基于壳聚糖-低共熔溶剂-果皮提取物复合薄膜的活性食品包装开发及其保鲜性能研究

本研究针对传统食品包装材料的环境污染问题，开发了一种新型活性包装薄膜。研究人员通过将低共熔溶剂(DES)和果皮提取物(Ext)嵌入壳聚糖(Ch)基质中，成功制备出具有优异机械性能、抗氧化和抗菌特性的生物活性薄膜。该薄膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌表现出显著抑制效果，能将面包霉变时间延长至40天以上，DPPH自由基清除率超过90%，为可持续食品包装提供了创新解决方案。

　　

随着全球塑料污染问题日益严重，食品包装行业正面临着前所未有的可持续性挑战。传统石油基塑料包装不仅难以降解，还缺乏功能性，无法有效延长食品保质期。与此同时，每年全球产生的大量水果加工废弃物如果皮等，含有丰富的生物活性成分，却往往被当作垃圾处理。如何将这些废弃物转化为高附加值的功能性材料，成为研究人员关注的重点。

壳聚糖(Chitosan, Ch)作为一种天然生物聚合物，源自甲壳类动物外骨骼中的几丁质，具有良好的成膜性、抗菌性和可降解性，被视为理想的环保包装基材。然而，纯壳聚糖薄膜存在脆性大、柔韧性差的缺陷，且其抗氧化能力有限。近年来，低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvent, DES)作为一种绿色溶剂和塑性剂受到广泛关注。DES由氢键受体(HBA)和氢键供体(HBD)组成，具有低挥发性、高生物相容性和可设计性等特点，不仅能改善材料机械性能，还能赋予其抗菌特性。另一方面，果皮提取物(Fruit Peel Extract, Ext)富含多酚、黄酮类化合物和萜类物质，具有优异的抗氧化和抗菌活性，是开发活性包装的理想添加剂。

在这项发表于《Industrial Crops and Products》的研究中，波兰?ukasiewicz研究网络-工业化学研究所的Karolina Rolińska团队创新性地将DES与Ext结合到壳聚糖基质中，开发出了一系列具有多重功能的生物活性薄膜，为解决食品包装领域的可持续性和功能性问题提供了新思路。

研究人员采用溶剂蒸发法制备薄膜，通过ATR-FTIR分析分子间相互作用，SEM观察表面形貌，TGA评估热稳定性，并系统测试了材料的溶胀行为、机械性能、水蒸气透过率(WVTR)、抗氧化活性和抗菌性能。此外，还通过面包和樱桃番茄的实际食品保鲜实验验证了薄膜的应用效果。

分子结构(ATR-FTIR)：通过ATR-FTIR光谱分析证实了DES与壳聚糖基质之间存在氢键相互作用，DES的加入使O-H和N-H伸缩振动峰变窄，表明原有的氢键网络被改变，形成了新的分子间作用力。

扫描电镜和视觉透明度：SEM显示所有薄膜均具有致密无孔的形态结构，添加DES后薄膜表面出现微小颗粒，这是由于溶剂蒸发过程中成分的相分离所致。颜色测量表明，添加DES和Ext后薄膜黄色度增加，其中香蕉皮提取物(BE)产生的着色最明显。

溶胀行为：DES的添加显著改变了薄膜的溶胀特性，ChCl/CA使溶胀时间从3分钟延长至250分钟，而添加芒果皮提取物(ME)后进一步延长至1440分钟，表明材料结构更加紧密。

拉伸性能：力学测试显示，纯壳聚糖薄膜脆性大，断裂伸长率仅为9.7%。添加DES后，材料的柔韧性显著改善，Ch/DES/Ext薄膜的断裂伸长率提高至89.7-141.6%，最高提升达142%，达到了低密度聚乙烯的水平，完全满足包装材料的机械要求。

热重分析：TGA结果表明，添加DES和Ext后，薄膜的5%重量损失温度(T_5%)有所降低，这主要与材料中水分含量有关，但所有材料在食品储存温度下均表现出良好的热稳定性。

水蒸气透过率：WVTR测试显示，DES的加入增加了薄膜的水蒸气透过性(最高达15 g·m^-2·h^-1)，这是由于DES组分的亲水性导致的。而Ext的添加则能降低WVTR值，Ch/DES/Ext薄膜的WVTR维持在5-10 g·m^-2·h^-1之间，具有更好的阻隔性能。

抗氧化活性：DPPH自由基清除实验表明，纯壳聚糖薄膜的抗氧化活性仅为4.6%。Ch/DES/Ext薄膜表现出显著的协同增强效应，特别是含有芒果皮提取物(ME)的薄膜，DPPH清除率高达94.7%，香蕉皮提取物(BE)薄膜也达到92.2%，而橙皮提取物(OE)薄膜效果相对较弱(9.4%)。

抗菌活性：抗菌测试显示，所有薄膜对大肠杆菌(E. coli)、金黄色葡萄球菌(S. aureus)和白色念珠菌(C. albicans)均表现出优异的抑制效果。对大肠杆菌的抑制达到6个对数级以上，对革兰氏阳性菌和真菌的抑制效果也显著增强，这归因于壳聚糖、有机酸和果皮提取物中生物活性成分的协同抗菌机制。

活性特性：在实际食品保鲜实验中，Ch/DES/Ext薄膜涂层能有效减少樱桃番茄的重量损失，21天后仅损失4.2-4.3%。在面包防霉实验中，Ch/ChCl/CA/BE和Ch/ChCl/CA/ME薄膜包装的面包在40天内未出现霉变，显著优于普通聚乙烯包装。

该研究通过将DES与果皮提取物创新性地结合到壳聚糖基质中，成功开发出了一类具有优异综合性能的生物活性薄膜材料。这些薄膜不仅具有良好的机械性能和可调控的水蒸气阻隔性，还表现出显著的抗氧化和抗菌活性，能有效延长食品保质期。特别是Ch/DES/Ext薄膜在面包防霉方面表现出色，能将霉变时间推迟至40天以上，远超常规包装材料。

研究的创新之处在于充分利用了食品加工副产品(甲壳类动物外壳和果皮)作为原料来源，符合循环经济理念。DES不仅作为塑性剂改善了材料的机械性能，还作为功能组分增强了薄膜的生物活性。不同果皮提取物的组合使用实现了功能的可设计性，可根据不同食品的保鲜需求定制专用包装材料。

这种基于天然聚合物的活性包装技术为减少传统塑料包装的环境污染提供了可行方案，同时通过增强食品保鲜效果减少了食物浪费。研究成果对推动食品包装行业向更加可持续、功能化和环保方向发展具有重要意义，为生物基活性包装材料的商业化应用提供了坚实的技术基础。未来的研究可进一步探索不同DES和提取物的组合效果，优化制备工艺，降低成本，推动这类材料在实际食品包装中的大规模应用。