综述：利用右旋糖酐和β-葡聚糖设计可持续食品包装：机制、性能与前景

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Engineering sustainable food packaging with dextran and β-glucans: Mechanisms, performance, and prospects

　　摘要
背景：随着对石油基塑料的替代需求增加，人们加快了寻找可生物降解的食品包装材料的进程。天然多糖，尤其是葡聚糖，因其生物相容性、结构多样性以及可调控的特性而备受关注。来自乳酸菌的右旋糖酐和来自谷物、真菌及酵母的β-葡聚糖各具优势：右旋糖酐具有水溶性和成膜能力，而β-葡聚糖则能提升材料的机械强度和阻氧性能。然而，关于这两种物质在食品包装中的具体作用、机制及局限性，目前仍缺乏系统性的研究。

范围与方法：本综述深入分析了右旋糖酐和β-葡聚糖作为功能性添加剂在可生物降解食品包装膜及可食用涂层中的应用现状。对比了这两种葡聚糖的来源、结构及提取方法，探讨了它们在单层、复合层、多层及纳米复合膜体系中的应用，以及作为新鲜农产品表面涂层的用途。同时分析了提升材料机械性能、阻隔性能及功能活性的机制，以及基于葡聚糖的材料在活性包装和智能包装中的表现。

主要发现与结论：来自谷物、真菌或酵母的β-葡聚糖由于分子结构的差异，其增强效果和阻隔性能也有所不同。右旋糖酐的膜柔韧性和微观结构则受分子量、分支程度及塑化剂的影响而变化。在与壳聚糖、明胶、海藻酸或角叉菜胶的复合体系中，这两种葡聚糖都能提升材料的拉伸强度、水蒸气阻隔性能及热稳定性。作为可食用涂层时，它们可减少水分流失、延缓成熟并延长保质期。在活性/智能包装中，它们可作为抗氧化剂、抗菌剂及pH敏感物质的载体。当前面临的挑战包括分子特性表征不足、长期稳定性数据缺乏、迁移性与安全性研究有限，以及缺乏标准化检测方案。未来的研究应聚焦于结构与性能的关系、大规模生产方法以及安全性评估。

引言：随着人们对安全、可持续且环保的食品包装需求不断增加，人们加快了开发可生物降解材料以替代传统石油基塑料的进程（Adrah等，2026）。虽然合成塑料具有出色的机械强度和阻隔性能，但其在环境中的持久存在及微塑料污染问题引发了严重担忧（Mu?oz等，2026；W. Zhang等，2025）。为此，人们开始广泛研究基于可再生生物聚合物如多糖、蛋白质及可生物降解聚酯的可生物降解食品包装膜。然而，仅由单一生物聚合物制成的薄膜往往存在诸多缺陷，如耐湿性差、易碎、阻气性能不足以及功能活性有限（X. Li等，2025；X. Li等，2025）。因此，人们通过混合使用不同材料、化学改性以及引入功能性成分，努力提升可生物降解包装材料的性能，以实现结构优化与功能增强双重目标（Ra?i?等，2025）。不过，尽管改性策略多种多样，这类材料的实际功能性能终究取决于构成材料的分子结构及其在膜基质中的超分子相互作用，而不仅仅是配方本身。在此背景下，天然多糖因其丰富储量、生物相容性及结构多样性而备受关注（Guo等，2025；Yang等，2025）。重要的是，不同多糖家族由于主链化学结构、连接方式及超分子组织的差异，表现出不同的结构-功能关系，从而在膜体系中发挥不同的主导功能，而非具有可互换的性能。不过，在这一大类多糖中，仍有必要找到具有代表性的材料，以便更系统地阐明分子结构的细微变化如何影响材料性能。

在这一背景下，葡聚糖作为一种结构多样的多糖家族，逐渐受到重视。它们都具有以葡萄糖为基本单元的主链，且连接方式、分支程度及分子量分布都具有高度可调控性。在天然多糖中，葡聚糖因其结构多样性、生物相容性以及丰富的功能特性而备受关注。葡聚糖主要包括右旋糖酐和β-葡聚糖，二者在分子结构、来源及物理化学性质上存在差异（Amirinia等，2025；Nicolescu等，2023）。右旋糖酐是一种微生物外源多糖，主要由乳酸菌通过蔗糖发酵产生，其主链以α-1,6糖苷键为主，同时具有不同程度的分支结构（Gul等，2022；Hernández-Figueroa等，2025）。这种结构使得右旋糖酐具有优异的亲水性、柔韧性、成膜能力，且与其他生物聚合物具有良好的相容性（Avramia & Amariei，2023；Chang等，2019b）。而β-葡聚糖则是天然存在于真菌、酵母及谷物中的多糖，其主链由β-1,3、β-1,4及β-1,6糖苷键构成。它们高度有序的分子结构能够带来较强的分子间相互作用、较高的粘度以及优异的机械强化性能（Shiferaw Terefe等，2020；Siddiqui等，2023）。除了结构优势外，右旋糖酐和β-葡聚糖还具有安全性高、可生物降解以及多种健康相关生物活性，如抗氧化、抗菌及免疫调节作用（Caseiro等，2022）。这些特性，再加上它们在食品、制药及生物医学领域的广泛应用，使得葡聚糖成为可生物降解食品包装膜中的理想功能性成分（Ao等，2025；Yan等，2022）。

葡聚糖在食品包装膜中的应用发展迅速，涵盖了被动型、主动型以及新兴的智能型包装系统（Hematian Sourki等，2023；X. Li等，2026；Yuan等，2019）。当右旋糖酐被加入壳聚糖、淀粉、明胶、海藻酸、果胶或聚乳酸等可生物降解聚合物基质中时，它能提升膜的柔韧性、透明度及表面均匀性，同时降低材料的脆性（Baranwal等，2022；Sharma等，2024）。而β-葡聚糖则能在膜基质中形成稳定的聚合物网络，从而提升材料的机械强度、降低氧气渗透率并提高热稳定性（Biswal等，2021；Díaz-Montes等，2021；Wyrwisz等，2022）。在活性包装应用中，葡聚糖可作为天然抗氧化剂、抗菌剂、精油及植物提取物的有效载体和稳定剂，实现物质的可控释放，进而延长食品的保鲜期（Patel，2020；Srivastava等，2022）。此外，葡聚糖自身的生物活性还有助于抑制微生物生长并提高材料的氧化稳定性，因此基于葡聚糖的薄膜特别适合用于包装新鲜农产品、肉类、烘焙食品及乳制品（Rani等，2026）。在可食用涂层领域，葡聚糖也展现出优异的附着力、粘度控制能力及保水性能，有助于减少食品脱水、延缓变质并保持储存期间的品质（Chashchilov等，2024；Ding等，2024）。与此同时，加工技术的进步使得人们可以通过定制化的制造工艺和界面工程手段，更精确地控制多糖膜的微观结构，进一步提升了功能性包装材料的设计灵活性，这也可能影响最终复合膜在微观层面的分子排列与结构组成（Castro-Mu?oz & Cabezas，2025；Castro-Mu?oz等，2023）。

近年来发表的关于多糖基食品包装材料的代表性综述可见表1。尽管在基于葡聚糖的食品包装材料方面已取得一定进展，但该领域仍较为分散，大多数研究仅聚焦于特定的配方或应用场景，缺乏统一的分析框架。虽然右旋糖酐和β-葡聚糖在分子结构、生物来源及物理化学性质上存在显著差异，但它们同属葡聚糖家族，都具有以葡萄糖为基本单元的主链。由于连接方式和分支结构的不同，二者具有截然不同的功能特性，因此在统一框架下进行比较分析，对于理解结构变化如何影响包装性能具有重要意义。不过，目前仍缺乏此类综合性分析。正因如此，不同研究中的性能数据往往难以相互比较，也就难以建立起通用的设计原则。与淀粉、纤维素、壳聚糖、海藻酸及果胶等已被广泛研究的多糖相比，葡聚糖在相同的葡萄糖主链基础上展现出独特的结构多样性。通过调整连接方式、分支结构及分子量，葡聚糖能够同时承担多种功能，如结构强化和功能物质输送，这使其成为多功能包装设计的理想材料。不过，目前仍存在一些制约因素，如分子特性表征不够一致、加工与测试条件存在差异，以及针对实际储存环境下的长期稳定性与迁移性研究不足。这些因素都阻碍了可靠的结构-性能关系建立以及系统的材料设计。

为弥补这些不足，本综述从分子结构到应用性能，系统地分析了基于葡聚糖的可生物降解包装系统，重点探讨了其在薄膜及可食用涂层中的应用。首先对比了不同来源的右旋糖酐和β-葡聚糖的结构特征，随后介绍了相关的改性策略及复合材料设计方法。接着，结合食品包装应用场景，深入分析了这些因素对材料机械性能、阻隔性能及功能活性的影响。最后，总结了安全性问题、规模化生产面临的挑战以及未来研究方向，以明确当前的研究重点与不足。通过整合现有研究成果，本综述旨在为下一代基于葡聚糖的可持续食品包装材料的研发提供全面的理论框架。