聚乙烯醇 - 碳点复合膜用于食品包装与保鲜：基本原理、功能特性、应用及未来展望

《Food Bioscience》：Polyvinyl Alcohol–Carbon Dot Composite Films for Food Packaging and Preservation: Fundamentals, Functional Properties, Applications, and Future Perspectives

　　

•对用于食品包装和保鲜的PVA/CDs复合膜进行了关键性评述。•碳点（CDs）的引入可调节机械、阻隔、热学、光学及紫外屏蔽性能。•PVA/CDs膜可提供抗氧化、抗菌及智能包装功能。•聚合物共混可实现具有改进的结构和传感性能的多功能薄膜。•迁移、食品接触安全性、可扩展性及环境影响仍是关键挑战。

引言

食品包装在食品经过运输、储存和零售过程中维持其安全性、质量和保质期方面发挥着至关重要的作用。有效的包装材料既能保护食品免受物理损伤和外部污染，又能传递食品产品的关键信息，包括成分、保质期和储存条件。现代包装材料需兼具基础包装性能——包括理想的透明度、良好的机械强度、耐热性和阻隔性——以及智能功能特性，如抗菌活性、抗氧化保护、紫外（UV）屏蔽和新鲜度监测。随着全球食品供应链的扩展和消费者对安全、优质产品期望的提高，对先进可靠包装解决方案的需求比以往任何时候都更为迫切（Javdani等，2025；Oun等，2022）。

尽管传统食品包装材料在保护食品方面表现有效且设计便捷，但主要仍以石油基塑料为主，如聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯，因其成本低、密度低、耐用且易于加工（Oun等，2022；W. Zhang等，2024）。然而，这些材料由不可再生的化石资源制造，且由于其化学稳定的碳骨架不易降解，其广泛使用、不当处置以及在陆地和水体环境中长期存留引发了严重的环境担忧，包括微塑料的形成，对生态系统、食物链和人类健康构成威胁（Fan, Ren, Cao等，2025）。此外，塑料包装对全球化石能源消耗贡献巨大，其使用量的预计增长将进一步加剧塑料废弃物积累和环境污染（W. Zhang等，2024）。为应对这些挑战，世界各国政府出台了日益严格的法规以限制一次性塑料并推广可持续替代品，这加速了可降解食品包装材料的研究，包括天然来源聚合物和合成可降解替代品，如聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）和聚己内酯（PCL）（Fan, Ren, Xiao等，2025；Papp & Oremus，2025）。然而，即便具备可持续优势，这些材料仍存在诸多问题，包括功能性能有限、自然条件下降解缓慢、加工困难和生产成本高，限制了其在主流包装应用中的大规模推广（Duan等，2023）。因此，人们对下一代包装系统的需求日益增长，这些系统不仅要确保食品保护和质量，还应通过结合可降解性与抗菌活性、抗氧化保护、紫外屏蔽和新鲜度监测等先进功能来实现可持续发展目标（Fan, Ren, Cao等，2025；W. Zhang等，2024）。

在用于食品包装研究的聚合物材料中，聚乙烯醇（PVA）因其优异的成膜性、透明度、机械强度、氧气阻隔性能、无毒性和生物相容性而备受关注（Ansari, Park, Sadeghi等，2025；Hong等，2024）。其富含羟基的骨架也有利于氢键作用、与天然聚合物共混以及功能性纳米材料的引入，从而实现机械性能、阻隔性和活性功能的定制（Fan, Ren, Cao等，2025；Panda等，2022；Zhao等，2022）。尽管PVA由石油基前驱体制成，但其水溶性和在适当条件下易被微生物降解的特性使其区别于高度持久的聚烯烃，如聚乙烯和聚丙烯。在可控的有氧和微生物条件下，已报道了PVA的大量生物降解，包括在有氧水生系统中56天后降解超过70%，以及使用短帚帚霉OVR-5菌株10天后降解81%（Mohamed等，2022），基于PVA的材料在自然土壤掩埋中也表现出降解（Chin等，2022；Kwon等，2023；Ueda等，2023）。因此，PVA在包装性能、功能可调性和潜在环境相容性之间提供了有益的平衡。然而，纯PVA膜仍受限于高亲水性、对湿气敏感、水溶性以及较差的紫外屏蔽能力（Ansari, Park, Sadeghi等，2025；Hong等，2024）。为了引入超越被动包容的功能，包括抗菌、抗氧化、紫外屏蔽和传感活性，功能性纳米材料越来越多地被引入基于PVA的包装系统中。对先进包装日益增长的兴趣也反映在全球智能食品包装市场中，该市场2024年估计为264.2亿美元，预计到2029年将达到356.9亿美元，复合年增长率（CAGR）为6.2%（MarketsandMarkets，2025）。

碳点（CDs）因此引起越来越多的关注，作为克服纯PVA膜某些局限性的功能性纳米材料（A. Khan等，2023；Riahi, Hong等，2023）。CDs是零维碳基纳米材料，通常尺寸约为1–10 nm，具有独特的光学和电子性能、水溶性、光致发光以及在多种实验系统中相对较低的细胞毒性（Y. Du & Zheng，2024；Hong等，2024）。然而，仅凭这些性能并不能确立其适用于食品接触应用。含CD包装的安全性取决于其理化特性、向食品的潜在迁移或释放、暴露水平、毒理学特征、预期使用条件及适用法规要求（D. H. H. Nguyen等，2025；Priyadarshi等，2024, 2025）。因此，对基于CD的食品接触材料需要进行迁移和安全性评估。除了光学性能外，CDs还表现出抗氧化和抗菌活性，可抑制包装食品中的微生物生长和氧化降解（A. Khan等，2024；Qiao等，2022）。引入CDs的聚合物薄膜，包括基于PVA的体系，已展现出增强的紫外屏蔽、抗氧化和抗菌性能，有助于保鲜水果、肉制品、禽类和海鲜等易腐食品（D. H. H. Nguyen等，2025）。

此外，CDs可由多种碳源合成，包括碳水化合物、有机废物和微生物，为提升可再生和废物衍生资源的价值提供了机会（M. Hou等，2024）。然而，CDs生产的可持续性和经济优势不能仅凭使用生物质或废物前驱体就加以推断，因为它们还取决于合成产率、纯化需求、溶剂和能源消耗以及工艺可扩展性（Fang等，2024；J. Ren等，2024）。因此，生物质衍生的CDs应被视为具有可持续潜力的纳米填料，但其环境和经济性能需要在现实可扩展的生产条件下进一步评估。

综上所述，CDs不仅被引入纯PVA基体中，还被引入到包含多糖和蛋白质的广泛PVA基共混体系中，以进一步提升机械性能、阻隔性、活性和智能包装功能。将CDs整合到PVA或PVA基共混薄膜中，可实现CDs在聚合物基体中的均匀分散，表明CDs与富含羟基的PVA链之间存在强相容性（Ansari, Park, Sadeghi等，2025）。光谱分析进一步证实了CDs与PVA基体之间的物理相容性和氢键相互作用，且未破坏聚合物主链（Ansari, Park, Sadeghi等，2025）。CDs的引入在不损失透明度的前提下显著增强了PVA基薄膜的紫外阻隔性能，这归功于CDs的强光吸收和散射能力，对于食品包装至关重要，因为紫外线照射会加速光敏食品成分的降解（Ansari, Park, Sadeghi等，2025）。此外，CDs的加入引起PVA基体内部的结构重排，导致机械行为改变、水蒸气透过率变化以及活性组分释放增强，从而支持复合膜中的抗菌和抗氧化功能（Ansari, Park, Sadeghi等，2025；A. Khan等，2023）。此外，将CDs引入PVA基体可实现智能包装功能，如pH响应性和腐败检测，这对于食品新鲜度和质量的实时监测至关重要（Hong等，2025）。总体而言，这些研究结果表明，将CDs引入PVA可同时改善紫外保护、机械和水阻隔性能以及智能功能，使PVA/CDs复合膜成为食品包装和保鲜应用前景广阔的候选材料（Ansari, Park, Sadeghi等，2025；Zhao等，2022）。

尽管取得了上述进展，但目前仍缺乏将PVA基体与CD纳米填料结合用于食品包装和保鲜应用进行全面且批判性评述的研究。现有综述通常将CDs在不同聚合物基体中进行探讨，或单独讨论基于PVA的包装材料。尽管PVA/CDs复合膜已在零散的研究中得到探索，但其结构-性能-功能关系尚未在统一框架内进行批判性整合。这限制了对CDs如何克服PVA固有局限性并实现主动和智能包装功能的连贯性理解。

因此，本综述主要关注用于食品包装和保鲜应用的PVA/CDs复合膜。尽管CDs也已被引入其他聚合物基体并研究用于非食品包装应用，但这些体系不在本综述的主要范围内。当PVA/CDs基涂层和水凝胶与食品保鲜直接相关时将被讨论，特别是在它们提供关于活性剂负载、控释、抗菌或抗氧化性能或其他食品包装功能的见解时。本综述涵盖了与食品包装相关的CDs基础知识、PVA与CD的相互作用、制备策略、涉及PVA和次级聚合物基体的聚合物共混、结构-性能关系、功能性能、食品安全与迁移考量、实际包装应用以及未来挑战和研究方向。

章节摘要

碳点：食品包装和保鲜应用的基础知识

CDs是一类零维（0D）碳基纳米材料，通常呈现准球形形态，尺寸小于10 nm，其理化性质和光学性能受其碳结构和表面特征强烈影响。尽管CDs通常被分为碳量子点（CQDs）、碳纳米点（CNDs）、石墨烯量子点（GQDs）和碳化聚合物点（CPDs），但这些子类之间的命名和边界仍存在争议。

PVA：化学、结构和关键性能

聚乙烯醇是一种亲水性合成可生物降解聚合物，由醋酸乙烯酯聚合为聚醋酸乙烯酯后，再经酯基水解生成富含羟基的PVA链。皂化过程决定了水解程度和聚合物骨架上羟基（–OH）基团的数目（Aslam等，2018）。因此，PVA商业上以不同水解程度的各种牌号形式供应，通常范围为。

PVA/CDs膜的制备策略

PVA因其优异的溶解性、加工性能和与功能性添加剂的相容性，已被广泛探索用于包装、生物医学和农业应用的成膜聚合物。然而，其固有的亲水性和有限的阻隔性能促使人们通过引入增塑剂、纳米填料、抗菌剂和交联组分进行了广泛改性（C. Chen等，2024）。当与适当的制备技术结合时，

PVA与CDs之间的相互作用机制

PVA/CDs复合膜的功能性能在很大程度上取决于聚合物基体与纳米级碳填料之间建立的界面相互作用的性质。由于CDs表面富含羟基、羧基和氨基官能团，在PVA基体系中可发生多种分子间相互作用，包括氢键、静电相互作用和共价交联（Ala?等，2022；M. Hou等，2024）。这些相互作用

CDs对PVA膜功能性能的影响

将CDs引入PVA基体已成为克服纯PVA膜固有局限性的有效策略，特别是其较差的紫外屏蔽能力、高湿敏性和有限的抗菌活性。由于其纳米级尺寸、丰富的表面官能团、优异的分散性、可调荧光和反应性表面化学，CDs可通过氢键和界面相互作用与PVA链发生强相互作用，

PVA/CDs复合膜中的聚合物共混策略

聚合物共混已成为克服纯PVA膜固有局限性的有效策略，同时增强PVA/CDs复合体系的整体结构、阻隔、活性和智能包装性能。通过将PVA与多糖和蛋白质等次级聚合物基体相结合，研究人员开发了具有增强结构稳定性、环境耐受性、主动包装功能及

PVA/CDs复合膜的食品安全、迁移和毒理学考量

PVA/CDs复合膜从实验室研究成功转化为商业食品包装应用，需要对其安全性与其功能性能进行仔细评估。

尽管碳点（CDs）通常被认为是具有生物相容性的纳米材料，并已展现出有前景的抗氧化、抗菌和传感能力，但与纳米颗粒迁移、潜在生物相互作用及法规合规性相关的问题仍然是重要的考量因素（PVA/CDs复合膜在食品包装与保鲜中的应用）。将CDs引入PVA基体中，使得开发的包装系统能够超越传统食品包装的常规保护功能。正如第6节所述，CDs可赋予PVA膜抗氧化、抗菌、紫外线屏蔽和传感能力。更重要的是，这些功能性属性已成功转化为实际的食品包装应用，涉及肉类、海鲜、水果及其他易腐食品的保鲜。

未来展望与研究方向

未来关于PVA/CDs基食品包装的研究应逐步解决当前限制其从实验室规模研究向实际应用转化的科学、技术、安全性和实用性挑战。基于当前的研究空白，未来的研究方向可大致分为近期和远期研究优先级。

结论

PVA/CDs复合膜已展现出作为多功能材料在先进食品包装应用中的可观潜力。在已审查的各项研究中，将CDs引入PVA基体与机械、热学、光学、阻隔、抗氧化、抗菌及紫外线屏蔽性能的改善相关联，同时也实现了基于荧光和比色的传感功能。然而，这些优势在很大程度上取决于CDs的来源和合成……

作者贡献声明

Obhi Daniel：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、概念化。Fathima C.S：撰写——原稿撰写、验证、方法论、调查、数据整理。

未引用参考文献

Ansari等，2025；EFSA等，2021；Fan等，2025；Riahi等，2023；S等，2025。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能被认为影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在本文准备过程中，作者（Fathima C. S.）使用了ChatGPT作为AI辅助语言工具，以提高文本的清晰度、可读性和语法质量。所有生成内容均经过作者的仔细审阅、编辑和核实。作者对本文的准确性和最终内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能被认为影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

Fathima C. S. 感谢通过印度喀拉拉邦政府少数民族福利局"少数民族首席部长研究奖学金"（2025–26年度）获得的资金支持。

C.S. Fathima | Sobhi Daniel