《Current Research in Food Science》：Bee Products in Biopolymer Films/Coatings: Advancing Sustainable Active Packaging for Food Preservation
编辑推荐：
本综述系统探讨了蜂产品（蜂蜡、蜂胶、蜂蜜、蜂花粉、蜂王浆）作为天然添加剂增强生物聚合物（多糖、蛋白质、聚酯）基食品包装薄膜性能的最新进展。文章重点分析了各类蜂产品如何改善薄膜的疏水性、生物活性、柔韧性及功能多样性，并讨论了乳化、交联等提升相容性的策略。这些源自蜂巢的GRAS（一般认为安全）物质通过其独特的化学成分（如类黄酮、酚类、脂质、蛋白质）与生物聚合物基质相互作用，显著提升了包装材料的阻隔性、机械强度和抗菌抗氧化功能，为开发高性能可持续活性食品包装提供了重要参考。
1.1. 引言
传统石油基塑料包装因其不可降解性导致严重的环境污染，且合成添加剂的迁移带来食品安全风险。这推动了向可持续替代品的全球转变，源自天然资源的生物聚合物（如多糖、蛋白质、脂质）包装因其可再生性、可生物降解性和生物相容性而成为有前景的解决方案。然而，纯生物聚合物薄膜存在固有局限性：机械强度差、水蒸气/氧气阻隔性能不足以及缺乏功能性活性（如抗菌、抗氧化），限制了其大规模商业应用。虽然合成添加剂可以改善某些性能，但其安全担忧和环境影响与生物聚合物包装的可持续性目标相冲突。因此，迫切需要识别天然、安全、多功能的活性添加剂，能够同时增强生物聚合物薄膜的物理化学和生物学特性，符合消费者对“清洁标签”和环保包装的需求。
在天然活性添加剂中，蜂产品作为生物聚合物薄膜的通用添加剂日益受到关注。蜂产品——包括蜂蜡、蜂胶、蜂蜜、花粉和蜂王浆——是具有充分记载的生物活性和GRAS status的天然物质。它们的化学成分使其能够与生物聚合物基质相互作用，改善结构和功能特性。与其它天然添加剂相比，蜂产品提供了多功能性、安全性和可持续性的独特组合，使其成为推进高性能生物聚合物基食品包装的理想候选者。
2. 蜂产品概述
蜂产品是源自蜂巢的天然、GRAS认证物质，具有不同的化学组成和功能特性，使其成为生物聚合物基食品包装的多功能添加剂。它们的特性和化学特征主要受花卉来源、养蜂实践和加工方法的影响，这直接影响了它们增强生物聚合物薄膜特定性能的适用性。
2.1. 蜂蜡
蜂蜡是蜂巢的主要副产品，通常通过热水处理、蒸汽提取或离心提取和纯化。化学上，它包含约35%的单酯、14%的二酯、14%的碳氢化合物、12%的游离脂肪酸和8%的羟基聚酯。主要的碳氢化合物 heptacosane (C27H56) 和长链脂肪酸是其强疏水性的关键贡献者。作为欧盟批准的食品添加剂（E901），蜂蜡擅长解决亲水性生物聚合物的高湿度敏感性。当使用低亲水亲油平衡值（HLB）的乳化剂与生物聚合物乳化时，它形成连续的疏水网络，将水蒸气渗透性降低20-40%，并将水接触角增加到>90°。其低熔点（61–66°C）使其与可扩展的成膜工艺兼容。此外，蜂蜡含有D-002，一种具有温和抗氧化活性的长链脂肪醇混合物，有助于延迟包装高脂肪食品的脂质氧化。
2.2. 蜂胶
蜂胶是蜜蜂从植物分泌物收集的树脂混合物，由50%的树脂/香脂、30%的蜡、10%的精油、5%的花粉和微量杂质组成。其生物活性源于酚类化合物和类黄酮，对常见食源性病原体具有广谱抗菌活性。蜂胶的乙醇提取物最广泛用于生物聚合物薄膜，因为它们比水提取物保留更多的生物活性化合物，并与多糖或蛋白质基质形成稳定的氢键。这种界面相互作用增强了薄膜的内聚性。虽然原始蜂胶可能在直接接触食品的薄膜中引起感官干扰，但纯化或微胶囊化可以缓解这个问题。
2.3. 蜂蜜
蜂蜜是蜜蜂通过花蜜的酶转化和脱水产生的天然甜味剂。主要包含约80%的碳水化合物、17-20%的水和微量生物活性物质。其低水活度和高渗透压抑制微生物生长，而葡萄糖氧化酶产生的过氧化氢进一步增强了抗菌功效。在生物聚合物薄膜中，蜂蜜充当多功能添加剂：通过增塑聚合物链提高柔韧性，减少水分流失，并增强抗氧化活性。其与亲水性生物聚合物的相容性源于羟基与聚合物基质形成氢键。
2.4. 花粉
蜂花粉是工蜂从植物花药粘合花粉粒形成的。其成分因花卉来源而异：10-40%的蛋白质、1-13%的脂质、13-55%的碳水化合物以及微量维生素和矿物质。在生物聚合物薄膜中，花粉充当增强剂：其蛋白质组分与聚合物链形成交联，增加拉伸强度并降低水蒸气渗透性。其多酚化合物也有助于抗氧化活性和温和的抗菌效果。
2.5. 蜂王浆
蜂王浆是年轻工蜂产生的乳白色分泌物，pH值为3.6–4.2，成分包括50-60%的水、18%的蛋白质、15%的碳水化合物、3-6%的脂质和微量维生素。其生物活性主要归因于主要蜂王浆蛋白和10-羟基-2-癸烯酸，使其能够抑制细菌生长并减少氧化损伤。当加入生物聚合物薄膜时，蜂王浆提高了热稳定性并减少了微生物计数。然而，其酸味限制了在高接触薄膜中的直接使用，可通过微胶囊化解决。
collectively，这些蜂产品提供了针对性的解决方案来克服生物聚合物薄膜的局限性：蜂蜡增强疏水性，蜂胶实现主动保存，蜂蜜改善柔韧性和保湿性，花粉增强机械强度，蜂王浆提高抗菌活性和热稳定性。它们的独特组成促进了与生物聚合物的协同相互作用，支持可持续、高性能食品包装系统的开发。
3. 蜂胶在食品包装薄膜中的应用进展
蜂胶提取物因其类黄酮和酚类成分带来的抗菌和抗氧化特性而受到重视，已成为增强活性生物聚合物基食品包装的关键添加剂，在多糖基质中具有显著功效。
3.1. 掺入PE的多糖基薄膜
多糖基薄膜由于其可再生性和生物相容性而广泛用于食品包装，但其固有的亲水性和较弱的机械/抗菌性能常常限制实际应用。蜂胶提取物以其丰富的酚类和类黄酮成分，已成为解决这些局限性的通用改性剂。
研究表明，PE与生物活性油在多糖基质中具有协同增强作用。例如，在含有沸石共封装Wampee精油和PE的海藻酸钠薄膜中，协同作用改善了机械强度、疏水性和生物活性，从而延长了草莓的保质期。封装不仅解决了疏水性WEO/PE与亲水性SA之间的相容性问题，还实现了活性成分的控制释放。PE与纳米颗粒的结合也显示出前景，例如纳米二氧化硅主要作为物理增强剂来增强PE-多糖网络的内聚力，而氧化锌纳米颗粒则与PE的酚类物质协同增强抗菌活性。
在壳聚糖基薄膜中，PE的作用从生物活性添加剂扩展到“交联调节剂”。乳化被证明对于性能优化至关重要。研究表明，PE特异性地提高了断裂伸长率、水蒸气阻隔性能、热稳定性和表面疏水性，同时还提高了生物降解率。乳化减少了PE和壳聚糖之间的相分离，这是直接混合中的常见问题。
在果胶基薄膜中，PE的性能表现出强烈的基质亲水性依赖性浓度效应，溶剂类型也起着关键作用。使用水溶性绿色PE（而不是常见的乙醇提取物）可以改变PE的化学特征，导致均匀的、无孔的微观结构，并扩展了紫外屏障。水溶性PE避免了乙醇引起的蛋白质变性或多糖链断裂，表明它可能是热或溶剂敏感多糖基质的更优选择。
在其他多糖如瓜尔胶和羟丙基甲基纤维素中，PE也显示出改善性能的能力，但存在感官挑战和酚类降解问题，需要稳定策略。在淀粉基薄膜中，PE的性能因淀粉来源和直链淀粉/支链淀粉比例的不同而出现矛盾结果，表明需要针对特定基质进行优化。
总之，PE通过利用氢键、疏水相互作用以及与共添加剂的协同效应，有效地改性多糖基薄膜，但其性能受三个研究不足的因素控制：多糖基质的亲水性、共添加剂类型以及溶剂/加工效果。
3.2. 掺入PE的蛋白质基薄膜
蛋白质基薄膜为食品包装提供了良好的柔韧性和生物相容性，但其高亲水性和较弱的机械/抗菌性能限制了实际使用。PE，富含酚类和类黄酮，解决了这些局限性，但其功效与在多糖薄膜中不同：在蛋白质系统中，PE侧重于“生物活性增强+界面调节”。
研究表明，在蛋白质-多糖混合基质中，PE表现出明显的“浓度适应性”。在较低浓度下，PE改善了薄膜均匀性而不改变关键官能团。在最佳浓度下，薄膜实现了最平衡的性能：峰值拉伸强度、降低的含水量和有效调节的水蒸气渗透性。PE通过氢键促进SA和HC之间的混溶性。然而，在纯蛋白质基质如明胶中，PE主要增强生物活性，对机械性能改善有限，这可能归因于明胶的无定形结构限制了与PE酚类物质的交联。
3.3. 掺入PE的脂肪族聚酯基薄膜和其他基质
合成和半合成生物基基质补充了食品包装中的天然聚合物，PE的加入主要针对阻隔性增强、抗菌活性和功能多样化，其效果受基质疏水性和PE浓度的影响，并存在天然聚合物中未见过的独特权衡。
对于聚乳酸这样的刚性合成脂肪族聚酯，PE改性了关键性能：增加了厚度/不透明度，降低了水蒸气传输速率，并具有显著的抗菌活性，实现了有效的蓝莓保鲜。然而，高浓度的PE会损害机械性能，这是刚性合成聚酯特有的“抗菌-机械权衡”。在半合成系统中，PE与花青素和迷迭香提取物的组合创造了双功能薄膜，解决了保存和质量监控问题。
总体而言，PE增强了这些基质中的性能，尽管其与合成聚合物链的相互作用较弱，更多地依赖于物理分散而非氢键。有前景的方向包括智能包装和易腐食品的涂层，但存在空白：PE组成的标准化、在合成基质中的长期稳定性以及可扩展生产。
4. 蜂蜡在食品包装薄膜中的研究进展
多糖和蛋白质基生物聚合物薄膜通常由于大分子中固有的亲水性官能团而表现出较低的耐水性。为了克服这一限制，掺入疏水化合物如脂肪、蜡和油已被广泛探索。在这些脂质中，天然蜡由于其无毒、可生物降解和高疏水性而显示出巨大的应用潜力。
蜂蜡是一种具有高惰性和可塑性的天然蜡，由蜜蜂产生。被分类为食品添加剂E-901，在食品工业中用作上光剂、保护涂层和风味载体。由于其长链脂肪酸的存在，它表现出良好的粘弹性和低熔点。蜂蜡在可食用薄膜配方中脱颖而出，因为它能够增加疏水性，从而增强水蒸气阻力并降低湿度敏感性。
研究表明，将蜂蜡掺入聚合物薄膜已导致其物理化学性质的显著改善，特别是与水相关的特性。这些增强包括降低的水溶性、更低的水蒸气渗透性、降低的含水量和增加的接触角，共同有助于优异的阻隔性能。蜂蜡在这些基质中的功效取决于分散均匀性，只有当蜡颗粒整合到聚合物网络中时，它们才能完全阻止水扩散。
乳化对于制备均匀的蜂蜡-聚合物薄膜至关重要。低HLB值的乳化剂能更好地与蜂蜡结合，形成小而均匀分布的蜡-乳化剂结构。干燥温度显著调节蜂蜡复合薄膜的性能，效果因聚合物基质而异，但集中在结构均匀性和功能表达上。均质速度是调节蜂蜡复合薄膜性能的关键因素，通过改善蜂蜡分散和粒径控制。高速均质化促进蜂蜡迁移到薄膜表面，增加接触角以增强疏水性。相分离是优化蜂蜡分散的另一种策略，通过重力诱导相分离可以形成富脂表面层，这对于阻隔性能比均匀分散的蜡更有效。
蜂蜡掺入对生物聚合物薄膜机械性能的影响显示出不同的结果。一些研究报告了改进，而其他研究则注意到降低。这种变化源于两个因素：脂质固有的低机械强度，如果聚集，会在聚合物网络中产生不连续性；分散良好的蜡可以填充基质中的空隙，增强内聚力。为了减轻脆性，策略包括纳米乳化和添加增强剂。
蜂蜡还显著影响薄膜不透明度。其添加增加了不透明度，归因于脂质胶束和晶体结构破坏可见光传输，以及亲水聚合物和疏水蜡之间折射率的差异。虽然这限制了透明应用，但它改善了紫外线和可见光阻隔性能，保护光敏食品成分免受光降解。
蜂蜡对热性能的影响取决于其与聚合物基质的相互作用。相容性和分散性决定热性能，蜂蜡只有在融入基质时才充当稳定剂。
蜂蜡还增强薄膜的抗氧化性能，这归因于D-002，一种具有抗氧化和抗炎活性的长链伯脂肪醇混合物。
传统上，流延是生产蜂蜡功能化复合薄膜的主要方法，但存在规模扩展限制。最近的进展包括连续溶液流延和挤出吹塑，这些方法解决了可扩展性问题，并允许生产从单层到复杂多层结构的有前景的蜂蜡薄膜。
蜂蜡富集薄膜在保存食品质量方面显示出有希望的结果，其功效与食品物理化学特性相匹配。它们在高水分食品、高脂肪产品、高油食品、乳制品、水果、鸡蛋、肉类和烘焙食品中显示出益处。然而，存在感官挑战，需要配方调整。
蜂蜡基薄膜可以用生物活性化合物功能化，以创建活性和智能材料。活性薄膜通过添加抗菌剂如精油或纳米颗粒来延长保质期或增强安全性。智能薄膜通过环境响应反馈监控食品质量，蜂蜡提高了它们的耐水性，这对于保持敏感性至关重要。
总之，将蜂蜡掺入生物聚合物薄膜是增强功能特性，特别是耐水性、阻隔性能和抗氧化能力的有前景的策略。尽管存在挑战，创新方法减轻了这些局限性。未来的研究应优先考虑标准化、量化蜡迁移、优化配方以用于感官敏感应用以及在真实食品系统中测试长期稳定性。
5. 其他蜂产品在食品包装中的研究进展
蜂蜜、蜂花粉、蜂粮和新兴的蜂源成分已成为生物聚合物基食品包装的有前景的添加剂，利用其
