乙酰化大米淀粉-精油复合活性包装膜的构建及其对油炸食品保鲜性能研究

《Applied Food Research》：Sustainable Active Packaging: Essential Oil-Enhanced Rice Starch Film for Preserving Fried Foods

本研究针对传统塑料包装环境污染问题及天然淀粉膜性能不足的现状，开发了一种乙酰化大米淀粉(ARS)为基质、负载精油(EOs)的可降解活性包装膜。通过研究不同取代度(DS)对膜物理机械性能的影响，优选出DS1.8的乙酰化大米淀粉膜(ARSF)并添加柠檬草精油(lemongrass EO)，显著提升了膜的阻水性(WVP降至10×10-11 g·m-1·s-1·Pa-1)和抗菌抗氧化活性。应用实验表明该膜可将猪肉脆皮的保质期从37.8天延长至57.7天(30℃)，为油炸食品提供了一种绿色高效的包装解决方案。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，食品包装行业面临着可持续发展的重大挑战。传统塑料包装如聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)虽然具有优异的机械性能和阻隔性，但其生物降解性差，在自然环境中长期存在，通过焚烧还会产生有毒物质，给环境和人类健康带来严重威胁。尽管聚乳酸(PLA)等生物可降解材料提供了一些替代方案，但它们通常需要工业堆肥或化学处理才能完全降解，限制了其广泛应用。在此背景下，可食用薄膜(edible film)因其可生物降解或被人体消化的特性，成为食品包装领域的研究热点。

淀粉(starch)特别是大米淀粉(rice starch)，因其来源广泛、成本低廉且成膜性良好，被视为理想的成膜基质。然而，天然淀粉膜存在机械强度差、对水敏感性强和阻隔性能有限等固有缺陷。化学改性如乙酰化(acetylation)能够通过引入乙酰基团来改善淀粉膜的柔韧性、耐湿性和拉伸性能。与此同时，活性包装(active packaging)技术迅速发展，通过将精油(essential oils, EOs)等生物活性剂加入生物聚合物基质中，使被动包装膜转变为能够抑制微生物生长、延缓氧化变质从而延长食品货架期的主动系统。精油富含萜烯、醛类和酚类化合物，具有广谱抗菌和抗氧化作用，将其与淀粉膜结合已在易腐食品保鲜方面展现出良好前景。

本研究旨在解决传统淀粉基薄膜的局限性，采用乙酰化大米淀粉(acetylated rice starch, ARS)作为成膜基质，并加入精油作为生物活性成分，开发出精油增强型大米淀粉薄膜(EO-RSF)。研究人员系统评估了这种薄膜的机械性能、物理特性、阻隔性以及抗氧化和抗菌活性，并将优化后的EO-RSF应用于猪肉脆皮包装，以验证其延长食品保质期的能力。该研究成果发表于《Applied Food Research》期刊。

为开展此项研究，作者团队主要采用了以下几项关键技术方法：首先通过碱法从大米粉中提取大米淀粉，并采用乙酸酐对其进行乙酰化改性，制备了不同取代度(DS 1.1, 1.8, 3.0)的乙酰化大米淀粉。通过流延成膜法制备淀粉膜，并利用高速剪切乳化技术将生姜、圣罗勒和柠檬草三种精油均匀分散到膜基质中。对薄膜性能的表征包括厚度测量、水分含量测定、机械性能测试(拉伸强度和伸长率)、水溶性分析、水蒸气透过率(WVP)测定。此外，还通过DPPH和ABTS自由基清除实验评估抗氧化活性，采用纸片扩散法测定抗菌活性，并利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和偏光显微镜(PLM)分析薄膜的化学结构和微观形态。最后，通过加速货架寿命测试(ASLT)评估薄膜包装对猪肉脆皮保质期的延长效果。

3.1. 乙酰化大米淀粉膜

研究表明，与天然大米淀粉膜(RSF)相比，乙酰化大米淀粉膜(ARSF)需要更长的干燥时间，这可能是由于乙酰化淀粉的水亲和性降低，减缓了蒸发过程。所有配方(S、DS1.1、DS1.8和DS3.0)的薄膜厚度无显著差异，平均为185.0±2.6μm，表明乙酰化主要影响薄膜的内部结构而非整体尺寸。随着取代度(DS)的增加，薄膜的含水量、水蒸气透过率(WVP)和水溶性显著降低。FTIR光谱进一步证实了乙酰化的成功进行：尽管乙酰基的羰基吸收峰(~1720 cm^-1)相对较弱，但在乙酰化淀粉膜中可与天然淀粉区分开来。薄膜机械性能受乙酰化水平影响显著，其中DS为1.8的薄膜表现出最均衡的性能，包括较低的WVP(10.0×10^-11 g·m^-1·s^-1·Pa^-1)、低水溶性(15.3%)、高断裂伸长率(26.8%)和足够的拉伸强度(15.8×10^-1 MPa)。

3.2. 添加精油的乙酰化大米淀粉膜

偏光显微镜(PLM)图像显示，RSF薄膜显示出分散的明亮区域，对应于天然淀粉微晶，而ARSF薄膜显示出更少的明亮区域和更均匀的暗区，这与乙酰化导致的结晶度降低和无定形含量增加一致。EO-ARSF薄膜呈现出光滑均匀的基质，没有可见的油滴，表明精油在淀粉网络中分散良好。FTIR光谱支持这些微观结构观察，在EO-ARSF薄膜中，宽的O-H伸缩峰(3200-3400 cm^-1)强度略低于ARSF，表明由于乙酰基取代和疏水性油成分的存在，氢键作用部分减少。精油添加对水溶性没有显著影响，但显著降低了水蒸气透过率(WVP)，这归因于精油的疏水性质取代了淀粉网络中的亲水位点并破坏了氢键相互作用。

3.3. 机械性能

精油的添加浓度在0.0%至10.0%范围内显著影响薄膜的机械性能。在低至中等浓度下，所有三种精油均提高了薄膜的拉伸强度，其中生姜精油在10.0%时增幅最大(4.0 MPa，比对照组高约40%)。这种增加可归因于分散良好的精油液滴充当增强填料，强化了淀粉基质。在高浓度下，拉伸强度开始下降，这可能是由于相分离和聚合物链间氢键的破坏所致。此外，精油液滴起到微尺度增塑剂的作用，通过降低脆性和增强链流动性进一步提高伸长率。

3.4. 抗氧化活性

将精油加入乙酰化大米淀粉膜显著增强了抗氧化活性。DPPH清除活性在不同精油浓度下保持相对稳定，而ABTS抑制率显示出明显的浓度依赖性增加，特别是在含有柠檬草精油的薄膜中表现出最高的抑制值。总酚含量测定结果与ABTS结果一致，随精油类型和浓度而变化。这些结果突出了EO-ARSF薄膜的双重功能：它们既提供物理屏障，又提供生物活性保护，可以减轻氧化降解，延长包装食品的货架期。

3.5. 微生物抑制能力

EO-ARSF薄膜的抗菌活性受精油类型和浓度的强烈影响。含有柠檬草精油的薄膜对黑曲霉(A. niger)和葡萄球菌(Staphylococcus sp.)表现出最强的抑制效果，这主要归因于柠檬草精油中高含量的柠檬醛，它能破坏微生物膜并诱导细胞渗漏。相比之下，圣罗勒精油显示出中等活性，而生姜精油的抑制作用最弱，更多地与抗氧化作用相关。在三种精油中，柠檬草精油表现出最一致和多功能的改善效果，包括强抗氧化能力、广谱抗菌活性、优异的防潮性能和平衡的机械性能。

3.6. 优化后的OE-ARSF在保鲜猪肉脆皮中的应用

回归分析和优化确定DS为1.8的ARSF，添加8.4%的柠檬草精油(基于淀粉重量)为最有效的可食用薄膜配方。将该优化后的EO-ARSF应用于猪肉脆皮包装，评估其延长货架期的有效性。结果表明，与ARSF相比，EO-ARSF包装的猪肉脆皮在40°C和50°C下均保持较低的水活度，且游离脂肪酸(FFA)含量的增加速度更慢。基于预测模型和实验数据，在30°C下储存的猪肉脆皮，使用ARSF包装的货架期估计为37.8天，而使用EO-ARSF包装则延长至57.7天。

本研究成功开发并优化了以乙酰化大米淀粉为基质、增强柠檬草精油的可食用薄膜，显示出作为可持续食品包装的巨大潜力。优化后的薄膜(DS1.8，添加8.4% EO)与对照膜相比，表现出优异的耐水性、降低的水蒸气透过率和良好的机械柔韧性。同时具有显著的抗菌和抗氧化活性，能有效抑制葡萄球菌和黑曲霉，减少氧化变质。使用优化后的EO-ARSF薄膜包装猪肉脆皮，可将其在30°C下的货架期从37.8天延长至57.7天，证明了其在保存油炸食品方面的实际应用价值，有助于减少对合成包装材料的依赖。

该研究的创新之处在于将乙酰化改性技术与精油活性成分相结合，协同提升了淀粉基包装膜的综合性能。乙酰化处理有效改善了淀粉膜的疏水性和机械强度，而柠檬草精油的加入则赋予了薄膜强大的抗菌抗氧化功能。这种双重改性策略为开发高性能可降解食品包装材料提供了新思路，符合当前绿色包装和食品安全的发展需求。未来研究可进一步探讨精油的释放动力学、薄膜在堆肥或土壤埋藏条件下的生物降解性，以及其他安全性和质量评估，以确认其环境性能并支持更广泛的工业应用。