纳米纤维素–海藻酸盐–芦荟黏液膜用于面包保鲜的增强生物聚合物网络形成与功能性能

《Journal of Stored Products Research》：Reinforced biopolymer network formation and functional performance of nanocellulose–alginate– Aloe vera mucilage films for bread preservation

　　

• 纳米纤维素-海藻酸-黏液膜形成了增强型多糖网络结构。
• SNCF在纳米纤维素含量为5%、黏液含量为4%时拉伸强度达到23.06 MPa。
• SNCF在所筛选的膜配方中表现出较低的透湿率和吸水率。
• 在8天储存期间，SNCF对面包品质的保持效果优于单一组分对照膜。
• 埋土23天后，SNCF的干重损失率达到98%。

引言

与持久性石油基食品包装材料相关的环境负担日益加剧，促使研究者更加积极地寻找能够同时满足食品防护所需力学性能、阻隔性能和功能性的增强型生物基替代材料（Siddiqui等人，2024）。植物来源的多糖、蛋白质和脂质因其可再生性、成膜能力以及在各类食品体系中的适用性，越来越多地被探索用于可食用和可降解膜及涂层的制备（Gupta等人，2024）。

因此，当前研究已逐步向包含二元、三元以及纳米材料的复合体系发展，以克服单一成膜生物聚合物的局限性并提升包装功能（Kumar等人，2023）。多糖基膜在可持续包装领域具有吸引力，但其对水的强亲和力可能导致其具有湿敏感性、膨胀以及在潮湿条件下阻隔性能不足的问题，因而需要进行结构修饰或与互补材料复合（Zhao等人，2025）。三元多糖体系提供了一个在同一基质中将具有不同结构和功能特性的聚合物相结合的机会，从而在强度、柔韧性、阻隔行为和功能之间实现更为平衡的关系（Adhikary等人，2023）。多组分膜的最终性能受其组成聚合物的相对比例强烈影响，因为海藻酸钠、羧甲基纤维素和淀粉比例的变化已被证明可以改变三元包装膜的化学、形貌、热学、力学和阻隔特性（Ramakrishnan等人，2023）。纳米纤维素作为一种增强相特别具有吸引力，因为它具有纳米级尺寸、刚性结构、高比表面积、结晶度高以及丰富的表面羟基，这些都便于其与周围聚合物链发生相互作用（Wang等人，2024）。将其引入生物聚合物基质中可以改善结构组织性和力学抗性，同时增加扩散路径的曲折度，尽管这些效益高度依赖于其在连续聚合物相中的分散性和相容性（Xu等人，2024）。纳米纤维素特性的重要性在藻酸钠膜中尤为明显，其中纤维素纳米晶的长径比和表面电荷密度已被证明会影响增强效率、分子间缔合、聚集行为和水蒸气传输（Yang等人，2024）。

农业废弃物为纤维素纳米晶提供了前景广阔的可再生资源，使人们能够在利用生物质（否则可能未被充分利用）的同时开发功能性包装材料（Ghosh等人，2024）。近期关于农业废弃物衍生纳米纤维素的进展进一步表明，作物残留物、蔗渣、果蔬副产物及其他木质纤维素材料可作为生物基食品包装应用中纳米纤维素的原料（Ren等人，2024）。海藻酸钠是可持续食品包装中重要的成膜多糖，因为它具有可再生性、可降解性、与其他大分子的良好相容性，以及形成含有丰富羟基和羧酸功能基团的连续基质的能力（Metha等人，2024）。

近年来在基于海藻酸的活性和智能包装方面的进展表明，基质修饰和功能组分的引入可以显著拓展海藻酸膜和涂层的物理化学及保鲜功能（Li等人，2024）。海藻酸钠与纳米纤维素的直接复合也已经产生了具有良好力学、阻隔和食品包装特性的活性复合膜，这支持了这两种结构组分在增强型包装基质中的相容性（Rahman等人，2024）。尽管如此，湿敏感性和单一机械性能方面的局限性仍是海藻酸体系中的重要考量，因此近期研究强调了通过纳米复合、聚合物共混和功能添加剂的引入来增强其实际包装性能（Tammina等人，2025）。芦荟衍生的多糖同样受到额外关注，因为其引入海藻酸钠基质中已被证明可以改变膜厚度、力学行为、水分相关性能和阻隔特性，表明海藻酸与芦荟衍生物在食品包装体系中的相容性（Hadi等人，2023）。更广泛地说，植物黏液是可再生的、富含多糖的材料，具有成膜潜力，当其引入可降解复合膜和涂层时可以赋予柔韧性、吸水能力以及功能性特征（Deshmukh等人，2025）。然而，其固有的亲水性可能对耐湿性产生不利影响，从而促使研究者通过共混和增强策略来改善黏液基膜的力学、阻隔和功能特性（Hailu，2025）。利用稻草作为纳米纤维素来源与本体系尤为相关，因为近期研究表明稻草衍生的纳米纤维素可以被引入可降解食品包装膜中以改善力学特性并支持保质期保鲜，为该农业废弃物转化为功能性包装增强材料提供了直接证据（Nair等人，2025）。

新型包装材料的评估不应仅限于膜表征，因为材料性能的提升最终必须转化为对包装食品可衡量的保护效果。面包作为重要模型食品，其保质期受水分再分配、老化、微生物腐败以及与周围包装环境相互作用的影响（Gigante等人，2023）。明胶-银纳米复合膜应用于吐司面包的研究表明，活性包装可以减少硬度发展、维持水分相关特性并在储存期间抑制细菌和霉菌生长（Yousefi等人，2024）。活性与智能包装在面包及其他烘焙产品方面的最新进展进一步强调了湿度调节、氧气管理、抗菌功能和活性组分递送作为延长烘焙产品保质期的重要机制（Beikzadeh等人，2025）。增强型生物聚合物包装的实用潜力也得到了含TiO?/N共掺杂碳点的壳聚糖基膜的验证，该膜在环境条件下保持了切片面包的水分、质构和微生物品质并延长了其储存寿命（Khan等人，2025）。

尽管取得了上述进展，但目前关于稻草衍生纳米纤维素、海藻酸钠和芦荟黏液在同一三元膜基质中联合利用的信息仍然有限。更具体地说，配方组成、分子间缔合、膜组织、力学增强、水分阻隔性能以及后续面包保鲜效果之间的关系仍未充分确立。理解这些关系对于设计多组分多糖膜具有重要意义，在该膜中纳米纤维素的刚性增强贡献与海藻酸钠的连续成膜特性以及芦荟黏液的柔性多糖贡献达到平衡。

因此，本研究旨在从稻草中提取纳米纤维素，并开发不同纳米纤维素和黏液浓度的纳米纤维素-海藻酸钠-芦荟黏液复合膜。开发的配方首先根据力学性能进行筛选，随后对所选膜的含水率、厚度、水蒸气透过行为和水溶性进行评估。进一步采用傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和热重分析研究了官能团相互作用、表面形貌和热特性。由于膜制备过程中未引入外部Ca2?或共价交联剂，该体系被解释为物理缔合和增强的多糖网络，而非化学交联结构。

所选纳米复合膜进一步通过埋土干重损失和视觉崩解进行评估，并作为面包包装材料进行测试。其保鲜效果通过与纳米纤维素对照膜和黏液对照膜比较，监测储存期间近红外组成、水分活度、pH值、硬度、游离脂肪酸含量、脂质氧化和好氧微生物载量的变化。本研究的创新性在于建立了稻草纳米纤维素-海藻酸-芦荟黏液三元体系中的组成-相互作用-性能关系，通过将配方依赖的分子间缔合和膜微观结构与力学增强、水分阻隔性能、热行为、埋土干重损失以及短期面包保鲜效果联系起来。

部分节选

材料与方法

甘油和海藻酸钠（纯度：98%）购自印度新德里Daryaganj的Central Drug House。乙醇和其他溶剂如氯仿购自印度孟买的Loba Chemie Pvt. Ltd。酚酞指示剂和氢氧化钾购自美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich。丁基羟基茴香醚（BHA）和硫代巴比妥酸/三氯乙酸（TBA/TCA）购自印度孟买的Hi-Media Pvt Ltd。氯霉素沙保弱琼脂培养基是……

纳米复合膜的合成

代表性纳米复合膜和对照膜的视觉外观如图1所示。通过湿法流延法制备的膜在干燥后形成了连续、自支撑的结构，证实了纳米纤维素、海藻酸钠、芦荟黏液和甘油适用于膜的制备。全部36种复合配方和两种对照膜的完整视觉外观见补充图S1。图1中展示的代表性膜表现出……

结论

本研究成功开发了增强型纳米纤维素-海藻酸-芦荟黏液膜，其配方依赖的力学、水分相关、结构、热学及面包保鲜特性均得到了验证。在所评估的36种复合配方中，含5%纳米纤维素和4%黏液的SF8/SNCF表现出最优异的整体性能，包括最高拉伸强度23.06 ± 0.78 MPa，同时具有相对较低的含水率。

CRediT作者贡献声明

Renu Kamboj：撰写—初稿、可视化、验证、方法学、调查研究、概念设计。Aarti Bains：撰写—初稿、可视化、验证、监督指导、概念设计。Sanju Bala Dhull：监督指导、软件、资源、数据整理。Pardeep Kumar Sadh：可视化、验证、资源、方法学。Mohammad Rashid Khan：验证、监督指导、数据整理、概念设计。Abdullah F. AlAsmari：监督指导、软件、资源。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得沙特国王大学持续研究资助计划（ORF-2026-940）的支持。作者感谢Lovely Professional University中央仪器设施（CIF）提供的研究设备设施。

Renu Kamboj | Aarti Bains | Sanju Bala Dhull | Pardeep Kumar Sadh | Mohammad Rashid Khan | Abdullah F. AlAsmari | Nazish Muzaffar | Prince Chawla | Nemat Ali