基于聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)（PHBV）和含有芸香苷及香芹酚的蛋白质的活性双层薄膜，这些薄膜被封装在皮克林乳液中

《Polymer》：Active bilayer films based on poly(3-hydroxybutyrate-co-3hydroxyvalerate) (PHBV) and proteins containing rutin and carvacrol encapsulated in Pickering emulsion

本研究通过热压缩粘合技术制备PHBV/蛋白基双层活性薄膜，利用Pickering乳液封装槲皮素和百里酚，显著提升薄膜的阻氧性（降低27.6%-38%）、水阻性和机械性能，同时保持抗氧化活性及对大肠杆菌的抗菌效果。该复合结构为可持续食品包装提供了新方案。

　　这项研究探讨了通过构建双层结构来增强蛋白质基薄膜性能的策略。PHBV（聚(3-羟基丁酸-共-3-羟基戊酸)）是一种可生物降解的生物合成聚酯，它与蛋白质基薄膜具有互补的阻隔性能。因此，研究的目的是制备并表征含有 rutin 和 carvacrol 的 PHBV/gelatin（GE）或 sodium caseinate（SC）单层薄膜，这些薄膜通过 Pickering 乳液（PE）进行封装，并通过热压成型制备成双层结构。研究发现，PE 的引入显著降低了 GE 薄膜的氧气渗透率（OP）27.6%，SC 薄膜的 OP 降低 5%，这归因于薄膜结构的复杂化，即通过乳液中的油滴形成曲折路径，从而增强了薄膜的抗氧化活性，尤其是在极性较低的模拟物中。此外，GE 薄膜在 PE 的作用下表现出更高的机械强度，增加了 29%，这表明存在显著的酚类物质与胶原蛋白之间的相互作用。当蛋白质基薄膜与 PHBV 层进行复合时，双层薄膜的水和氧气阻隔性能显著提高，机械性能则介于两种单层薄膜之间。PE 加载的双层薄膜在氧气阻隔性能上比单层薄膜提升了 16-38%，但抗氧化活性则有所下降，约降低了 19%。与此同时，这些 PE 加载的双层薄膜还表现出一定的抗菌活性，特别是对大肠杆菌的抑制作用。因此，这种双层结构在延长食品保质期和提供可持续的活性食品包装方面展现出潜在的应用价值。

研究背景指出，随着对减少化石燃料衍生传统聚合物使用以应对塑料废弃物造成的环境问题的关注增加，这些材料仍然是食品包装的主要选择，因为它们具有优异的物理化学性能和较低的成本。因此，近年来，研究人员开始探索由可再生资源制成的生物可降解聚合物材料，以提供替代方案，减少传统材料对环境的负面影响。PHBV 作为一种由可再生资源制成的生物可降解合成聚合物，具有疏水性、高水蒸气阻隔性和良好的机械强度，使其成为食品包装开发的有前景材料。然而，PHBV 的氧气阻隔性能较差。相比之下，蛋白质基薄膜表现出优于生物可降解合成聚合物薄膜的氧气阻隔性能，因此需要制造具有互补特性的双层薄膜，以提升 PHBV 薄膜的物理化学性能。已有研究表明，基于胶原蛋白和钠酪蛋白的薄膜在氧气阻隔性能方面表现最佳，这使它们成为在复合工艺中和形成双层薄膜方面具有优良特性的材料。目前，关于基于 PHBV 的活性双层薄膜的研究较少，且在蛋白质-PHBV 单层薄膜的热压粘接方面尚未见相关文献报道。

研究的目标是开发基于 PHBV（作为第一层和被动层）和胶原蛋白或钠酪蛋白（作为第二层和活性层）的活性双层薄膜，并在其中引入含有 rutin 和 carvacrol 的 Pickering 乳液。此外，研究还对这些单层和双层薄膜的阻隔性能、光学性能、热性能、机械性能、微观结构以及 FTIR 和密封强度进行了表征。同时，对薄膜在两种食品模拟物中的抗氧化活性以及对大肠杆菌的抗菌活性进行了分析。

研究材料包括中等分子量（190-310 kDa）和纯度 ≥98.0% 的壳聚糖，纯度 ≥94.0% 的 rutin，纯度 ≥98% 的 carvacrol，以及钠氢氧化物（Sigma-Aldrich，马德里，西班牙），食品级大豆油（Cargill Agrícola S.A.，圣保罗，巴西），食品级大豆卵磷脂（Carumuru Alimentos，圣保罗，巴西），纯度为 96% 的乙酸和乙醇（Panreac Química，巴塞罗那，西班牙），用于制备 Pickering 乳液。

在微观结构分析中，研究发现蛋白质层比 PHBV 层更薄，这与它们在制备过程中使用的不同重量比例有关。在 PHBV-SC-PE 薄膜中，钠酪蛋白层原本光滑且均匀的结构在 PE 的加入后变得不规则和不均匀，这是因为乳液中存在大量的分散油滴聚集物（图 2）。这种现象可能归因于这些成分之间较差的相容性。相比之下，GE-PE 薄膜没有显示出可见的脂滴或聚集物，表明其结构更为均匀和稳定。

研究结论表明，PHBV 和蛋白质基的双层薄膜在水和氧气阻隔性能方面表现出显著提升，而机械性能则介于两种单层薄膜之间。在这些双层薄膜中，基于胶原蛋白的薄膜展现出更优的阻隔性能和更低的水溶性。此外，含有 rutin 和 carvacrol 的 Pickering 乳液的引入不仅增强了双层薄膜的氧气阻隔性能，还赋予其显著的抗氧化活性。与此同时，这些双层薄膜还表现出一定的抗菌活性，特别是对大肠杆菌的抑制作用。因此，这种双层结构在食品包装领域具有广阔的应用前景，尤其是在延长食品保质期和提供可持续包装解决方案方面。

研究的贡献部分指出，Beatriz Guevara-Guerrero 负责撰写原始草稿、验证、方法设计、实验调查、形式分析、数据管理、概念设计；Eva Hernández-García 负责撰写、审阅和编辑、验证、方法设计、实验调查、形式分析、数据管理；Chelo González-Martínez 负责撰写、审阅和编辑、监督、资源获取、项目管理、方法设计、资金获取；Paulo José do Amaral Sobral 负责撰写、审阅和编辑、监督、资源获取、项目管理。此外，研究声明作者没有已知的可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。数据将在请求时提供。研究得到了巴西国家高等教育部（CAPES）的资助，包括博士奖学金（编号 001，B.G.G. 的博士奖学金）和博士分奖学金（编号 88887.916357/2023-00）。此外，研究还得到了巴西国家科技发展委员会（CNPq）的资助，以及由 MCIN/AEI 和欧洲联盟资助的项目 PID2022-140444OB-I00。

总的来说，这项研究通过引入 Pickering 乳液封装的活性成分，探索了如何改善 PHBV 和蛋白质基薄膜的性能。研究结果表明，双层结构能够有效提升阻隔性能和机械性能，同时保持一定的抗氧化和抗菌能力。这些发现为开发可持续、高效的食品包装材料提供了重要的理论支持和实践指导。