聚乳酸-黄蓍胶多功能活性包装膜的开发及其功能特性研究

《Applied Food Research》：Multifunctional Polylactic Acid-Tragacanth Gum Films Containing Shirazi Thyme Essential Oil ( Zataria multiflora Boiss): A Structural and Functional Evaluation for Active Packaging

本研究针对传统塑料包装的环境污染问题，开发了一种基于聚乳酸(PLA)和黄蓍胶(KG)的可生物降解活性包装膜，并添加不同浓度(0.3%、0.6%、0.9%)的设拉子百里香精油(TEO)。研究结果表明，TEO的加入显著改善了薄膜的力学性能、抗菌性和抗氧化性，其中0.9%TEO的添加效果最佳，对 Aspergillus parasiticus 的抑制率达到100%，对 Staphylococcus aureus 的抑菌圈直径达23mm，抗氧化活性提升至15.16%。该复合薄膜为解决食品包装的环境污染和防腐保鲜问题提供了新的可持续方案。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，食品包装行业正面临着前所未有的环保压力。传统的石油基塑料包装虽然具有成本低、易加工等优点，但其不可降解的特性导致了严重的环境问题，包括二氧化碳排放和有毒物质产生。与此同时，消费者对食品安全和品质的要求不断提高，迫切需要一种既能有效保护食品，又对环境友好的新型包装材料。

在这一背景下，可生物降解的活性包装材料应运而生。其中，聚乳酸(PLA)作为一种来源于可再生农业资源的生物降解聚合物，因其良好的透明度、加工性能和生物相容性而备受关注。然而，PLA材料本身存在脆性大、柔韧性差等问题，限制了其在食品包装领域的广泛应用。为了克服这些局限性，研究人员尝试将PLA与天然多糖等材料进行复合，以改善其性能。

伊朗德黑兰大学兽医医学院食品卫生系的研究团队在《Applied Food Research》上发表了一项创新性研究，他们开发了一种基于PLA和黄蓍胶(KG)的多功能复合膜，并通过添加设拉子百里香精油(TEO)赋予其活性功能。黄蓍胶是一种来源于中东黄芪属植物的复杂阴离子多糖，具有优异的水结合和乳化特性，在食品和制药行业中广泛应用。而设拉子百里香精油则因其富含carvacrol等活性成分，具有较强的抗菌和抗氧化能力。

研究人员采用溶液浇铸法制备了PLA/KG/TEO复合薄膜，并系统评价了其结构、物理机械和功能特性。研究过程中主要运用了气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析精油成分，傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析材料结构，扫描电子显微镜(SEM)观察表面形貌，同时还测定了薄膜的机械性能、水蒸气透过率(WVP)、抗菌和抗氧化活性等重要指标。

3.1. TEO的提取和化学分析

通过GC-MS分析发现，TEO的主要成分为carvacrol(71.12%)、γ-萜品烯(7.34%)和α-蒎烯(4.26%)，这些活性成分的存在为薄膜提供了良好的生物活性基础。

3.2. 薄膜的物理特性

随着TEO浓度的增加，薄膜的厚度从0.101mm增加至0.116mm，而水分含量则从16%下降至11%。在光学性能方面，薄膜的透明度随着TEO浓度的增加而略有下降，但这也带来了更好的紫外线防护效果。特别值得注意的是，水蒸气透过率在0.3%TEO时达到最低值，表明适量TEO的添加可以改善薄膜的屏障性能。

3.3. 机械性能

TEO的加入显著改善了薄膜的柔韧性，断裂伸长率从2.31%提高至4.69%，同时拉伸强度也有所增强。这一改善主要归因于TEO的增塑作用以及其与聚合物基质之间形成的氢键作用。

3.4. 颜色特性

随着TEO浓度的增加，薄膜的亮度(L值)有所下降，而红度(a值)和黄度(b*值)则相应增加，总色差(ΔE)从6.23增大至14.81，这主要是由于精油本身呈黄色所致。

3.5. 仪器分析

XRD分析表明，TEO的加入提高了薄膜的结晶度，但并未改变PLA的基本晶体结构。FTIR光谱显示，TEO与聚合物基质之间存在分子间相互作用，特别是在3300-3500cm^-1处出现的O-H伸缩振动峰。SEM观察发现，随着TEO浓度的增加，薄膜表面出现更多的孔隙和微裂纹，这可能是由于精油与基质之间的部分不相容性导致的。

3.6. 薄膜的功能特性

在抗菌性能方面，薄膜对革兰氏阳性菌(如 Listeria monocytogenes 和 Staphylococcus aureus)表现出更强的抑制作用，最高抑菌圈直径分别达到21mm和23mm。在抗真菌实验中，0.6%和0.9%的TEO浓度完全抑制了 Aspergillus parasiticus 的生长。此外，薄膜的抗氧化活性也随着TEO浓度的增加而增强，最高达到15.16%。

这项研究的创新之处在于成功开发了一种具有多重功能的可生物降解包装材料。通过将PLA、KG和TEO三种天然材料有机结合，不仅改善了PLA材料的机械性能缺陷，还赋予了包装材料主动保护食品的能力。特别是在当前强调可持续发展和绿色包装的背景下，这种新型复合材料显示出了广阔的应用前景。

研究结果表明，PLA/KG/TEO复合薄膜在保持良好机械性能的同时，具备优异的抗菌和抗氧化活性，能够有效延长食品的保质期。此外，由于所有组分均来源于天然可再生的生物质资源，该材料在使用后能够自然降解，不会对环境造成持久性污染。

然而，研究也发现了一些需要进一步优化的问题。例如，较高浓度的TEO会导致薄膜表面形貌的不均匀性增加，可能会影响其在实际应用中的外观表现。此外，TEO的添加虽然提高了薄膜的抗菌性，但也带来了一定的颜色变化，这需要在具体应用时进行权衡。

总体而言，这项研究为开发下一代活性生物降解包装材料提供了重要的理论依据和技术支持。未来研究可以进一步探索不同植物精油的复配效果，优化加工工艺，以及评估其在实际食品保鲜中的应用效果，推动这种绿色包装材料的产业化进程。