纳米颗粒负载多糖基可食性涂膜用于食品保鲜：功能性能、安全性与新兴技术

《Polysaccharides》：Nanoparticle-Loaded Polysaccharide-Based Edible Coatings and Films for Food Preservation: Functional Performance, Safety, and Emerging Technologies

　　

摘要：对可持续且有效食品保鲜的需求日益增长，促使可食性涂膜作为传统包装的环保替代品受到更多关注。本叙述性综述综合并批判性评估了2021年至2026年间发表的关于纳米颗粒负载多糖基可食性涂膜用于食品保鲜的研究，重点介绍了近期进展、新兴研究趋势、当前挑战及未来研究方向。基于天然聚合物（包括多糖、蛋白质和脂质）的可食性涂膜/薄膜能够提供针对水分、氧气和微生物污染的 biodegradable 屏障。然而，其实际应用常因机械强度不足、水蒸气透过率较高以及抗菌活性有限而受限。近期研究表明，将纳米颗粒掺入可食性涂膜基质中可以改善这些性能。本综述总结了用于食品保鲜的纳米颗粒负载可食性涂膜的最新进展，重点关注无机纳米颗粒（氧化锌、二氧化钛和银纳米颗粒）和生物聚合物纳米材料（例如纳米纤维素和纳米壳聚糖）。已有研究报告指出，纳米颗粒的掺入（通常为1–5% w/w）可将拉伸强度提高30–70%，将水蒸气透过率降低高达60%，并对常见食源性病原体提供超过90%的抗菌抑制率。该综述还讨论了用于生物活性化合物（包括精油）受控递送的纳米包封系统，报告的包封效率为70–95%，并在储存期间实现持续释放。此外，概述了近期制备方法，如超声处理、静电纺丝和冷等离子体改性，及其在提升涂膜性能方面的潜力。最后，强调了当前与纳米颗粒安全性、迁移、监管考量以及毒性评估相关的挑战，包括新方法论的应用。本综述指出了纳米复合可食性涂膜的近期进展和现存挑战，以支持未来研究和可持续食品保鲜技术的发展。

1. 引言

全球粮食损失和浪费严重威胁粮食安全和环境可持续性。联合国粮农组织估计，2023年供应链中粮食损失占13.3%，而2022年在零售、餐饮服务和家庭领域约有10.5亿吨粮食被浪费。塑料包装加剧了环境退化，亟需开发可持续的食品储存替代方案。基于淀粉、壳聚糖、海藻酸盐和果胶等多糖的可食性涂膜和薄膜，为保持食品质量和延长货架期提供了潜在的biodegradable替代方案。然而，较差的机械强度和防潮屏障性能可能限制其实际应用。添加纳米颗粒可以增强薄膜性能，并根据所用材料赋予其抗菌和抗氧化特性。但纳米颗粒的迁移、毒性和环境归宿需要严格考量，以确保安全可持续的食品包装。近年来，全球对安全、最小化加工和高品质食品的需求增加，同时人们对合成包装材料环境影响的担忧也日益加剧。在此背景下，可食性涂膜作为一种可持续且环保的替代品应运而生，具有biodegradability、可食用性以及提升食品质量和货架期的能力。这些涂膜通常由天然聚合物如多糖、蛋白质和脂质配制而成，可在食品表面形成薄层半透膜。可食性涂膜通过减少水分流失、限制氧气扩散和延缓微生物腐败发挥作用。然而，传统涂膜常表现出局限性，包括较高的水蒸气透过率、较低的机械强度和有限的抗菌活性，阻碍了其大规模应用。近期一项研究表明，使用壳聚糖负载香兰素纳米制剂涂覆余甘子果实，可在25±2°C下将其货架期延长至15天，并将腐烂发生率降低高达42.84%。与对照组相比，该纳米涂层显著减少了余甘子果实的水分流失。为应对这些挑战，近期研究聚焦于将纳米颗粒掺入可食性涂膜基质中，从而形成功能性增强的纳米复合涂膜。纳米颗粒尺寸通常在1–100 nm，具有高比表面积和增强的反应活性，能显著改善涂膜性能。在相对较低浓度下掺入纳米颗粒已被证明能将拉伸强度提高30–70%，并将水蒸气透过率降低高达40–60%。近期一项研究报告了一种新型可食性深层涂膜，利用丝素蛋白纳米颗粒、蜂蜜和棉皮素来保鲜番茄、蛇瓜、茄子和青香蕉等果蔬。研究发现，G-Hon-SNP可食性纳米涂层在储存27、22、16和18天后，分别使番茄、蛇瓜、茄子和青香蕉的重量损失降低了14.45%、27.94%、18.70%和21.74%。纳米颗粒负载可食性涂膜的抗菌和抗氧化功能对于食品保鲜至关重要。银纳米颗粒对常见食源性病原体的最低抑菌浓度为1–10 μg/mL。同样，氧化锌纳米颗粒通过产生活性氧来破坏微生物细胞膜和代谢途径。除了抗菌作用，纳米颗粒还能通过在聚合物基质内创建曲折扩散路径来增强屏障性能，从而将氧气透过率降低高达30–50%。这种改进的屏障性能特别有助于减缓新鲜农产品的氧化降解和呼吸速率，可使货架期延长5–20天。纳米颗粒的整合已成为提升多糖基可食性涂膜功能性能的关键方法。根据纳米纤维素、纳米粘土、金属及金属氧化物纳米颗粒以及纳米包封生物活性物质的组成和用量，其机械强度、屏障特性、紫外线防护及抗菌或抗氧化活性均可得到改善。近年来，人们越来越关注开发多功能包装解决方案，用于保鲜水果、蔬菜、肉类及其他易腐食品，并用于精油和其他生物活性物质的调控递送。尽管取得了这些进展，但在纳米颗粒分散、团聚、向食品中的潜在迁移、毒理学后果、感官改变、制造成本和监管批准方面仍存在问题。此外，许多研究仍处于实验室规模，需要在真实储存条件下进行标准化测试。未来研究应侧重于食品级、更安全的纳米材料、迁移与风险评估、规模化生产以及生命周期评估，以确保这些包装方法的长期安全性、有效性和商业可行性。近期一项研究报告了利用海藻酸钠-果胶结合阿扎尔沙尔红洋葱皮花青素、壳聚糖纳米颗粒和绿色合成TiO₂纳米颗粒，开发pH响应型智能可食性薄膜。结果表明，掺入纳米颗粒后，薄膜的拉伸强度从42.5 MPa提高到65.7 MPa，杨氏模量从890 MPa提高到1417 MPa。另一个新兴趋势是生物活性化合物的纳米包封，例如精油、植物提取物和抗氧化剂。包封效率通常在70%到95%之间，显著提高了挥发性敏感化合物的稳定性和控释能力。例如，掺入可食性涂膜的精油负载纳米颗粒已显示出持续10–20天的抗菌活性，而游离油系统则迅速失去活性。由扩散和聚合物降解机制控制的释放动力学，能够在最小化食品感官改变的同时实现持久功能。此外，制备技术的进步，如超声处理、静电纺丝和冷等离子体辅助改性，进一步改善了纳米颗粒的分散和界面相互作用，带来了卓越的涂膜性能。尽管如此，关于纳米颗粒安全性、迁移和法规合规性的担忧仍然至关重要。研究表明，纳米颗粒的迁移水平取决于粒径、浓度以及与食品基质的相互作用等因素，需要进行严格的风险评估。新方法论和先进分析工具正越来越多地用于评估食品系统中的纳米毒性。监管机构也在努力制定标准指南，以确保纳米材料在食品包装和可食性涂膜中的安全使用。本文对术语进行了澄清：可食性涂层是指直接施用于食品表面的薄膜形成材料的薄层；可食性薄膜是指预先成型的独立片材；纳米复合薄膜/涂层特指在聚合物基质中掺入纳米颗粒以增强性能的薄膜或涂层；包装则是涵盖可食性涂膜、可食性薄膜和传统材料的广义术语。本综述聚焦于多糖基质组成、纳米颗粒类型和浓度与所得可食性涂膜功能性能之间的关系，比较了机械强度、水蒸气透过率、抗菌和抗氧化活性的变化，并考察了纳米颗粒团聚、湿度敏感性、迁移和毒性等方面的潜在权衡，以及新兴制造技术、监管考量和工业规模可行性。

2. 综述方法

本文是一篇叙述性综述，批判性地综合了纳米颗粒负载可食性涂膜用于食品保鲜的最新进展。通过结构化文献检索，从Scopus、Web of Science、PubMed和Google Scholar等主要科学数据库中识别2021年至2026年的相关同行评审出版物，最终纳入234篇出版物进行定性综合。

3. 纳米颗粒的结构与功能

纳米颗粒是尺寸通常在1–100 nm的材料，具有极高的表面积与体积比，这增强了与聚合物基质的界面接触，但也增加了向食品释放和迁移的潜力。其结构形态各异，直接影响理化行为。晶体纳米颗粒如ZnO和TiO₂具有明确的晶格排列，有助于其稳定性和光催化活性。表面电荷通常以zeta电位衡量，是胶体稳定性的关键指标。表面功能化可增强与聚合物基质的相容性。在许多应用中，纳米颗粒被设计成核壳结构，例如将精油包封在壳聚糖或海藻酸盐壳内，以提高稳定性并实现控释。银纳米颗粒（10–50 nm）对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等病原体表现出强大的抗菌功效，最低抑菌浓度低至1–10 μg/mL。ZnO纳米颗粒通过产生ROS发挥抗菌活性。纳米颗粒通过创建曲折路径增强机械和屏障性能，可将WVP降低20–50%，氧气透过率降低高达30%，拉伸强度提高25–70%。纳米包封系统的包封效率可达60%至90%以上，释放动力学通常由扩散控制，可实现数天的持续释放。

4. 负载纳米颗粒的天然聚合物基可食性涂层的制备

对可持续和安全食品保鲜策略的需求推动了负载纳米颗粒的天然聚合物基可食性涂层的开发。制备过程通常从选择合适的天然聚合物基质开始，多糖因其优异的成膜能力和丰富度而被广泛使用。将纳米颗粒分散到聚合物溶液中，实现均匀分散至关重要。涂层溶液还可能包含精油、抗氧化剂或交联剂等功能性试剂。常见的涂层施加方法包括浸渍、喷涂、刷涂或流延。浸渍是最常用的方法。干燥过程影响涂层的厚度、均匀性和机械性能。对制备的纳米复合涂层进行表征对于评估其在食品应用中的适用性至关重要。冷等离子体是一种有前景的非热技术，可用于微生物净化和biodegradable包装片的表面改性，但其效果取决于优化处理条件。商业应用面临法律和安全障碍，需要进一步研究以验证特定处理的安全性、潜在反应产物、迁移、感官质量、程序可重复性和工业规模实用性。

5. 食品产品上可食性涂层的应用方法

可食性涂层可通过多种实用方法施用于食品产品。最常见的技术是浸渍，产品浸入涂层溶液中以确保均匀覆盖。喷涂是另一种高效方法，适用于大规模工业操作。刷涂或涂抹通常用于烘焙和手工制品。选择应用方法会显著影响涂层厚度、屏障性能、干燥时间以及在延长货架期和维持食品质量方面的整体有效性。浸渍过程中，食品完全浸没在涂层溶液中，聚合物分子通过氢键和静电相互作用与食品表面发生作用。随后，产品从溶液中取出，多余涂层在重力作用下滴落。干燥阶段，溶剂蒸发，聚合物链聚集形成连续的薄膜基质。喷涂涉及雾化、沉积、粘附和成膜。刷涂涉及直接涂抹、粘附和成膜。这三种方法在涂层厚度控制、工业可行性、产品损伤、涂层浪费、可重复性以及对纳米颗粒负载系统的局限性方面存在差异。对于纳米颗粒负载系统，浸渍可能导致纳米颗粒沉降或团聚；喷涂可能引起喷嘴堵塞或液滴内纳米颗粒分布不均；刷涂对纳米颗粒分布的控制最差。