低酰基结冷胶-芦荟气凝胶的结构特性与抗菌性能研究及其在活性食品包装中的应用

本研究针对食品包装材料的结构与抗菌性能优化需求，通过中心复合设计开发了低酰基结冷胶(LAGG)-芦荟凝胶(AVG)复合气凝胶。最优配方(pH 1、66/33 LAGG/AVG比、0.75%固含量)展现出低体积收缩率(30.9%)、高孔隙率(90%)和热稳定性(Tg54.4°C/Tm74.3°C)，装载丁香酚后通过顶空释放可在60/40分钟内分别抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，为无接触式活性包装提供了新型生物基载体解决方案。

　　

在食品包装领域，传统无机气凝胶存在脆性强、生物降解性差等问题，而单一生物聚合物气凝胶又难以兼顾机械强度和功能特性。随着消费者对食品安全和可持续包装需求的提升，开发兼具优异结构性能和抗菌活性的新型生物基材料成为研究热点。低酰基结冷胶(Low-acyl gellan gum, LAGG)因其独特的离子交联成胶能力备受关注，而芦荟凝胶(Aloe vera gel, AVG)则富含天然抗菌成分，但两者在气凝胶领域的协同效应尚未被探索。

墨西哥国家科技委员会(SECIHTI)资助的研究团队在《Food Research International》发表创新成果，首次系统研究了LAGG-AVG复合气凝胶的制备工艺与性能。研究人员采用溶胶-凝胶法结合冷冻干燥技术，通过三因素三水平中心复合设计，考察了pH(1-7)、LAGG/AVG比例(33/66-66/33)和固含量(0.25-0.75% w/v)对材料性能的影响。关键技术包括：通过质构分析仪测定机械性能，差示扫描量热法(DSC)分析热转变温度，顶空扩散法评估对大肠杆菌(Escherichia coli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的抑制效果。

结构特性分析显示，酸性条件(pH 1)最有利于维持气凝胶网络稳定性，最优配方(66/33 LAGG/AVG比，0.75%固含量)表现出卓越的综合性能：孔隙率达90%，密度仅0.030 g/cm³，硬度4.1 N，且玻璃化转变温度(T_g)和熔点(T_m)分别提升至54.4°C和74.3°C，显著高于常规生物聚合物气凝胶。

抗菌性能测试发现，装载丁香酚的气凝胶通过顶空释放机制，无需直接接触即可在40分钟内完全抑制金黄色葡萄球菌，对大肠杆菌的完全抑制也仅需60分钟。这种"远程抗菌"特性使其特别适合即食食品的保鲜应用，避免了抗菌剂与食品直接接触导致的感官影响。

该研究首次证实LAGG与AVG在分子水平存在协同效应：LAGG的三维网络结构为AVG活性成分提供了稳定载体，而AVG中的多糖组分则通过氢键作用增强材料机械强度。研究提出的pH调控策略解决了生物聚合物气凝胶在干燥过程中易坍塌的科学难题，0.75%固含量的优化方案在保证孔隙率的同时显著降低了生产成本。

这项成果为开发新一代活性食品包装材料提供了重要理论依据和技术参考，其采用的天然组分完全符合食品接触材料安全标准，且冷冻干燥工艺易于放大生产。未来研究可进一步探索该气凝胶体系对其他挥发性抗菌剂(如百里香酚、香芹酚)的负载释放规律，以及在新鲜农产品保鲜中的实际应用效果。论文通讯作者Miguel Angel Ruiz-Cabrera特别指出，这种可生物降解的复合气凝胶有望替代当前广泛使用的塑料-抗菌剂复合包装，减少微塑料污染的同时提升食品安全性。