基于多糖和蛋白质的生物聚合物水凝胶：在活性和智能食品包装中与花青素及生物活性化合物的相互作用——综述

《International Journal of Biological Macromolecules》：Biopolymer hydrogels based on polysaccharide and protein: Interactions with anthocyanins and bioactive compounds in active and intelligent food packaging: A review

　　• 建立了一个结构-功能框架，将多糖/蛋白质的特性和 hydrogel 网络属性与包装性能联系起来。
• 阐明了 hydrogel-花青素以及 hydrogel-生物活性相互作用如何控制稳定性、实现可控释放和 pH 响应的新鲜度检测。
• 将 hydrogel 设计与多种实际食品包装应用中的活性保鲜和智能监控相结合。
• 识别了商业化过程中在材料、工艺和系统层面存在的障碍，并提出了实现稳定、可扩展和多功能 hydrogel 包装的综合策略。

引言
食物浪费和塑料污染是全球最紧迫的挑战之一。这两者共同推动了对于能够不仅保存食物还能向消费者传达其质量的可持续包装解决方案的迫切需求 [1][2]。作为回应，食品包装已经从被动容纳发展为了能够主动与食物互动并传递其质量状态的复杂系统。因此，基于生物聚合物的 hydrogels 和薄膜的开发成为应对这些挑战的重要策略。Hydrogels 是由通过物理或化学键连接的多分子链组成的亲水性三维网络 [3]。这些材料可以吸收和保持大量的水或生物流体，其吸水量可以从自身干重的几倍到几百倍不等 [3]。它们的持水能力和灵活的网络结构使其适合用于调节鲜食品包装中的水分和渗出物 [3][4]。

生物聚合物薄膜来源于可再生资源，包括多糖（如纤维素、壳聚糖、藻酸盐和淀粉）和蛋白质（如明胶、胶原蛋白和玉米醇溶蛋白）。这些材料具有固有的生物降解性和生物相容性，这使它们区别于传统的石油基塑料 [5][6]。这些基于生物聚合物的材料支持两种互补的包装方法：活性包装和智能包装。活性包装通过与食物或其环境互动来延长货架寿命，通常是通过释放抗菌或抗氧化物质，或者通过消除诸如水分或乙烯等不良因素来实现 [3]。相比之下，智能包装则监测包装食品或其周围环境的状态，跟踪 pH 值、温度和气体成分等参数。它向消费者提供有关包装食品状况的视觉信息 [7][8]。将这些功能集成到基于 hydrogel 的薄膜中是多功能食品包装材料的重要进展。

对可持续替代品的需求是由于食物浪费和塑料污染的规模巨大及其相关的环境和公共卫生后果所驱动的。由微生物污染和氧化引起的变质不仅缩短了货架寿命，还带来了相当大的公共卫生风险。世界卫生组织报告称，不安全的食物每年导致约 6 亿例食物中毒病例和 42 万人死亡，相关的经济负担估计每年为 100 亿至 830 亿美元 [9]。对于易腐食品来说，收获后的损失尤其严重，由于储存和保存方法不当，每年有超过三分之一的水果和蔬菜被浪费 [10]。

同时，传统包装对环境的影响也变得不可持续。包装行业主要依赖于无法生物降解的合成塑料，这些塑料在环境中持续存在数百万年，并产生对生态系统和人类健康构成风险的微塑料 [4][11]。这些影响凸显了需要符合循环经济原则的可持续替代品。从农业副产品和天然聚合物中提取的 hydrogels 由于其可再生性、无毒性和环境生物降解性，成为潜在的可持续替代品 [4][12]。它们调节湿度的能力可以降低食品表面的水分活度 (aw)，从而抑制微生物生长，延长高水分产品的货架寿命，例如肉类和新鲜切割的农产品 [3]。

尽管具有这些结构优势，但纯 hydrogels 作为独立包装材料的应用面临着重大限制，特别是机械强度不足和缺乏内在的生物活性 [13]。将生物活性化合物和天然色素结合到 hydrogel 基质中对于克服这些限制并创建活性和智能包装系统至关重要。天然抗菌和抗氧化剂，包括精油、植物提取物和金属纳米颗粒，越来越多地被用来抑制变质微生物和氧化过程。例如，在海藻酸/聚乙烯醇 hydrogels 中加入氧化锌纳米颗粒和蜂蜜可以增强机械性能，同时对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌等病原体表现出显著的抗菌活性 [4]。同样，将柠檬草精油等挥发性化学物质封装在 hydrogel 乳液中可以实现湿度响应的可控释放，从而确保持久的抗菌效果 [14]。天然色素进一步扩展了功能，将 hydrogels 转变为响应性新鲜度指标。在富含蛋白质的食品中，变质通常会产生总挥发性碱性氮 (TVB-N) 化合物，包括氨和三甲胺，这些化合物会改变包装内气体的 pH 值 [15]。天然色素如花青素（来自紫玉米、芙蓉和红卷心菜）、姜黄素和茜素具有变色特性，会在 pH 值变化时发生显著的颜色变化 [7][8]。注入花青素的海藻酸 hydrogel 珠能够通过明显响应挥发性胺类的增加来有效指示肌肉食品的新鲜度 [15]。最近的进展结合了保鲜和传感功能。例如，集成到 hydrogels 中的锌-没食子酸金属有机框架提高了机械强度和气体吸附能力，同时提供抗氧化保护，其中茜素作为新鲜度指示剂 [8]。结构生物聚合物、生物活性剂和传感组件的整合代表了食品包装研究的一个重要方向。这样的集成系统可以解决未经改性的 hydrogels 的一些机械局限性，同时结合了保鲜和新鲜度监测功能。

几篇最近的综述探讨了该领域的相关方面，包括基于多糖和蛋白质的 hydrogels、基于花青素的比色指示剂以及更广泛的活性/智能包装系统。然而，这些工作大多将分子结构、生物活性相互作用和功能性能视为独立的主题。本综述在两个主要方面不同于以往的综述：首先，它在一个统一的结构-功能框架内整合了分子结构、生物活性相互作用和功能性能。该框架将生物聚合物的特性与交联行为和网络拓扑结构联系起来，进而影响生物活性和色素化合物的封装、稳定性和释放。其次，该综述引入了一个分层的材料、工艺和系统级别的框架，用于评估将实验室规模的 hydrogel 系统转化为商业应用所面临的转化障碍。

**基于生物聚合物的 hydrogels 基础知识**
Hydrogels 是三维的亲水性聚合物网络，可以吸收和保持大量水或生物流体而不会溶解。这种结构源于通过物理或化学键连接的交联聚合物链，形成了多孔矩阵，从而具有高膨胀能力和可调的物理化学性质 [16]。这种膨胀行为基本上受到经典聚合物网络理论的控制，该理论将平衡膨胀比与交联密度和聚合物-溶剂相互作用联系起来。

**基于 hydrogels 的包装薄膜的制备策略**
制备策略在决定基于 hydrogels 的包装系统的结构、机械和功能性能方面起着关键作用。近年来，人们已投入大量努力开发可扩展且高效的处理技术，以实现生物活性化合物的掺入同时保持材料完整性。如图 1 所示，已采用了多种制备技术来生产具有定制特性的基于 hydrogels 的包装薄膜。

**基于 hydrogels 的薄膜的活性包装应用**
基于 hydrogels 的薄膜通过与食物微环境的主动互动提供了传统被动包装的替代方案。由于其三维的亲水性聚合物网络和高水分含量（通常为 >70–90% w/w），hydrogels 为生物活性化合物的掺入、稳定性和可控释放提供了一个多功能平台 [46]。与传统的聚合物薄膜不同，其中迁移主要是由扩散驱动的，Hydrogels 矩阵可以...

**基于 hydrogels 的可生物降解智能包装中的天然色素**
基于含有天然色素的 hydrogel 矩阵的智能包装系统的开发，将基于 hydrogels 的包装从被动保鲜扩展到实时质量监测。与依赖外部设备的传统传感器系统不同，基于 hydrogels 的智能薄膜将传感功能直接集成到包装材料中，实现了对食品新鲜度的连续和非侵入式评估。这种方法特别...

**基于 hydrogels 的薄膜的物理化学和功能性能**
基于 hydrogels 的包装薄膜的功能性能和实际适用性受到聚合物组成、交联密度以及功能性添加剂（如纳米颗粒、增塑剂或生物活性化合物）掺入的复杂相互作用的影响。这些结构因素同时决定了机械强度、屏蔽性能、光学性质、膨胀行为和生物降解性，同时也影响运输、保留和释放...

**在不同食品类别中的应用**
基于生物聚合物的 hydrogels 包装薄膜已在各种食品基质中得到应用，其性能因产品组成和变质机制而异。比较评估有助于评估 hydrogel 系统在不同食品基质中的表现，包括肉类、鱼类、乳制品、水果和烘焙产品。表 4 总结了代表性研究，强调了薄膜组成、主要功能以及对质量和...

**挑战、限制和未来展望**
尽管在基于 hydrogels 的活性和智能食品包装的开发方面取得了显著进展，但这些材料从实验室规模原型向商业产品的转变仍受到几个相互关联的挑战的限制。这些限制不仅限于材料性能，还包括制造可扩展性、经济可行性、法规合规性和市场接受度。重要的是，这些约束在不同的但相互关联的层面上起作用。

**结论**
本综述表明，基于多糖、蛋白质和杂化的 hydrogels 为活性和智能食品包装提供了多功能平台，其网络结构、聚合物-生物活性相互作用和物理化学特性共同决定了机械完整性、屏蔽性能、生物活性稳定性、可控释放和刺激响应传感。特别是，Hydrogel-花青素和 Hydrogel-生物活性相互作用对于维持...

**作者贡献声明**
Mahmuda Tasnim：撰写 - 审稿和编辑、撰写 - 原稿、可视化、验证、方法论、研究、数据整理。
Moushumi Akter：撰写 - 原稿、验证、方法论。
MohammadRezaul Islam Shishir：撰写 - 审稿和编辑、撰写 - 原稿、验证、概念化。
Md. Nahidul Islam：撰写 - 审稿和编辑、撰写 - 原稿、验证、监督、项目管理、研究、资金获取、数据整理。

**关于写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明**
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**利益冲突声明**
作者确认本文内容没有利益冲突。

**致谢**
作者感谢高等教育加速和转型项目 (HEAT-Sub Project-13696) 的财政支持，该项目由孟加拉国大学资助委员会和世界银行资助。
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