聚丁二酸丁二醇酯/香芹酚抗菌薄膜：可持续食品包装新策略及其对土壤微生物和草莓保鲜的影响

《Journal of Biological Engineering》：Antimicrobial film from poly(butylene succinate) and cymophenol as a sustainable approach to food waste reduction: antimicrobial properties and its effects on soil microorganism, brine shrimp (Artemia salina) and fresh strawberry

本刊推荐：为应对食品供应链中的微生物腐败与浪费问题，研究人员开发了以可生物降解的聚丁二酸丁二醇酯(PBS)为基质、香芹酚为抗菌剂的活性包装薄膜。研究系统评估了薄膜厚度(50–100 μm)与香芹酚含量(0–10 wt%)对薄膜力学性能、阻隔性、抗菌活性及草莓保鲜效果的影响。结果表明，香芹酚兼具抗菌与增塑作用，显著提升薄膜拉伸性、抗冲击性与抗撕裂性；厚度增加促进香芹酚迁移扩散，有效抑制草莓中酵母和霉菌生长。薄膜对16种土壤微生物无毒性，且不影响PBS生物降解潜力，为可持续食品包装设计提供了理论与实践依据。

　　

在当今全球食品供应链中，从生产到消费环节产生的食物损失与浪费(FLW)已成为威胁可持续发展、经济稳定和粮食安全的重要问题。微生物腐败和保质期过期是导致零售端和家庭层面食物浪费的主要原因之一。为应对这一挑战，抗菌活性包装技术应运而生，通过将天然抗菌成分（如植物精油）整合至包装材料中，有效抑制微生物生长，延长食品货架期。然而，传统塑料包装的不可降解性加剧了白色污染，而生物可降解塑料（如聚丁二酸丁二醇酯，PBS）虽具备环保潜力，却缺乏内在抗菌功能。此外，抗菌成分的添加是否会影响土壤微生物活力，进而干扰塑料的生物降解过程，仍是未解之谜。

为此，Sukkaneewat等人在《Journal of Biological Engineering》发表研究，系统探讨了以PBS为基质、香芹酚（cymophenol）为抗菌剂的活性薄膜在食品包装中的应用潜力。研究通过调控薄膜厚度（50、75、100 μm）和香芹酚浓度（0–10 wt%），全面评估了其抗菌性能、力学强度、热学特性、阻隔性、香芹酚释放动力学以及对草莓保鲜和环境安全性的影响。

研究采用熔融共混-挤出成型工艺制备PBS/香芹酚薄膜，通过扫描电镜(SEM)观察薄膜微观结构，差示扫描量热仪(DSC)和动态力学分析(DMA)表征热学性能，高效液相色谱(HPLC)分析香芹酚迁移行为，并通过土壤微生物活力测试和卤虫(Artemia salina)生存实验评估环境安全性。

抗菌活性

研究通过琼脂扩散法验证薄膜对金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)的抑制效果。结果显示，香芹酚浓度达6 wt%时可抑制S. aureus，8 wt%时对E. coli有效，且抑菌圈直径随薄膜厚度增加而增大。香芹酚的抗菌机制与其分子中的羟基质子交换作用相关，能破坏细菌细胞膜完整性。厚度增加通过提升浓度梯度促进香芹酚扩散，而香芹酚与PBS酯基间的氢键作用则延缓释放，增强抗菌持久性。

力学性能

香芹酚的添加显著提升薄膜韧性：拉伸断裂伸长率、冲击强度和抗撕裂性随香芹酚含量增加而提高，表明其兼具抗菌与增塑功能。SEM显示香芹酚改善PBS基质相容性，减少微孔洞，提升薄膜微观结构完整性。厚度增加对力学性能有轻微增强作用。

热学与阻隔性能

DSC与DMA结果表明，香芹酚降低PBS的玻璃化转变温度(T_g)和结晶温度(T_c)，扩大无定形区，提升薄膜柔韧性。但水蒸气透过率(WVTR)和氧气透过率(OTR)随香芹酚浓度增加而上升，可通过增加厚度（如100 μm）显著改善阻隔性，使其适用于生鲜肉制品和烘焙食品包装。

香芹酚释放行为

迁移实验表明，香芹酚在蒸馏水中50–60 h内达释放平衡，扩散系数(D)为2.45×10^?16–1.77×10^?15 m²/s，且厚度越大释放量越高。释放过程符合Fick扩散模型，香芹酚的增塑作用加速分子迁移。

草莓保鲜应用

将含8 wt%香芹酚的PBS薄膜（75 μm与100 μm）用于草莓包装，14天冷藏储存后，100 μm薄膜组草莓的酵母和霉菌数量显著降低（较对照组减少2–4 log CFU/g），且无可见霉变，证实其高效抑菌能力。

环境安全性

薄膜对16种土壤微生物均无抑制效应，微生物种群可在薄膜表面正常生长，表明PBS/香芹酚薄膜保留生物降解潜力。然而，卤虫生存实验显示，PBS及PBS/香芹酚薄膜在小型海水环境中会降低水体pH值并影响溶氧，导致卤虫5天后存活率分别降至43.3%与36.7%，提示其海洋适用性需进一步评估。

本研究证实PBS/香芹酚薄膜是一种兼具优异抗菌性、力学强度与环境安全性的活性包装材料，可通过调控厚度与香芹酚浓度实现功能定制。其缓释特性有效延长草莓货架期，且不干扰土壤微生物生态，为减少食品浪费与塑料污染提供了可持续解决方案。未来需深入探讨薄膜在大型海洋环境中的降解行为及其对水生生物的长期影响。