碳黑纳米颗粒增强木薯淀粉生物聚合物膜的制备及其在活性食品包装中的应用研究

为解决传统塑料包装不可降解和食品保鲜效果差的问题，研究人员开发了含碳黑纳米颗粒(CBN)的木薯淀粉生物聚合物膜。研究发现添加2%w/v CBN的薄膜具有优异的机械强度(TS 13.78 MPa)、紫外线阻挡能力(UV-C阻挡55%)和抗菌性能(抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)，能有效延长樱桃番茄保质期。该研究为开发可持续活性食品包装提供了新思路。

　　

随着全球环境问题日益严峻，传统石油基塑料包装带来的白色污染已成为重大挑战。聚乙烯、聚丙烯等不可降解材料在自然环境中长期存在，不仅污染土壤和水体，还通过食物链威胁人类健康。与此同时，食品浪费问题同样触目惊心——据联合国粮农组织统计，全球每年约三分之一的食物因腐败被丢弃。在这一背景下，开发兼具环保性和保鲜功能的活性食品包装材料成为研究热点。

生物聚合物因其可降解、无毒和来源广泛等特性被视为理想替代品，其中淀粉因其成膜性和丰富来源备受关注。然而纯淀粉薄膜存在机械强度差、热稳定性低等缺陷，这严重限制了其实际应用。碳基纳米材料因其独特性能为改善生物聚合物性能提供了新思路，但关于碳黑纳米颗粒(CBN)在淀粉基食品包装中的应用研究仍属空白。

马来西亚普特拉大学的研究团队在《Journal of Rural Studies》发表研究，首次系统探讨了CBN增强木薯淀粉薄膜的制备及其在活性食品包装中的应用。研究人员采用溶剂浇铸法制备了含不同浓度CBN(0-4%w/v)的淀粉薄膜，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析分子相互作用，透射电子显微镜(TEM)观察纳米颗粒分散情况，并系统测试了薄膜的机械性能、热稳定性、阻隔性能和抗菌活性。为验证实际应用效果，研究选用易腐的樱桃番茄作为模型食品，评估了包装薄膜对果蔬保鲜效果的影响。

关键技术方法包括：溶剂浇铸法制备淀粉/CBN复合膜；FTIR分析分子间相互作用；TEM观察纳米颗粒分散；质构仪测定机械性能；热重分析仪(TGA)评估热稳定性；水蒸气透过率(WVP)和氧气透过率(OTR)测试系统评价阻隔性能；紫外-可见分光光度计测定紫外线阻挡能力；抑菌圈实验评估抗菌活性；以樱桃番茄为模型进行实际保鲜效果验证。

分子相互作用分析显示，CBN与淀粉分子间形成了氢键相互作用，这解释了复合材料机械性能的增强。当CBN浓度达到4%w/v时，薄膜的拉伸强度(TS)提升至24.38 MPa，是纯淀粉膜的4倍。热稳定性测试表明，添加CBN使薄膜的热分解起始温度(T_onset)从158.37°C提高到169.41°C，证实了CBN的增强效果。

形态学观察发现，2%w/v CBN在淀粉基质中分散良好，颗粒尺寸为12-33 nm；而4%w/v CBN则出现明显团聚，形成700 nm的大颗粒。这种团聚现象导致阻隔性能下降，水蒸气透过率(WVP)和氧气透过率(OTR)分别升高至2.486×10^-10 g/m·s·Pa和56,580.9 cm³/m²·day。

功能特性测试结果显示，CBN的加入显著提升了薄膜的紫外线阻挡能力。即使仅添加1%w/v CBN，薄膜对UV-C的阻挡率就达到45%，4%w/v时提升至80%。抗菌实验证实，含2%wv CBN的薄膜即可有效抑制金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)的生长。

在实际应用测试中，用2%w/v CBN淀粉膜包装的樱桃番茄表现出最佳的保鲜效果。储存11天后，这些番茄仍保持鲜红色泽，无明显霉变，重量损失和硬度下降最少。相比之下，未包装的对照组和纯淀粉膜包装组在第9天就出现明显霉变。

这项研究首次系统论证了CBN增强淀粉薄膜在活性食品包装中的应用潜力。研究不仅证实了CBN能同时改善淀粉薄膜的机械性能、热稳定性和功能特性，还通过实际食品保鲜实验验证了其应用效果。特别值得注意的是，2%w/v被确定为最佳CBN添加浓度，在这一浓度下，薄膜的各项性能达到最佳平衡。

该研究的创新点主要体现在三个方面：一是首次将低成本、易获得的CBN应用于淀粉基食品包装；二是系统研究了CBN浓度对薄膜各项性能的影响规律；三是通过实际食品保鲜实验验证了材料的应用效果。这些发现为开发新型可持续活性食品包装材料提供了重要参考，对推动食品包装行业绿色转型具有重要意义。

从更广泛的视角看，这项研究实现了"环境友好"与"功能增强"的双重目标，为解决塑料污染和食品浪费两大全球性问题提供了创新解决方案。未来研究可进一步探索CBN与其他生物聚合物的复合，以及工业化生产技术的开发，推动这类材料早日实现商业化应用。