《Materials》：Engineering Furcellaran/Xanthan Gum/Beeswax Composite Films Containing Spirulina via High-Shear Homogenisation: Structural and Physicochemical Properties
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对可持续和功能性包装日益增长的需求推动了基于生物聚合物的膜的开发，这些膜由食品级成分制备，具有适用于可食用包装应用的潜力。本研究聚焦于利用高剪切均质化（HSH）制备富含螺旋藻生物质的Furcellaran/黄原胶/蜂蜡复合膜的表征。研究人员评估了螺旋藻的掺入对
对可持续和功能性包装日益增长的需求推动了基于生物聚合物的膜的开发，这些膜由食品级成分制备，具有适用于可食用包装应用的潜力。本研究聚焦于利用高剪切均质化（HSH）制备富含螺旋藻生物质的Furcellaran/黄原胶/蜂蜡复合膜的表征。研究人员评估了螺旋藻的掺入对膜的结构、理化、机械和形态性质的影响。HSH使得蜂蜡和螺旋藻能够分散在多糖基基质中。FTIR光谱显示与多糖相关振动一致的吸收带，包括3,6-脱水半乳糖（~930 cm?1）和半乳糖-4-硫酸酯（~845 cm?1），并表明在螺旋藻掺入后选定官能团区域发生了变化。XRD揭示了有序的蜂蜡相关结构域，包括一个对应于约15.27 ?的d-间距的反射。螺旋藻降低了接触角，使水蒸气透过率（WVTR）增加了约2.5倍，并降低了最大断裂载荷，而拉伸强度和断裂伸长率在配方之间保持相当。SEM显示含螺旋藻的膜中形态更不均匀，存在孔隙、空隙和局部生物质团簇。膜的溶解度约为59%（FUR/XAN/BE）和47%（FUR/XAN/BE/S），但在提取过程中形成浑浊水凝胶，阻碍了可靠的直接ABTS和CUPRAC测定。结果表明了可食用涂层的潜力，但需要进一步优化和验证。
随着全球对可持续农业和食品营养的关注增加，传统合成包装因难以降解导致环境污染，亟需开发可生物降解和可食用的包装材料。多糖基质膜虽具成膜性，但水汽阻隔性能差，可通过添加蜂蜡等脂质改善。Furcellaran（FUR，红藻多糖）和黄原胶（XAN，微生物发酵多糖）是食品级水胶体，螺旋藻（Spirulina，富含蛋白质和抗氧化成分的蓝藻生物质）可赋予膜功能特性。高剪切均质化（HSH）能促进脂质分散，避免高压均质对蛋白质敏感成分的破坏。本研究旨在通过HSH制备FUR/XAN/蜂蜡（BE）复合膜，并添加螺旋藻，系统表征其结构、理化、机械和形态性质，评估其作为可食用包装候选材料的潜力。论文发表在《Materials》。
研究人员采用高剪切均质化（HSH）技术（10,000 rpm，3 min）制备膜液，通过溶剂浇铸成膜。主要技术方法包括：FTIR光谱（ATR模式，半定量分析谱带积分面积）评估化学结构变化；XRD（WAXD模式，分析结晶度与d-间距）表征蜂蜡有序结构域；SEM观察膜表面和截面形态；接触角测量（静态座滴法）评估表面亲水性；水蒸气透过率（WVTR，重量法）测定阻湿性；机械性能测试（拉伸强度TS、断裂伸长率EAB、最大断裂载荷MBL）评估力学行为；DSC分析热转变温度与焓变；抗氧化活性（ABTS和CUPRAC法）因膜提取物浑浊无法直接测定，仅对螺旋藻粉末进行了分析。
**3.1 外观与厚度**：通过目视观察和测厚仪测量，发现膜具有良好弹性和柔韧性，含螺旋藻的膜（FUR/XAN/BE/S）厚度显著降低（0.46±0.09 mm vs 0.69±0.10 mm），可能与螺旋藻粉末影响基质内组织排列有关。
**3.2 机械性能**：通过拉伸测试，TS和EAB在两种配方间无显著差异（TS约2.7–2.8 MPa，EAB约31–32%），但MBL从28.09 N降至19.47 N，主要归因于厚度减小。SEM观察到含螺旋藻膜中存在孔隙和局部团簇，表明螺旋藻作为颗粒填料破坏了基质连续性，但未显著影响归一化TS。
**3.3 水相关性质**：通过WVTR和接触角测量，发现螺旋藻使WVTR增加约2.5倍（从110.6增至281.96 g·m
?2·day
?1），接触角从68.4°降至63.1°，表明表面亲水性增强。SEM显示的孔隙和结构不规则性为水汽扩散提供了优先通道，且螺旋藻的极性基团增加了水亲和力。
**3.4 热性质**：通过DSC分析，螺旋藻未显著改变热转变温度，但使转变焓（ΔH）从48.35 J/g降至32.07 J/g，表明螺旋藻干扰了分子间相互作用和结晶度，降低了热转变所需能量。
**3.5 抗氧化性质**：由于膜在水中形成浑浊水凝胶，无法通过ABTS和CUPRAC法直接测定抗氧化活性。仅对螺旋藻粉末进行测定，其ABTS自由基清除率达97.46%，CUPRAC法测得0.09 mM Trolox当量/g生物质，表明螺旋藻具有抗氧化潜力，但膜中实际活性需验证。
**3.6 XRD分析**：通过WAXD，发现两种膜均显示蜂蜡相关有序结构域的衍射峰，包括低角反射（d≈15.27 ?）和短间距反射（110和200）。螺旋藻掺入后，结晶度从6.1%降至4.9%，蜂蜡相关衍射峰积分面积减小，半峰宽变窄，表明蜂蜡有序域发生重组，但未形成新共价键。
**3.7 SEM分析**：通过扫描电子显微镜，含螺旋藻膜表面和截面显示更多孔隙、空隙和生物质簇，结构不均匀性增加。上表面粗糙度增加，下表面因接触浇铸面更致密，表明螺旋藻破坏了基质连续性，与WVTR升高和接触角降低一致。
**3.8 FTIR分析**：通过ATR-FTIR半定量分析，确认了多糖特征峰（3,6-脱水半乳糖~926 cm
?1，半乳糖-4-硫酸酯~845 cm
?1）和蜂蜡的C–H伸缩振动（~2916和2849 cm
?1）。螺旋藻加入后，酯C=O峰从1735 cm
?1移至1723 cm
?1，表明蜂蜡酯基化学环境改变；C–H伸缩峰积分面积增大，但蜂蜡浓度不变，反映其分布或表面暴露变化。
**讨论部分总结**：螺旋藻通过化学、形态和结构机制影响复合膜。亲水性基团和形态异质性（孔隙、空洞）共同导致接触角降低和WVTR升高。XRD和SEM表明蜂蜡有序域部分扰动，螺旋藻作为颗粒填料改变了基质内连续性，而非增强或增塑剂。与传统材料比较：FUR/XAN/BE/S膜厚度较大（0.46 mm），TS（2.83 MPa）远低于HDPE（26–29 MPa）和OPP（104 MPa），但EAB（32%）适中；WVTR（282 g·m
?2·day
?1）接近PBS-DLS，但比OPP高约47倍。因此，该膜不适用于高强度高阻隔包装，但可作为食品接触涂层或内部功能层，需进一步优化螺旋藻浓度、降低WVTR、验证抗氧化活性、进行生物降解和迁移测试。
**研究结论部分翻译**：本研究开发了基于Furcellaran、黄原胶和蜂蜡的复合膜，并添加了螺旋藻生物质。高剪切均质化用于分散蜂蜡和螺旋藻。FTIR分析确认了多糖基质的特征官能团，半定量光谱比较表明螺旋藻掺入后选定官能团化学微环境发生变化。XRD显示有序蜂蜡相关结构域的存在，包括对应d-间距约15.27 ?的低角反射以及（110）和（200）反射。螺旋藻的掺入影响了膜的理化及结构性质。尽管拉伸强度和断裂伸长率在两种配方间保持相当，但最大断裂载荷在螺旋藻添加后降低，表明复合基质有效承载连续性下降。螺旋藻还增加了膜的亲水性，表现为接触角降低和水蒸气透过率增加约2.5倍。这些变化与SEM观察一致，后者显示含螺旋藻膜中形态更不均匀，存在孔隙、空隙和局部生物质簇。因此，螺旋藻应被视为一种颗粒生物质填料，它改变了多糖–蜂蜡基质的内部组织，而非简单的增强或增塑添加剂。虽然螺旋藻含有潜在生物活性成分，但其在最终复合膜中的功能性仍有待实验验证。所开发的FUR/XAN/BE/S膜可作为由食品级成分制备、含螺旋藻衍生生物活性成分的候选涂层进一步发展，但最终膜的抗氧化活性无法直接定量，因为膜在提取过程中形成高度浑浊黏稠水凝胶，阻碍了可靠的ABTS和CUPRAC分光光度测量。因此，未来研究应使用适用于不溶或高度溶胀膜基质的方法验证最终复合膜的抗氧化功能。
