综述：藻酸盐和卡拉胶纳米复合活性包装：制备技术、应用及环境问题的最新见解综述

本综述系统探讨了藻酸盐（alginate）与卡拉胶（carrageenan）纳米复合活性包装的前沿进展，重点分析了其制备技术（如静电纺丝、3D打印）、功能特性（抗菌/抗氧化/屏障性能）及在食品包装（果蔬、肉制品、乳制品）中的应用潜力，为开发可持续、高性能生物基包装材料提供了重要理论依据和技术方向。

　　

引言

全球对环境可持续性和食品安全的关注推动了创新包装解决方案的研究与发展。传统塑料包装因其不可降解特性导致严重的生态污染和健康问题，预计到2050年塑料废弃物总量将达到260亿吨。在此背景下，从可再生资源开发的生物活性包装材料因其低毒性、低碳和可降解特性成为研究热点。多糖基生物活性薄膜，特别是源自褐藻的藻酸盐和红藻提取的卡拉胶，凭借其生物降解性、生物相容性和成膜能力脱颖而出。

可食用薄膜/涂层的制备方法及食品包装应用

涂层技术通过在产品表面沉积薄层（液态溶液或固态纳米颗粒/粉末）切断食物与环境的直接接触，从而延长保鲜期。常用方法包括浸涂、喷涂、旋涂和辊涂。浸涂法将水果浸入可食用涂层溶液后干燥形成保护层，但可能存在涂层不均匀问题；喷涂法通过专用喷嘴雾化溶液实现均匀覆盖，适用于大规模生产；旋涂法可制备均匀纳米级涂层但材料浪费严重；辊涂则通过多辊系统精确控制涂层厚度。研究表明，添加抗菌/抗氧化提取物的多糖涂层可显著延长产品货架期，例如壳聚糖-单宁酸涂层使百香果在室温下保鲜7天，藻酸钠-二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒涂层有效保持桃子7天品质。

藻酸盐及其应用

藻酸盐是由β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G）组成的线性多糖，其凝胶强度、粘度等性质取决于M/G比例和序列分布。高G比例形成硬度更强的凝胶，而高M比例则增强弹性。藻酸盐可通过与锌、钙、镁等多价阳离子交联形成热稳定凝胶，在药物递送、伤口愈合和组织工程等生物医学领域应用广泛。在食品包装中，藻酸钠基材料具有强度高、光泽度好、柔韧性佳、水溶性、低氧和蒸汽渗透性以及中性气味等特点，最初用于易腐或切片果蔬的涂层，现已扩展到肉制品等更多食品类别。

卡拉胶及其应用

卡拉胶是一种富含半乳糖的线性多糖，其分子中的多个羟基和硫酸酯基团允许引入多种生物活性化合物，赋予包装薄膜材料多种功能特性。与生物聚合物和纳米结构结合的卡拉胶混合材料在组织工程（骨/软骨）、药物递送系统、伤口愈合和3D生物打印等领域展现巨大潜力。研究表明，卡拉胶-氧化锌（ZnO）纳米复合涂层可减少芒果物理和生物损伤，使货架期延长14天；卡拉胶/山茶油薄膜显著降低鸡肉中嗜冷菌数量；卡拉胶/姜黄素薄膜抑制金黄色葡萄球菌和粘质沙雷氏菌，适用于虾类包装；芦荟凝胶-卡拉胶复合膜能有效抑制冰淇淋中多种有害微生物。

可持续发展目标（SDGs）：多糖包装薄膜的意义

藻酸盐和卡拉胶基包装薄膜通过减少食物浪费（SDG 2）、提供无毒食品包装促进健康福祉（SDG 3）、推广可生物降解材料实现负责任消费和生产（SDG 12）以及降低碳足迹助力气候行动（SDG 13），支持联合国多项可持续发展目标。这些可食用薄膜通过增强食品包装设计减少食品腐败，解决粮食短缺和营养不良问题，同时通过减少化石燃料塑料使用降低碳排放，对抗气候变化。

用于薄膜形成的多糖

多种多糖被用于可食用包装，包括微生物衍生的黄原胶和普鲁兰多糖；植物衍生的纤维素、淀粉和果胶；动物衍生的几丁质和壳聚糖；以及海洋衍生的藻酸盐。这些多糖基薄膜和涂层无油、味道中性、无色，具有改进的化学稳定性和加工适应性，能通过对抗氧化酸败、颜色变化和脱水问题延长水果、蔬菜、肉类和海鲜的保质期。

开发薄膜的性能

生物聚合物基包装材料的性能受多种因素影响，包括生物聚合物来源、聚合物链排列、加工方法以及交联/结晶度水平。可食用薄膜的物理性能主要取决于其主要成分的特性，对于多组分配方，各成分的化学组成和相容性至关重要。薄膜厚度和一致性显著影响涂层产品的生物学特性和寿命，而机械强度对于防止生产、处理、储存或使用过程中因灵活性或耐久性不足导致的早期失效或开裂至关重要。

薄膜开发技术

可食用薄膜和涂层的制备主要采用湿法和干法工艺。湿法工艺中的流延法（溶剂浇铸）通过将成膜溶液铺展在平坦表面并控制干燥形成薄膜，简单且不需要特殊设备，但干燥时间长，不适合大规模商业生产。干法工艺中的挤出法通过结合机械能和热能使组分在低水分下转变成薄膜，更省时节能，产生更优的机械和光学性能，但受材料耐高温性或低水分含量限制。

功能特性

抗菌包装通过加入天然或合成剂预防或消除病原微生物，延长保质期并提高食品安全。这些剂通过迁移、控制释放和表面涂层等方法提供持续抗菌保护。整合抗菌剂到包装薄膜中对于预防食源性疾病和腐败至关重要，同时利用可再生和可生物降解聚合物有助于环境保护。

纳米复合材料用于抗菌包装

纳米复合材料通过将纳米材料与聚合物结合增强包装材料的抗菌品质。这些先进材料通过防止微生物污染保持食品和其他易腐产品的安全并延长其保质期。生物纳米复合材料是由增强剂（分散相）和作为基质的生物聚合物（连续相）组成的生物基聚合物，颗粒尺寸范围1-100纳米，具有成本效益高、灵活、生物相容、可生物降解和环境友好等优点。

纳米颗粒（NPs）的作用机制

纳米颗粒通过其中和活性氧（ROS）、捐赠电子稳定自由基、螯合金属离子、附着和穿透微生物细胞膜、产生ROS破坏微生物细胞组分、穿透微生物细胞结合细胞内分子、释放具有抗菌特性的离子以及干扰生物膜形成等多种机制，展现强大的抗氧化和抗菌活性。这些机制利用纳米颗粒的独特属性，包括大的比表面积、增强的反应性和在分子和细胞水平上参与的能力。

食品包装应用

嵌入纳米颗粒的多糖薄膜因其改进的机械强度、屏障功能、生物相容性和生物活性而提供多样潜在应用。通过整合抗菌或抗氧化纳米颗粒，这些薄膜能显著抑制微生物生长并减缓氧化，从而延长食品保质期。它们还可用作水果、蔬菜和其他易腐物品的可食用涂层，提供防潮和防氧的额外保护层同时保持食用安全。

藻酸盐-卡拉胶联合使用于生物活性食品包装薄膜/涂层

藻酸盐和卡拉胶的组合能协同改善薄膜的功能和物理特性。研究表明，将这两种多糖交联并加入柑橘皮提取物和氧化铜纳米颗粒能增强薄膜的物理化学和功能特性；多层薄膜相比单层薄膜在抗氧化和抗菌活性、机械性能、紫外线抵抗和热属性方面显示显著改进；κ-卡拉胶在改善薄膜机械和屏障品质方面起重要作用，而藻酸盐增强薄膜透明度和均匀性。

市场可扩展性

将藻酸盐/卡拉胶与其他可生物降解聚合物和纳米填料混合形成多相复合材料，通过有益相互作用破译更好的功能性、受控水敏感性和更强的机械性能，从而提高整体性能。各种涂层技术已被开发用于加强生物聚合物共混物抵抗化学和水分暴露，改善其防水性能。

环境考虑和安全法规

活性可食用包装材料通常是可生物降解的，有助于减少垃圾填埋场和海洋中的塑料废物。它们自然分解而不留下有害残留，从而支持更清洁的环境。许多可食用包装材料是可堆肥的，在分解时提供营养回土壤。这些材料通常来自可再生资源，如植物（淀粉、纤维素）、藻类甚至动物副产品（明胶、壳聚糖）。

挑战与限制

藻酸钠/卡拉胶基包装薄膜虽然提供延长保质期和保持食品品质的优势，但必须解决几个限制以实现其广泛采用。例如，加入生物活性添加剂（抗氧化剂或抗菌剂）常常损害薄膜机械性能，阻碍商业化和工业使用——特别是运输包装食品时。此外，植物基天然提取物（多酚）在这些薄膜中的长期稳定性需要彻底研究以确保实际可行性。

未来展望

多糖基生物活性薄膜，如藻酸盐和卡拉胶等制成的薄膜，在各种应用中显示出巨大潜力，特别是在食品包装和生物医学领域。纳米颗粒的整合能显著增强这些薄膜的功能特性。制定技术将纳米颗粒均匀分布在整个多糖基质中以提高拉伸强度和柔韧性。探索纳米粘土、金属氧化物和其他纳米颗粒的应用以增强防潮、防气和防油性能。