAS在增强刚性的同时降低了材料塑性。

3.4. 结构分析

FT-IR分析证实了DAS与KF之间成功发生了接枝反应，出现了 Schiff碱和醛醇缩合等反应特征峰。XRD结果显示DAS25-g-KF薄膜具有最高结晶度(68.91%)，并在2θ=11°处出现新衍射峰，表明形成了新的有序结构。SEM图像显示该薄膜具有最致密均匀的断面和表面形貌，进一步验证了其良好的交联网络结构。

3.5. 热性能分析

热重分析表明，薄膜的热分解可分为三个阶段：水分蒸发(＜130°C)、甘油和侧链分解(200-260°C)以及聚合物主链分解(＞260°C)。DAS25-g-KF薄膜在800°C时的残炭率最高，表明其交联程度最为完善，热稳定性最佳。

3.6. 降解分析

土壤降解实验显示，所有薄膜在30天内均表现出良好的生物降解性。含DAS的薄膜降解速率明显高于纯KF薄膜，其中DAS25-g-KF薄膜的降解率最高，达到93.16%，表明该材料具有优异的环境相容性。

3.7. 保鲜包装应用和氧气渗透性

香蕉保鲜实验结果表明，DAS25-g-KF薄膜包裹的香蕉在7天储存期内失重率仅为15.67%，显著低于对照组(28.27%)。薄膜良好的氧气阻隔性能有效延缓水果呼吸作用，维持香蕉新鲜度，显示出在食品包装领域的应用潜力。

该研究通过绿色接枝改性策略，成功开发出综合性能优异的KF基生物薄膜。当DAS添加量为25%时，薄膜在机械强度、耐水性、热稳定性和降解性方面达到最佳平衡。结构表征证实了DAS与KF之间形成了稳定的交联网络，这是性能提升的关键因素。研究成果不仅为食品包装提供了一种环境友好型替代材料，而且为生物质资源的高值化利用提供了新思路。尽管薄膜的耐水性仍有提升空间，但本研究建立的AA/H₂O₂氧化还原接枝体系为生物基材料的绿色改性提供了有效技术路径，对推动可持续包装材料发展具有重要意义。