综述：基于壳聚糖的电纺纳米纤维在活性智能食品包装中的应用：制造技术、抗菌机制及保鲜效果综述

《International Journal of Biological Macromolecules》：Fabrication technologies, antimicrobial mechanisms and preservation applications of chitosan-based electrospun nanofibers for active and intelligent food packaging: A review

　　•介绍了基于壳聚糖的电纺纳米纤维的制备策略。•阐述了抗菌剂对CENs性能的影响机制。•综述了CENs在多种食品活性包装中的应用。•讨论了CENs的生物安全性、迁移风险以及工业应用障碍。•总结了CENs在食品智能保鲜方面的挑战与前景。

引言
微生物污染和食品变质仍是全球范围内影响食品安全与质量的重要问题，这凸显出亟需有效的保鲜策略[1]。有效的包装可以通过将食品与外界环境隔离开来，阻止水分、氧气和微生物的侵入，从而防止食品变质并延长保质期。几十年来，由于成本低、重量轻、耐用性强以及密封和成型方面的灵活性，石油基塑料在包装行业中占据主导地位[2]、[3]。然而，商业化的石油基包装存在两个关键缺陷。首先，其对化石燃料的依赖以及不可生物降解性加剧了环境污染和资源枯竭的问题[4]。根据国际自然保护联盟的数据，全球每年约有2000万公吨的塑料废物进入自然环境。其次，传统的石油基包装缺乏实现高级食品保鲜所需的抗菌和抗氧化功能，而且其中的有害成分可能会迁移到食品中，对消费者健康构成潜在威胁[5]。这些缺陷促使人们加速探索具有生物相容性和可生物降解性的包装材料。

在各种制备生物基可生物降解薄膜的方法中，电纺技术因其能够生成直径小、孔隙率高且比表面积大的纳米纤维而独具优势[6]。这些特性对于食品包装应用来说非常理想，因为它们能够有效调控阻隔性能以及活性物质的负载能力[7]。此外，电纺通常在常温常压条件下制备纳米纤维膜，这一过程无需高温处理，因此可以有效保持所负载活性成分的生物活性，避免其因热降解而失效[8]。通过调整电压、溶液浓度和纺丝距离等工艺参数，可以灵活调控电纺膜的物理性质，进一步拓展其在食品包装领域的应用范围和适应性。目前，已有四种主要的电纺技术被用于食品包装，包括单轴电纺、同轴电纺、乳液电纺和无针电纺。每种技术都有其适用于不同材料和应用需求的优点，便于选择最合适的方案。合理选择这些技术对于充分发挥电纺包装材料的性能并降低生产成本至关重要。

天然生物聚合物因其固有的生物相容性和可生物降解性而被视为可持续且安全的材料[9]。此外，某些生物聚合物还具备良好的功能性，如抗菌性和智能响应特性[10]。这些特性使得它们非常适合直接接触食品，是开发活性包装的理想材料[11]。壳聚糖是一种从几丁质脱乙酰化得到的阳离子多糖，含有大量的氨基和羟基。这些反应活性位点便于进行化学改性，生成羧甲基壳聚糖等衍生物，从而提升其物理化学性能和潜在应用价值（见图1）。此外，由于其生物相容性、可生物降解性以及天然的抗菌性能，壳聚糖也被认为是食品包装的候选材料之一[12]。CENs具有较大的比表面积和较高的孔隙率，这有助于增强纳米纤维与细菌细胞之间的相互作用，同时还能调节食品中的水分和氧气含量，从而实现更好的保鲜效果。不过，CENs的实际应用往往受到其抗菌活性较弱的限制。为了解决这一问题，研究人员致力于将抗菌剂引入其中，这些抗菌剂包括无机纳米材料、精油、植物粗提物、多酚类物质以及生物活性肽。这一策略显著提升了薄膜的抗菌性、抗氧化性和物理性能，使其能够满足现代食品保鲜的多方面需求[13]、[14]。

与现有的综述相比，本研究构建了一个“电纺策略-性能演变-抗菌机制-食品应用”的统一分析框架，梳理了不同纺丝技术、纤维形成特性、壳聚糖基底以及功能添加剂之间的内在关联。我们系统比较了用于制备CENs的主流电纺技术，详细阐述了抗菌填料所产生的协同抗菌作用机制，以及它们对薄膜机械性能、热性能、阻隔性能和释放性能的影响，同时还分析了生物安全性评估和活性物质释放规律。此外，我们还总结了CENs在水产品、水果、蔬菜和肉类保鲜方面的表现，并分析了其在活性包装和智能包装领域的应用前景。最后，本文还探讨了工业化应用、迁移问题、食品安全挑战以及未来发展趋势（见图1）。因此，本综述填补了目前缺乏电纺路径横向比较以及复合协同抗菌机制系统整理的空白，为可持续多功能纳米纤维包装材料的研发提供了理论支持和设计指导。

章节节选
用于制备壳聚糖基纳米纤维的电纺技术
标准的电纺装置通常由高压电源、带有毛细针的注射泵以及接地的收集器（如旋转鼓或固定板）组成。在高压电场的驱动下，聚合物溶液从针尖喷出并拉伸成连续的纳米纤维，随后沉积在收集装置上[15]。为了获得具有特定形态的纳米纤维，需要对相关参数进行优化。

纳米纤维中抗菌剂的类型与作用机制
壳聚糖既可作为坚固的生物基基质，又具有天然的抗菌作用[42]。其抗菌效果主要取决于壳聚糖中的质子化氨基与细菌细胞膜上的负电荷成分之间的静电相互作用。这种相互作用会破坏细胞膜的完整性，导致渗透压失衡、细胞内物质泄漏，最终引发细胞死亡。高分子量的壳聚糖还可以螯合金属离子。

电纺纳米纤维抗菌材料在食品保鲜中的应用
理想的食品包装应具备出色的稳定性、强大的机械强度和优异的阻隔性能，同时还能有效抑制腐败微生物，从而延长食品的保质期[91]。迄今为止，CENs已在多种食品类别的保鲜应用中得到了广泛研究，包括水果和蔬菜、肉类、海产品以及乳制品。与此同时，越来越多的研究正在探索其在活性包装和智能包装系统中的潜力。

挑战与局限性
由于壳聚糖具有天然的抗菌性和可降解性，而纳米纤维则具有较大的比表面积和较高的孔隙率，因此基于壳聚糖的纳米纤维膜在食品保鲜方面展现出巨大潜力。然而，纯壳聚糖电纺膜的大规模工业化转化和商业化应用仍面临诸多材料、技术和监管方面的瓶颈，需要制定针对性的优化方案并建立相应的标准。

结论与未来展望
这些CENs在食品保鲜领域具有巨大的应用潜力。它们完全可生物降解、无毒且具有天然的生物活性，可作为传统合成包装材料和化学防腐剂的可持续替代品。本综述系统阐述了电纺壳聚糖纳米纤维的全方位研究体系，涵盖了制备技术、抗菌功能改性、食品保鲜应用、现有的工业瓶颈以及未来的研究方向。

缩写说明
CS：壳聚糖
CENs：基于壳聚糖的电纺纳米纤维
PEO：聚环氧乙烷
PVA：聚乙烯醇
TFA：三氟乙酸
PCL：聚己内酯
HFIP：六氟异丙醇
KCl：柠檬酸钾
GP：金橘苷
CMC：羧甲基壳聚糖
尼辛：Nisin
O/W：油包水
OEO：牛至精油
QAC：季铵壳聚糖
NEN：无针电纺
GEL：明胶
NPs：纳米颗粒
ZnO：氧化锌
TiO2：二氧化钛
CuO：氧化铜
GAA：戊二醛
TAA：单宁酸
CeO2：二氧化铈
MB：亚甲蓝
Cu2+：铜离子
AgNPs：银纳米颗粒
GNSC：RediT

作者贡献说明
张文：写作——综述与编辑，写作——初稿，资源获取，项目管理，资金申请，正式分析，概念构思。高帅帅：写作——初稿，可视化，软件使用，资源获取，概念构思。梁文静：写作——综述与编辑，写作——初稿，可视化，方法学，实验研究，数据整理。唐玉英：软件使用，数据整理。刘佳丽：方法学，正式分析。张志哲：方法学。

未引用参考文献[39]

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了天津市自然科学基金联合资助[项目编号25JCLMJC01030]以及天津市科技计划项目的支持[项目编号24YFZCSN00320和25JCZDJC00460]。

作者名单：张文|高帅帅|梁文静|唐玉英|刘佳丽|张志哲|潘立军|曲傲|王润燕|梁武|赵岩|吴志坚