《Foods》：Starch/Poly(butylene adipate-co-terephthalate) Blown Films Containing Quaternary Ammonium Salts and Ethylenediaminetetraacetic Acid for Food Preservation
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在本研究中，将具有不同烷基链长度（C12和C18）的季铵盐（QAS）与乙二胺四乙酸（EDTA）一同掺入淀粉/聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）基质中，制备吹塑薄膜。含有QAS和EDTA组合的薄膜（D18D12E）对金黄色葡萄球菌（Staphylococc
在本研究中，将具有不同烷基链长度（C12和C18）的季铵盐（QAS）与乙二胺四乙酸（EDTA）一同掺入淀粉/聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）基质中，制备吹塑薄膜。含有QAS和EDTA组合的薄膜（D18D12E）对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的抗菌率均达到≥99%，同时保持了对HepG2细胞的细胞相容性（存活率≥70%）以及初步的烟草生长相容性。与对照组相比，D18D12E薄膜表现出较低的拉伸强度（7.60 MPa）和较高的氧气（22.42 × 10?13 cm3·cm·cm?2·s?1·Pa?1）及二氧化碳渗透系数（22.10 × 10?13 cm3·cm·cm?2·s?1·Pa?1）。其断裂伸长率（805.80%）和水蒸气渗透率（4.03 × 10?11 g·m·m?2·s?1·Pa?1）在统计学上与对照组相当。此外，D18D12E薄膜分别将中国馒头和草莓的可见变质延缓至4天和8天的储存期。这些研究结果表明，EDTA辅助降低QAS负载量可维持抗菌活性，但相关的力学性能和气体阻隔性能的权衡需要进一步的配方优化。
**淀粉/PBAT复合薄膜中季铵盐与EDTA协同抗菌策略及其食品保鲜应用研究解读**
**1. 研究背景与问题提出**
随着生鲜农产品储运和流通的全球化发展，市场对能够延长货架期的可持续包装材料需求日益增长。在众多可生物降解材料中，淀粉基材料因其低成本、可再生性和可生物降解性而备受关注。研究人员此前的研究证实，淀粉/聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）复合材料兼具淀粉的经济优势和PBAT优异的加工性能，是一种颇具吸引力的包装材料选择。然而，这类材料的功能性有限，限制了其在易腐食品保鲜中的有效性。
将活性抗菌剂掺入包装基质是延长易腐食品货架期的常用策略。目前已有大量研究尝试将天然生物活性化合物（如茶多酚、精油、ε-聚赖氨酸、乳链菌肽、花青素和槲皮素等）引入淀粉/PBAT基质中。然而，这些天然添加剂通常成本较高且稳定性差，在加工或储存过程中特别容易降解或失活。研究人员既往工作发现，季铵盐（QAS）作为阳离子抗菌剂具有成本效益高和抗菌活性强的优势，但将其应用于食品包装系统仍面临潜在细胞毒性和环境风险的挑战，尤其是对于迁移性较强的短链QAS而言。欧盟法规(EC) No 1935/2004要求食品接触材料不得向食品中迁移可能危害人体健康或导致食品不可接受变化的成分，而(EU) No 10/2011法规为塑料食品接触材料设定了10 mg/dm2的总迁移限量。
缓解QAS细胞毒性的一种直接策略是降低其用量，但浓度降低往往导致抗菌活性下降，尤其是对革兰氏阴性菌的抗菌效果。革兰氏阴性菌独特的外膜结构中含有作为有效渗透屏障的脂多糖，可阻碍阳离子抗菌剂的渗透。因此，仅通过降低剂量难以同时实现高抗菌活性和低毒性。为解决这一问题，引入能够增强革兰氏阴性菌敏感性并调控QAS活性的辅助组分成为一种有前景的策略。乙二胺四乙酸（EDTA）作为一种多羧基化合物，能够螯合稳定脂多糖结构的二价阳离子（如Ca2?和Mg2?），从而破坏细菌外膜完整性，增加革兰氏阴性菌对抗菌剂的敏感性。基于此机制，研究人员假设将EDTA与减量的D12和D18复配，可在保持抗菌功效（尤其是对革兰氏阴性大肠杆菌）的同时，获得比单独使用QAS更有利的初步生物相容性。
**2. 主要技术方法**
本研究采用挤出吹塑法制备系列淀粉/PBAT复合薄膜。原料包括羟丙基二淀粉磷酸酯（改性木薯淀粉）、PBAT树脂、有机改性蒙脱土（DK3）、甘油、QAS（双十二烷基二甲基氯化铵D12和双十八烷基二甲基氯化铵D18）及EDTA。薄膜制备采用双螺杆挤出机熔融共混造粒，再经单螺杆挤出吹塑成膜。理化性能表征涵盖旋转流变仪流变学分析、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、低场核磁共振（LF-NMR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TG）、扫描电子显微镜（SEM）、万能试验机力学测试、接触角测量、水蒸气渗透率（WVP）和气体渗透性测试及紫外-可见光光谱分析。抗菌活性采用琼脂扩散法和平板计数法评估，以金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）为模式菌株。初步生物相容性评估包括HepG2细胞毒性试验（CCK-8法）和烟草生长试验，总迁移量测试在水性模拟液中进行。统计学分析采用单因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重比较，储存数据采用SAS混合效应模型分析。
**3. 研究结果**
**3.1 流变学分析**
采用旋转流变仪在145 °C下对共混物进行振荡剪切测试。所有样品均表现出典型的剪切变稀行为（非牛顿流体特性），Power-law和Carreau–Yasuda模型拟合良好（R2 ≥ 0.99）。QAS的掺入降低了体系黏度，增加了假塑性指数（n1从0.35增至0.44–0.48），表明QAS的疏水烷基链作为内增塑段增大了淀粉域内自由体积，促进了分子运动。D18D12样品表现出最低的零剪切黏度（η0）和最长的松弛时间（λ），而EDTA的引入使黏度部分恢复，表明EDTA改变了混合QAS配方的松弛行为。储能模量（G′）和损耗因子（tan δ）结果表明，QAS削弱了分子间缔合，而EDTA部分重建了分子间相互作用。
**3.2 ATR-FTIR分析**
所有样品红外光谱特征峰基本一致，未检测到新吸收峰。掺入QAS和EDTA后，O–H伸缩振动带（约3200–3400 cm?1）发生轻微蓝移，表明QAS阳离子头基与淀粉羟基之间存在静电吸引和氢键作用。值得注意的是，与D18D12膜相比，引入EDTA后O–H伸缩振动带出现2 cm?1红移，表明形成了更强的氢键相互作用，这可能归因于EDTA分子中多个羧基提供了更多可及的氢键位点。
**3.3 LF-NMR分析**
LF-NMR弛豫曲线显示所有样品均存在多重弛豫组分，表明基质内水/质子处于不同结合状态。D12膜表现出最高的结合水比例（90.75%），归因于其较短烷基链提供的疏水屏蔽效应较弱，使QAS头基、淀粉羟基、甘油和水分子间相互作用增强。D18D12膜结合水比例降至73.98%，而D18D12E膜进一步降至69.29%，表明EDTA不仅通过氢键增强水固定，还可能竞争淀粉羟基位点并与QAS分子相互作用，从而改变基质内水的分布和结合状态。
**3.4 XRD分析**
QAS掺入后相对结晶度从对照组的20.28%增至D12的22.75%和D18的30.27%，并在约23°处出现新衍射峰。D18膜结晶度高于D12，与其较长疏水烷基链对PBAT富集域具有更高亲和力有关。D18D12膜相对结晶度为24.89%。进一步引入EDTA后，约22°处出现明显衍射特征，相对结晶度从24.89%略增至25.47%，表明EDTA的羧基可与淀粉羟基形成氢键，促进分子堆积。
**3.5 热稳定性**
TG分析显示，掺入QAS和EDTA后淀粉组分最大降解温度略向低温方向移动，这可能归因于QAS与淀粉羟基的相互作用抑制了吹膜冷却阶段分子间氢键的重建，以及QAS较低的热分解温度产生挥发性产物部分破坏聚合物网络。PBAT对应的高温降解峰保持相对稳定。改性膜表现出较低的Td5和Td10值但较高的Td50值，且最终残留量低于对照组。
**3.6 形貌分析**
SEM观察显示含QAS的膜呈现片状凸起，表明韧性低温脆断行为。D18D12膜中观察到残留淀粉颗粒结构，颗粒附近存在微裂纹。研究人员推测，当D18和D12共存时，不同长度的疏水烷基链可能在淀粉域周围形成复杂疏水环境，阻碍甘油等增塑剂扩散，部分抑制淀粉糊化。EDTA引入后颗粒特征消失，推测EDTA-QAS缔合可能促进甘油渗透进入淀粉富集区域。
**3.7 力学性能**
含QAS膜（不含EDTA）的拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EAB）通常低于对照组。含D12的膜表现出更早的屈服和快速应变软化，表明系统倾向通过塑性变形耗散应力。D18D12膜中残留淀粉颗粒可能削弱了淀粉-PBAT界面粘附，导致应力分布不均。EDTA的引入显著恢复了D18D12膜的EAB，但D18D12E膜TS（7.60 MPa）和杨氏模量（YM，58.11 MPa）仍显著低于对照组（11.62和129.72 MPa），EAB数值上较高（805.80% vs 780.47%）但无统计学差异。
**3.8 阻隔性能**
QAS配方降低了WVP值，D18膜表现出最低WVP和最大初始接触角（70.43°），与其较长疏水烷基链在亲水相中形成不连续区域阻碍水分子扩散有关。D12膜初始接触角最低（49.70°），表明表面润湿性增加。EDTA的引入略微增加WVP（p > 0.05）。在气体渗透性方面，单独掺入QAS显著降低了OP和CDP，归因于疏水烷基链增强了基质致密性。然而D18和D12同时引入时OP和CDP显著增加（p < 0.05），与SEM观察到的残留颗粒结构引入的微空隙有关。EDTA掺入后气体渗透性较D18D12显著降低，但仍劣于对照组。UV-vis光谱显示QAS掺入降低了薄膜不透明度，而D18D12膜不透明度略高，EDTA引入后不透明度再次降低。
**3.9 体外抗菌活性**
平板计数法结果显示，D18D12E膜对所有测试菌株均未检测到可计数的菌落（<10 CFU/mL），抗菌率保守表示为>99%，对数减少值>2-log。单独含EDTA的膜也减少了可计数菌落数。琼脂扩散法显示D12膜具有最大抑菌圈，而含QAS和EDTA组合的膜（D12E、D18E、D18D12E）抑菌圈较小但平板计数抗菌性能强，表明其抗菌作用更多依赖接触杀灭而非扩散释放。
**3.10 草莓和馒头初步应用**
草莓储存试验中，未包装草莓第4天出现明显萎蔫，6–8天后出现严重真菌生长和组织塌陷。D18D12和D18D12E膜包装的草莓在储存结束时保持良好外观。馒头储存试验中，第4天未包装样品出现可见变质（红斑）和干燥外观，PE包装样品出现红黑色霉斑，而D18D12E膜包装的馒头在储存期间保持最佳外观。
**3.11 初步细胞相容性、烟草生长响应和总迁移**
烟草种子在所有处理组中均能萌发，但含QAS膜处理组出现轻微生长延缓，D12组尤为明显。HepG2细胞毒性试验中，D12膜提取物处理的细胞形态较分散、细胞间接触减少；D18膜处理的细胞保持良好的铺展形态和细胞间粘附聚集行为；D18D12E膜处理的细胞存活率>70%且植物高度更接近对照组。总迁移测试显示D18D12E膜在水性条件下的总迁移量为8.18 mg/dm2，低于10 mg/dm2的规定限量。
**3.12 相关性分析**
主成分分析（PCA）显示PC1和PC2分别解释总方差的69.86%和18.24%，对照组与含QAS和EDTA的膜明显分离。相关性热图显示流变参数与力学和阻隔性能密切相关，OP和CDP强相关，细胞活力与部分抗菌相关指标呈相反趋势，提示抗菌活性与生物安全性之间存在潜在权衡关系。
**4. 讨论与结论总结**
**讨论部分总结：** 研究结果表明，EDTA辅助降低QAS负载量可维持抗菌活性，同时改善初步生物相容性。EDTA通过螯合细菌外膜二价阳离子增强革兰氏阴性菌敏感性，并通过与QAS和淀粉的分子间相互作用调控QAS的可及性和分布，在保持抗菌功能的同时降低潜在生物风险。然而，该策略伴随力学性能和气体阻隔性能的权衡，D18D12E膜虽然保持了对照级别的断裂伸长率，但拉伸强度和刚度显著降低，气体渗透性增加。
**研究结论：** 本研究通过挤出吹塑法制备了含QAS和EDTA的淀粉/PBAT抗菌薄膜。EDTA的掺入使D18D12E膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率达到≥99%，同时将QAS总负载量降低三分之一。与对照组相比，其拉伸强度从11.62降至7.60 MPa，而氧气和二氧化碳渗透系数分别从13.26和12.82增至22.42和22.10 × 10?13 cm3·cm·cm?2·s?1·Pa?1。然而，该薄膜保持了805.80%的高断裂伸长率和4.03 × 10?11 g·m·m?2·s?1·Pa?1的水蒸气渗透率，均与对照组无显著差异。储存试验中，D18D12E将草莓的可见变质延缓至8天，将中国馒头延缓至4天。该薄膜还表现出75.4%的HepG2细胞存活率，不阻止含膜土壤中烟草种子的萌发和幼苗发育，且在测试条件下总迁移量低于10 mg/dm2。总体而言，用EDTA部分替代QAS可在较低QAS负载量下维持强抗菌活性。但研究存在若干局限性，包括储存评估主要依赖视觉观察而未进行食品微生物计数、未测量化合物特异性迁移量，以及部分仪器分析（如TG）的生物对照和重复有限。未来研究应纳入定量食品质量测量、靶向迁移分析和更广泛的生物模型。该研究发表于《Foods》期刊。
