源自生物质的细菌纤维素纳米复合材料在智能与可持续食品包装中的应用：解析结构-性能-功能之间的关系，并解决实现工业化应用的瓶颈问题

《Food Bioscience》：Biomass-Derived Bacterial Cellulose Nanocomposites for Intelligent and Sustainable Food Packaging: Deciphering Structure–Property–Function Relationships and Addressing Bottlenecks Toward Industrial Translation

　　•细菌纤维素（BC）是塑料包装的可持续替代品
•纳米复合材料提高了BC的机械性能和屏障性能
•功能性添加剂增强了抗菌和抗氧化活性
•BC薄膜延长了易腐食品的保质期
•成本、产量和可扩展性仍面临关键挑战

**引言**
食品安全是影响所有国家和经济的一个重大全球性问题。食品包装在食品供应链中起着至关重要的作用，可以保护产品免受物理损伤、变质和外部因素的影响（F. Zhu, 2021）。塑料通过革新生产、储存和运输方式，已成为现代生活不可或缺的一部分（Almeida et al., 2018; Napper & Thompson, 2023; 联合国贸易和发展会议, 2023）。其轻质特性、良好的机械强度和低生产成本促进了其广泛应用，例如在消费品、运输、电子产品、纺织品和医疗产品等领域（Schmidt et al., 2018）。然而，许多塑料产品，尤其是包装材料的过度生产和短使用寿命，对全球塑料废物问题造成了严重影响。2019年全球塑料产量约为4.6亿吨，而同年产生的塑料废物约为3.53亿吨（OECD, 2022）。在主要短寿命塑料应用中，包装占塑料废物的最大比例，约40%（OECD, 2022）。同时，2019年全球只有约9%的塑料废物得到了回收处理，大部分被填埋、焚烧或管理不善，导致其泄漏到环境中（OECD, 2022）。塑料泄漏到水生环境中是一个特别重要的环境问题。联合国环境规划署估计，每年有超过1100万吨塑料废物进入海洋，凸显了管理不善的塑料废物持续流入海洋生态系统的情况（UNEP, 2021）。塑料污染的持续性和广泛分布导致了陆地、淡水和海洋环境的污染，包括地球上的偏远地区（Bergmann et al., 2022）。这些关注促使人们努力开发来自可再生和可生物降解资源的替代包装材料，以提供所需的食品保护功能，同时减少对传统石油基塑料的依赖。大多数传统塑料都是用石油衍生原料生产的，包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）（Jang et al., 2023）。它们的广泛使用，加上收集、回收和生命周期管理不足，导致了持续的环境污染。因此，开发可再生、可生物降解且功能有效的包装材料已成为减少传统塑料包装带来的环境负担的重要研究方向。

研究人员正在探索环保的塑料包装替代品。绿色食品包装主要关注两个方面：首先，使用非污染、无毒且可回收的环保材料；其次，通过减少石油衍生聚合物的使用来保护自然资源，这符合可持续发展的原则（Khalid & Arif, 2022）。因此，开发能够保持食品新鲜度、延长保质期并自然降解的环保包装材料受到了广泛关注（Muthalagu & Natarajan, 2024; Yuvaraj et al., 2021）。某些食品包装和可食用薄膜成分在适用法规框架下被确认为适用于特定食品用途（Dourado et al., 2017; Mu et al., 2019）。来自天然来源的可生物降解聚合物是下一代食品包装的有前景的材料（Salgado et al., 2021）。在各种生物聚合物中，基于多糖和蛋白质的材料（包括植物、动物和微生物）因其可生物降解性和可再生性而被广泛使用。纤维素、壳聚糖、淀粉、海藻酸钠、卡拉胶、普鲁兰和果胶是最常用的多糖基生物聚合物（Yuvaraj et al., 2021）。明胶、乳清蛋白、大豆蛋白、小麦面筋、玉米醇溶蛋白、酪蛋白和角蛋白等材料常用于可生物降解包装应用（Yuvaraj et al., 2021）。在这些天然聚合物中，纤维素因其丰富性、可生物降解性和碳中性特性而被认为是开发可生物降解薄膜的最有前途的材料，这与可持续发展目标相一致（Worku et al., 2023）。全球可持续性评估进一步强调了这一点；根据《2023年可持续发展目标报告：特别版》（联合国经济和社会事务部, 2023），实现可持续发展目标12（负责任消费和生产）和目标13（气候行动）的进展严重滞后，突显了从石油基塑料向可生物降解的生物基替代品转型的紧迫性。在这种情况下，细菌纤维素（BC）因其材料性能以及对减缓气候变化、循环经济模式和低影响智能制造过程的潜在贡献而受到越来越多的关注，包括自动化和传感器监控的发酵控制，以实现可扩展的低废物生物生产（Yee et al., 2025）。功能性生物聚合物包装的进一步发展，如含有EGCG的生物聚合物薄膜，用于活性和智能应用（Bahramian et al., 2025），反映了向多功能、生物活性和环境负责的食品包装解决方案的更广泛转变。在这场更广泛的转型中，BC已成为可持续食品包装应用的一种有前景的生物材料（Y. Zhang et al., 2025）。除了植物来源的纤维素外，还有多种微生物可以合成纤维素，其中细菌纤维素（BC）尤为引人注目。1886年，Brown首次在醋酸菌属中发现了BC，该菌在醋酸发酵过程中会产生类似凝胶的薄膜（Saleh et al., 2024）。自发现以来，关于BC的研究逐渐从了解其微生物合成和结构特性发展到探索其功能和工业应用。BC独特的纳米纤维结构、高纯度、结晶度、持水能力和机械性能最初吸引了生物医学、制药和材料科学领域的关注（Navya et al., 2022）。随着对可再生和可生物降解材料需求的增加，BC作为一种有前景的可持续生物材料在食品相关应用中崭露头角。在食品系统中，BC被研究作为一种功能性成分，更重要的是作为一种用于可生物降解食品包装的成膜材料（Cazón & Vázquez, 2021）。进一步的发展将抗菌和抗氧化化合物（如植物提取物、精油和其他生物活性剂）纳入BC薄膜和涂层中，实现了用于食品保存和延长保质期的活性包装系统（Jang et al., 2023）。最近，pH敏感指示剂、比色化合物和纳米级材料的集成使基于BC的包装发展成为能够监测食品质量并增强屏障性能、抗菌性能、抗氧化性能和机械性能的智能多功能系统（S. Yang et al., 2024; X. Zhao et al., 2025）。因此，BC的研究从最初的发现和基础表征发展到先进的活性、智能和纳米工程食品包装应用（Acharyya et al., 2024）。与其他多糖基聚合物相比，BC具有独特的结构和功能特性，包括三维纳米纤维网络、高结晶度、极高的纯度和优异的生物降解性，使其非常适合食品包装应用（Urbina et al., 2021）。与植物来源的纤维素不同，BC不需要广泛的脱木质素、漂白或去除半纤维素和果胶等步骤，这些步骤通常与木质纤维素生物质处理相关。然而，在BC用于食品包装之前，仍需进行下游纯化以去除细菌细胞、残留的培养基和其他杂质。BC相对纯净的纳米纤维网络还提供了丰富的羟基，便于化学修饰和功能性添加剂的引入，从而扩展了其应用潜力。

BC是一种由β-葡聚糖组成的生物聚合物，葡萄糖单元通过β-1,4糖苷键连接，典型的聚合度范围约为2000到6000（Girard et al., 2024）。尽管BC和植物来源的纤维素具有相同的β-1,4连接的葡聚糖结构，但它们在理化特性上存在差异，如纯度、结晶度、形态和持水能力（Hamed et al., 2022）。BC通常具有较高的纤维素纯度，木质素、半纤维素和果胶的含量远低于植物来源的纤维素（Ul-Islam et al., 2015）。在受控实验室条件下，通过将分泌纤维素的微生物引入液体培养基中，可以容易地生成BC，这具有高纯度（约90%）、高结晶度和优异的生物相容性等明显优势。由于BC独特的性质，如从天然果汁（如培养基）中合成，赋予其天然香气和颜色，使用较少的化学物质获得高纯度的纤维素，并且在将其制成薄膜、颗粒、片材、条状或定制形状方面具有显著的可塑性，以满足多样的消费和工业需求。此外，通过调节微生物菌株的代谢活性，可以精细优化BC的生产，为3D食品打印和功能性食品设计等尖端技术提供巨大潜力（Fabra et al., 2016; Liiaskina et al., 2015）。

随着对可持续包装材料需求的增加，过去十年中基于BC的食品包装研究显著扩展。本研究采用叙述性综述方法，并辅以文献计量分析。为了描述基于BC的食品包装 research 的发展情况，从Web of Science Core Collection 中检索了文献计量记录。搜索是在2026年3月使用以下主题字段进行的：TS=("细菌纤维素") AND TS=("食品包装") AND TS=("纳米颗粒")。最初检索到670条记录。随后对这些记录进行了筛选，排除与细菌纤维素无关的记录、仅关注传统纤维素、纤维素纳米晶体或其他纤维素衍生物的记录，以及与食品包装无关或超出定义范围的记录。在适用的情况下，也去除了重复记录。在筛选过程中记录了被识别、筛选和保留的记录数量。图1A–C中的文献计量分析考虑了2015年至2025年的出版物。因此，2015–2025年的时期特指出版物趋势和文献计量分析，并不代表本叙述性综述中讨论的所有参考文献。图1A显示了基于BC的食品包装研究的年度出版物趋势。使用VOS viewer进行了关键词共现分析，以识别该领域的主要研究主题和新兴趋势（图1B），而图1C展示了各国的出版物分布情况。

为了进一步扩展BC在食品包装系统中的功能，研究人员重点关注其与纳米材料（Barud et al., 2011）的集成。BC独特的3D纳米纤维结构使其具有高度多孔的网络和丰富的羟基，为固定各种纳米颗粒提供了极佳平台（N. Balistreri et al., 2024）。金属和金属氧化物纳米颗粒（ZnO、TiO2、Ag）以及生物活性纳米载体和天然抗氧化纳米结构的整合，提高了BC薄膜的屏障性能、机械性能、热性能、抗氧化性能和抗菌性能。这些混合BC纳米复合材料表现出延长保质期、抑制微生物生长和抵抗氧化降解的功能，同时保持了其可生物降解性和生物相容性（M. R. dos Santos et al., 2024）。与植物基纳米纤维素不同，BC可以在不进行广泛化学处理的情况下获得高纯度、均匀结构和可控形态，使其成为非常有吸引力的下一代绿色材料。因此，基于BC的纳米复合材料代表了开发多功能、环保和高性能食品包装解决方案的有希望的方向（Yazdi et al., 2024）。最近的几篇综述通过探讨BC的生产、结构特性、功能改性、复合材料的制备、纳米颗粒和纳米复合材料、活性和智能包装、安全性、可持续性和工业化应用，推进了对基于BC的食品包装的理解。如表1所总结的，这些综述为理解基于BC的包装材料的发展和应用提供了重要基础。本综述基于这些进展，对基于BC的食品包装的最新发展进行了更集中和定量的综合分析，重点关注结构-性能-功能关系、改性策略、活性和智能包装以及工业化应用。该综述涵盖了BC合成、结构改性、复合材料制备、功能性能、食品包装应用以及安全性和商业化方面的研究，同时排除了与基于BC的食品包装无关或缺乏直接包装相关性的研究。

本综述在统一的“结构-性能-功能”框架内整合了四个领域，并结合了BC独特结构的最新进展：(i) BC合成过程，包括形态和理化性质以及制备过程；(ii) 具有机械、屏障、抗氧化和抗菌性能的聚合物和纳米结构复合材料；(iii) BC在活性和智能食品包装系统中的应用；(iv) 当前挑战和展望。尽管最近几篇综述讨论了细菌纤维素（BC）的生产、改性、纳米复合材料以及活性和智能包装（Ludwicka等人，2020；Cazón和Vázquez，2021；Jang等人，2023；Turganova等人，2025；Mohammadi等人，2025；Y. Zhang等人，2025），但它们的研究范围和组织方法各不相同，重点分别在于生产路线、改性策略、材料开发或特定的包装应用。根据表1中的比较，本综述特别强调了纳米填料分散、界面相互作用和网络架构与多功能包装性能之间的关联，并考虑了相关证据的可靠性和局限性。因此，本文对纳米集成BC系统进行了有针对性和批判性的分析，包括结构改性方法、功能化策略以及用于食品包装的体外或体内制备技术，同时区分了已建立的实验关系与机制解释和概念假设。此外，该综述还探讨了纳米工程化的BC网络如何有助于开发可持续、多功能和智能的食品包装技术。更广泛地说，这些发展可以通过“结构-性能-功能”框架来理解，这构成了本综述的概念基础。BC独特的纳米纤维结构、高结晶度和丰富的表面羟基是其内在的结构基础，这些特性赋予了其独特的机械性能、 Barrier性能和化学反应性。这些性能与BC在食品包装中的功能性表现密切相关，从机械增强和Barrier保护到活性和智能系统中的抗菌、抗氧化和刺激响应行为。基于这一框架，本综述的结构如下：第（i）节介绍了BC通过合成和形态学形成的结构起源；第（ii）节探讨了纳米结构化和复合化如何将结构转化为功能性；第（iii）节讨论了这些性能在活性和智能包装应用中的实现；第（iv）节考虑了加强下一代基于BC的包装系统的结构-性能-功能联系所需当前存在的差距和未来发展方向（图1D）。通过整合不同复合和功能化策略之间的关系，本综述超越了简单描述已报告性能的范围，转向了从应用角度解释BC结构和改性如何影响包装性能。特别是，该综述指出了界面相互作用、填料分散、网络架构和可控释放对决定多功能性能的作用，并讨论了这些关系如何指导选择满足特定食品包装需求的基于BC的系统。此外，通过将材料性能与可扩展性、制造兼容性、监管安全性、消费者接受度、生命周期考虑以及技术经济可行性联系起来，本文为将实验室规模的BC创新转化为实用且具有商业价值的包装系统提供了途径。

**细菌纤维素合成**
葡萄糖醋酸杆菌属（以前称为醋酸杆菌）由于其高产率和明确的生物合成途径，是BC的主要好氧生产菌。其他细菌属，包括农杆菌、固氮菌、根瘤菌、假单胞菌、沙门氏菌、肉碱杆菌和肠杆菌也被报道为BC的生产菌，尽管其产量相对较低且稳定性较差（Sko?aj，2019）。特别是，Komagataeibacter xylinus也被报道为主要产菌。

**含有细菌纤维素的聚合物复合材料**
基于BC的聚合物复合材料因其结构与功能的双重优势而成为可持续包装的有希望的解决方案，这意味着它们在结构、机械和功能方面都具有优势。BC由相互连接的纳米纤维网络组成，提供了显著的拉伸强度、结晶度和Barrier性能。然而，天然BC薄膜可能较为脆，水敏感性强，并且缺乏某些满足特定要求的特殊功能特性。

**用于食品包装的纳米颗粒增强细菌纤维素**
天然来源的BC生物聚合物由于其高纯度、机械强度和优秀的成膜能力，成为食品包装的有前景的材料；然而，原始形式的BC缺乏抗菌、抗氧化和Barrier性能，这限制了其在活性和智能包装中的应用。为了克服这些限制，将ZnO、Ag、TiO2等纳米颗粒和生物活性金属有机框架整合到BC中，可以制备出性能更好的纳米复合薄膜。

**水果和蔬菜**
水果和蔬菜由于含有80%至90%的水分，在表面形成了一层天然的保护层。然而，它们是易腐烂的商品，在收获、运输、处理和储存过程中容易受到损伤。物理损伤和生理压力可能导致氧化、呼吸作用、脱水、软化、风味分解和微生物污染。在这种情况下，BC作为一种有前景的生物聚合物出现在包装领域，因为其具有多种优良特性。

**挑战与未来展望**
尽管BC在食品包装领域取得了显著进展并具有广泛的应用前景，但其大规模商业化仍受到技术、经济和监管方面的限制。作为一种可食用的薄膜/涂层材料，BC相比植物或动物来源的生物聚合物具有多项优势。它由细菌（例如Komagataeibacter xylinus）在细胞外合成，形成化学纯净的纤维素纳米纤维网络，不含木质素、半纤维素和果胶，从而消除了这些限制。

**结论**
细菌纤维素（BC）是一种新兴的多功能生物材料，代表了替代石油基包装材料的可持续、可再生和环保的选择。本综述通过体内和体外制备策略展示了结构修饰和功能化如何提升基于BC的薄膜在食品包装应用中的机械、热性能、Barrier性能和生物活性。本综述的一个关键优势在于其全面的分析。

**作者贡献声明**
Suganathan Muthalagu：撰写-综述与编辑、撰写-初稿、数据整理；Cheng I Lee：撰写-综述与编辑、验证、监督；Manickam Selvaraj：撰写-综述与编辑、验证、监督；Suganthy Natarajan：撰写-综述与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思

**未引用参考文献**
Soares Silva等人，2023；Atta等人，2021；Chen等人，2024；Chen等人，2025；Chen等人，2024；Chen等人，2024；Cheng等人，2025；欧盟委员会执行决定，2023；欧盟委员会法规，2009；欧盟委员会法规，2006；EFSA等人，2021；EFSA食品接触材料小组；调味品和加工助剂委员会，2016；FDA有效食品接触物质清单，2000；Huang等人，2023；Li等人，2025；Li等人，2024；Li等人

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究得到了台湾体验教育计划（TEEP）的支持。作者还感谢国家科学技术委员会（NSTC）（NSTC 114-2635-M-194 -001 -MY3）的财政支持。Suganathan Muthalagu感谢首席部长研究基金（CMRG 2024-2025 [授权号：S.O.((P)/CMRG/P-457/2025，批准日期：2025年8月13日] 对本研究的资助。