天然蜡功能化细菌纤维素薄膜：增强水阻隔与抗菌性能的可再生食品包装材料

《Polymers》：Wax-Functionalized Bacterial Cellulose Foils as Renewable Food Packaging with Enhanced Barrier and Antimicrobial Performance

　　

本研究考察了涂覆十二种市售天然来源蜡及蜡样配方的细菌纤维素膜（bacterial cellulose films, BCF）作为潜在生物基食品包装材料。由Komagataeibacter xylinus产生的细菌纤维素（bacterial cellulose, BC）经纯化、均质化和脱水，获得适于后续蜡涂覆的薄膜。在所考察的制备条件中，研究人员选择BC与水质量比1:2、每皿湿浆质量45 g以及60 °C干燥24 h。所得材料的水相关性能、表面润湿性、抗菌活性和抗生物膜性能被评价。与未涂覆BCF相比，蜡涂覆使吸水率和液态水传递降低约三倍，并使平均水接触角从47.6°提高至94.3°。抗菌和抗生物膜效应随蜡配方和所测微生物而变化；在十二种蜡配方中，有八种对C. albicans和S. aureus达到99%以上的降低。十二种配方中，市售菜籽–椰子蜡共混物（rapeseed–coconut wax blend, RCW；70:30；BCF-RCW）表现出水相关性能和抗菌性能的有利组合，并被选择用于进一步的表面微观形貌和力学表征。在一项初步食品储藏实验中，所有用BCF-RCW包装的受试食品样品在21天冷藏储藏期间均表现出显著低于常规聚乙烯薄膜或食品包装纸包装样品的微生物计数（降低99%以上）。这些发现支持将蜡涂覆BC膜进一步开发为具有功能食品包装应用前景的生物基材料。

研究背景与问题：2023年全球塑料产量达413.8百万吨，其中约44%用于包装行业；聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯等石油基合成聚合物因耐久、低成本、耐降解和力学性能优良而仍占主导，但其生物降解性有限、可回收性差，造成长期环境污染。可生物降解聚合物可在适宜环境下分解为水、CO₂和生物质，但阻隔性能、耐热性、力学强度和成本等限制其商业化。细菌纤维素（bacterial cellulose, BC）由Acetobacter、Pseudomonas、Komagataeibacter和Agrobacterium等细菌产生，其中Komagataeibacter xylinus因产量高而常用于工业BC生产；BC可再生、生物相容、力学性能好，并已在土壤条件中显示可降解性，但缺乏固有抗菌活性，限制其在活性包装中的直接应用。其多孔互穿纳米纤维结构可作为抗菌剂负载支架，但抗菌剂需固定在材料内以避免迁移入食品。天然蜡及脂质配方可改善BC表面疏水性并引入功能，但既往BC–蜡研究多集中于理化、结构、力学和水相关性能，如Indriyati and Indrarti、Indriyati et al.、Frota et al.、Mariani et al.等的工作，抗菌、抗生物膜及食品储藏条件下系统比较仍较少。因此，本研究以十二种市售天然蜡和蜡共混物涂覆BCF，重点评价水相关、抗菌和抗生物膜性能，并筛选配方开展初步食品储藏验证。

关键技术方法：BC采用ATCC 53524 Komagataeibacter xylinus在Hestrin–Schramm（H–S）培养基中静态28 °C培养7天制备，纯化后经均质、脱水成膜；优化BC与水质量比、每皿湿浆质量和干燥温度；以十二种商用蜡进行双面熔融涂覆；测定溶胀率（swelling ratio, SR%）、液态水传递（liquid-water transfer, WT）和水接触角（water contact angle）；针对S. aureus、E. coli和C. albicans进行定量抗菌及结晶紫抗生物膜实验；选择BCF-RCW进行扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）和拉伸表征；在4 ± 1 °C下以BCF-RCW、聚乙烯薄膜（polyethylene film, PF）和食品包装纸（food wrapping paper, FWP）包装面包、苹果、奶酪和火腿21天，计数log₁₀ CFU/g；采用ANOVA、Tukey检验和t检验分析。

研究结果：3.1 优化BCF生产参数：完整BC膜纯化后直接脱水或冻干均较硬脆、易裂，促使研究人员建立均质–脱水两步工艺；比较BC与水质量比、湿浆量和干燥温度后，1:2、45 g/皿、60 °C干燥24 h所得BCF较平滑、均匀和柔韧，适于蜡涂覆；70和80 °C干燥膜更皱更硬。3.2 优化BCF涂覆工艺：十二种蜡中十种为植物来源、两种来自蜂蜡；获得视觉连续覆盖所需涂覆量为4.10–6.22 mg/cm²，均值5.50 mg/cm²，BCF-CaW和BCF-CrW最低；差异与蜡的稠度、熔融和铺展性有关，但未系统研究。3.3 BCF和BCF-W宏观形貌：立体显微镜观察显示，低熔点（低于50 °C）软蜡LW、CW和SOW易铺展但冷却后偏软、易涂抹不均；较高熔点蜡较难铺展但涂层外观更均匀；BCF-PBW、BCF-RW、BCF-LW和BCF-RCW贴合曲面较好，BCF-CaW、BCF-CrW、BCF-JW、BCF-OW和BCF-SOW出现开裂或脱附，均为定性评价。3.4 BCF-W水相关性能：所有蜡涂覆膜SR显著低于未涂覆BCF约三倍；多数配方WT降低约三倍，BCF-CaW、BCF-CrW和BCF-RCW较低，BCF-SOW和BCF-CW较高但蜡间无统计显著差异；接触角由47.6°升至90.0–97.9°，均值94.3°，表明表面疏水性增强；研究未测水蒸气透过率和水蒸气渗透性。3.5 抗菌与抗生物膜性能：8/12配方对至少一种微生物显著降低活菌数；E. coli敏感性较低，仅BCF-RCW对其显示>99%显著降低；BCF-RCW、BCF-LW、BCF-CaW、BCF-CW、BCF-CrW、BCF-RW、BCF-BBW和BCF-PBW对S. aureus和C. albicans显示>99%显著降低，BCF-SW、BCF-OW、BCF-JW和BCF-SOW不显著。原文将差异与革兰阴性外膜屏障及蜡中月桂酸、蜂蜡成分、CrW酚类、LW肉豆蔻酸、CaW长链烷烃、RW硬脂酸等联系起来。抗生物膜实验中，BCF-RCW等降低生物膜生物量，S. aureus平均约33%、C. albicans约31%；部分配方降低E. coli结晶紫染色但未显著降低活菌数，原文归因于实验终点和条件不同。3.6 BCF和BCF-RCW表面微观形貌与力学特性：SEM显示未涂覆BCF为互连纤维多孔网络，BCF-RCW表面较平滑连续，但SEM不能确定蜡渗透程度和界面粘附强度；蜡涂覆使厚度由0.12 ± 0.04 mm增至0.23 ± 0.05 mm，最大载荷由88.0 ± 24.0 N降至74.7 ± 24.8 N，拉伸强度由32.0 ± 12.7 MPa降至14.8 ± 7.7 MPa，断裂应力由31.4 ± 13.3 MPa降至14.6 ± 7.77 MPa，模量下降，伸长参数数值增加；原文认为厚度增加可解释名义应力下降，不能仅视为纤维素网络劣化。3.7 初步概念验证食品储藏实验：BCF-RCW包装的奶酪、面包、苹果和火腿在21天冷藏中微生物计数总体低于PF和FWP，差异随食品和储存时间变化；BCF-RCW组平均为3.39–5.27 log₁₀ CFU/g且未显著变化，PF和FWP组持续增加；21天后BCF-RCW较PF和FWP显著降低>99%。该实验为小份食品初步筛选，非商业包装模拟。

讨论与结论：原文讨论指出，天然蜡化学组成不同，蜡或脂质组分进入食品接触配方可能影响滋味和香气，且气味活性化合物迁移取决于材料组成和接触条件；本研究未进行正式感官评价或迁移测试，因此不能排除食品滋味和香气变化，未来应评价最具前景BCF-W配方的感官兼容性和迁移行为。研究结论翻译：本研究通过将两步均质–脱水过程与市售天然蜡及蜡样配方的表面涂覆相结合，考察了蜡涂覆细菌纤维素膜（wax-coated bacterial cellulose films, BCF-W）作为生物基食品包装材料的潜力。工艺优化（BC与水质量比1:2、每皿沉积45 g浆料、60 °C干燥）获得相对平滑、均匀且柔韧的BCF，适于蜡涂覆。与未涂覆BCF相比，蜡涂覆膜表现出降低的水诱导溶胀和液态水传递，并具有提高的表面疏水性，水接触角为90.0°至97.9°。这些发现表明在所考察实验条件下其耐液态水暴露能力改善。抗菌评价显示配方依赖性效应，包括BCF-RCW、BCF-LW、BCF-CaW、BCF-CW、BCF-CrW、BCF-RW、BCF-BBW和BCF-PBW在内的若干蜡涂覆膜对S. aureus和C. albicans活菌数表现出统计学显著降低。在所研究配方中，BCF-RCW是唯一对E. coli活菌数显示统计学显著降低的配方。生物膜实验还表明，一些蜡涂覆配方减少生物膜形成，包括未表现显著抗菌活性的配方。这些观察表明蜡涂层可能通过不直接与细胞活力降低相关的机制影响微生物定植，尽管其潜在机制需进一步研究。基于总体最佳性能，BCF-RCW被选用于初步冷藏储藏试验，其中与常规食品包装材料相比观察到活病原菌计数显著降低。总体而言，结果表明用选定的市售蜡配方对BC进行表面改性可改善与食品包装应用相关的某些水相关和生物学性能。然而，所开发BCF-W复合材料的生物降解性未直接评价，应在未来研究中确认。此外，还需针对水蒸气阻隔性能、长期食品储藏性能、涂层稳定性、法规要求和工业可扩展性开展进一步研究，以评估其实际适用性。因此，所开发材料代表生物基食品包装系统进一步研究的有前景方向，而非常规包装材料的完全验证替代品。