甘油增塑的A型与B型明胶薄膜的性能比较及其在食品包装中的适用性

《Polymer》：Performance comparison of glycerol-plasticized type A and type B gelatin films and their suitability for food packaging

明胶是一种可降解且生物相容性良好的蛋白质，具有优异的成膜性能，但纯明胶薄膜脆性大、易吸湿。本研究通过溶液浇铸法制备了不同甘油浓度的Type A（酸处理）和Type B（碱处理）明胶薄膜，系统比较了甘油含量对薄膜结构、力学性能、阻隔性、水阻性和降解性的影响，发现两种明胶因氨基酸组成和电荷特性差异，对甘油增塑表现出不同响应，过量甘油会显著降低机械强度和阻隔性。研究成果为开发高性能可降解包装材料提供了理论依据。

　　

张琪|张健|平庆伟|隋志辉|李洪斌

大连工业大学轻工与化学工程学院，中国大连116034

摘要

明胶是一种可生物降解且具有生物相容性的蛋白质，来源于动物副产品，它具有出色的成膜性能，使其成为一种有前景的环保包装材料。然而，纯明胶薄膜脆性高、缺乏柔韧性，并且对湿气非常敏感，这限制了其实际应用。甘油作为一种增塑剂，可以通过破坏分子间的氢键来提高薄膜的柔韧性，但必须优化其浓度以避免过度软化。虽然现有研究主要集中在A型（酸处理）或B型（碱处理）明胶上，但两者之间的系统比较仍然有限。为了填补这一研究空白，本研究通过溶液浇铸法制备了不同甘油浓度的A型和B型明胶薄膜，并对其结构、机械性能、阻隔性能、防水性能和降解性能进行了系统比较，阐明了甘油与不同类型明胶之间的相互作用机制。结果表明，由于氨基酸组成和电荷特性的差异，A型和B型明胶表现出不同的薄膜性能。甘油的加入改变了两种明胶的二级结构；甘油含量的增加降低了其紫外线抗性、拉伸强度、热稳定性和降解性。基于这些结果，本研究为设计高性能的明胶基包装材料提供了宝贵的见解，作为传统塑料的可持续替代品。

引言

食品包装在食品工业中起着双重作用：保持食品质量并确保安全的运输和分配[1]。然而，目前的食品包装仍然主要依赖于不可降解的石油基塑料[2]，如聚乙烯（PE）[3]、聚丙烯（PP）[4]、聚酰胺（PA）[5]和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）[6]。这些材料由于难以自然降解而成为持久性污染物[2]。此外，石油资源的不可再生性以及塑料添加剂可能迁移到食品中的风险进一步凸显了迫切需要可持续替代品。据统计，塑料包装占全球塑料垃圾的36%[7]，由此产生的微塑料污染对生态系统稳定性和人类健康构成了严重威胁[8,9]。因此，开发环保、可生物降解的包装材料不仅是解决塑料污染的关键策略，也是食品包装行业向绿色和可持续转型的重要步骤[10,11]。

来自动物、植物和微生物的生物质材料（包括多糖、脂类和蛋白质）由于其固有的可生物降解性和生物相容性，已成为传统石油基塑料的有希望的替代品[12]。在各种生物基材料中，明胶因其出色的成膜能力[13]、生物相容性[14]、可生物降解性[15]以及丰富的来源（主要从屠宰副产品如牛/猪皮/骨头和鱼鳞中提取）[16,17]而在食品包装应用中展现出巨大潜力。明胶主要分为两种类型：A型（等电点pH 7–9），通过酸处理获得；B型（等电点pH 4.8–5.2），通过碱处理获得[18,19]。这两种类型在氨基酸组成、分子量分布和电荷特性上存在显著差异，这些差异直接影响它们的物理化学性质和薄膜性能[20,21]。彻底研究和利用这两种明胶之间的独特特性对于开发高性能的明胶基包装材料至关重要。然而，纯明胶薄膜通常存在一些固有的局限性，包括高脆性、柔韧性差和吸湿性，这些严重限制了它们的实际应用[22,23]。

为了解决这些固有的局限性，添加增塑剂是改善纯明胶薄膜性能的关键策略[24,25]。增塑剂通过插入明胶分子链之间，破坏过多的氢键并提高链的流动性，从而显著提高薄膜的柔韧性和延展性[26,27]。在各种增塑剂中，甘油因其出色的增塑效率、与明胶的优异相容性、低成本、无毒性和可生物降解性而成为明胶薄膜的首选[28]。然而，甘油的含量需要精确优化：用量不足会导致增塑效果不佳，薄膜仍然脆性；用量过多则会导致过度软化，机械强度大幅下降，严重影响薄膜的结构完整性、阻隔性能和服务寿命。目前的研究主要集中在单一类型的明胶（A型或B型）上，或缺乏对两种类型进行系统比较的研究[29,30]。因此，全面研究甘油对A型和B型明胶薄膜的增塑效果对于开发高性能的绿色食品包装材料具有重要的理论和实践意义。

本研究旨在通过使用A型和B型明胶作为成膜材料，并调节添加的甘油剂量，通过溶液浇铸法制备一系列明胶薄膜来填补这一研究空白。图1展示了明胶与甘油之间的相互作用机制。该研究将系统地表征所制备明胶薄膜的全面性能，包括结构、阻隔性能、防水性能、机械性能和降解性能。通过分析不同甘油含量下的性能变化，并比较相同甘油含量下A型和B型明胶薄膜的性能差异，本研究旨在阐明甘油与不同类型明胶之间的相互作用机制。本研究的结果将有助于开发天然聚合物包装材料，并为减轻环境影响和提高食品包装行业的食品安全提供可持续解决方案。

材料

材料

A型和B型明胶由上海豫源生物试剂有限公司提供。甘油（99%）购自希龙科技有限公司。所有用于分析的试剂均为分析级。

明胶基薄膜的制备

首先，分别称取5.0克A型明胶粉末和5.0克B型明胶粉末，并在50°C的恒温水浴中不断搅拌，直至完全溶解。随后，逐渐加入甘油

氨基酸和功能基团含量及GPC分析

明胶的氨基酸组成与其成膜和功能性能密切相关[31]。表S1展示了A型和B型明胶的氨基酸组成。如表所示，这两种类型主要由甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸组成。然而，由于不同的加工方法，它们的氨基酸比例可能略有不同[32]。通过酸处理的A型明胶中谷氨酰胺（Gln）和天冬酰胺（Asn）的稳定性更高

结论

本研究系统比较了A型和B型明胶的结构特性，以及甘油增塑对其薄膜性能的影响，以支持可持续食品包装的发展。结果表明，由于制备方法的差异，A型明胶的氨基团含量更高，而碱处理的B型明胶含有更多的酸性氨基酸，因为碱性过程促进了谷氨酰胺（Gln）和

CRediT作者贡献声明

张琪：撰写——原始草稿。张健：资金获取。平庆伟：实验研究。隋志辉：数据分析。李洪斌：软件应用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了辽宁省本科院校基本科研经费项目（LJ212410152040）、黑龙江省本科院校基本科研经费项目（145409706）以及黑龙江省自然科学基金杰出青年学者（YQ2024B013）的支持。