《Sustainable Chemistry》：From Agricultural Food Waste to Edible and Biodegradable Films: A Smart and Sustainable Approach to Meat Packaging
编辑推荐：
关于可食性和可生物降解薄膜包装（EBFP）的研究显著增加，旨在探索合成包装的可持续替代方案并减轻其环境影响。从农业食品废弃物（AFW）中提取的生物材料可用于制备EBFP，作为肉类及肉制品的替代包装材料。本综述的核心在于探讨工业中可利用的AFW生物材料及生物活性
关于可食性和可生物降解薄膜包装（EBFP）的研究显著增加，旨在探索合成包装的可持续替代方案并减轻其环境影响。从农业食品废弃物（AFW）中提取的生物材料可用于制备EBFP，作为肉类及肉制品的替代包装材料。本综述的核心在于探讨工业中可利用的AFW生物材料及生物活性化合物，以及将其用于制备具有理想力学参数、适合作为包装材料的EBFP的利用技术。此外，研究还总结了EBFP在贮藏试验中对肉类货架期、理化性质、氧化特性及微生物品质影响的相关文献。采用AFW生物材料（如蛋白质、碳水化合物、精油及生物活性化合物）制备的EBFP表现出良好的成膜能力、力学性能、阻隔性能、生物可降解性以及与肉类的协同效应。基于AFW生物材料及生物活性化合物的EBFP在肉类包装中的最新应用进展集中于新型制备工艺，如静电纺丝（ES）、溶剂浇铸（SC）及二者结合制备杂化膜，这些工艺显著改善了力学性能和阻隔性能。此外，加入AFW来源的生物活性材料增强了EBFP的抗氧化和抗菌性能，以抑制肉类的氧化酸败及细菌、真菌和霉菌的滋生，从而延长货架期。AFW生物材料和生物活性化合物的掺入改善了EBFP的智能特性，该特性已有效应用于肉类包装中，通过颜色和pH变化检测肉类的新鲜度和腐败程度。
1. 引言
农业食品废弃物（AFW）被定义为在初级农业生产、采后管理、贮藏及食品加工环节中被丢弃的可食用和不可食用部分，但不包括再加工为生物燃料、动物饲料或肥料的部分。FAO报告显示，全球约14%的食品（每年价值4000亿美元）在到达消费者之前发生采后损失，全球年食品浪费量约16亿吨，其中水果损失率最高。AFW产生全球8–10%的温室气体排放，加剧气候不稳定。
水果和蔬菜废弃物是提取生物材料和生物活性化合物的重要来源，可用于制备可食性和可生物降解薄膜包装（EBFP）。AFW富含多糖和蛋白质等聚合物，同时含有酚类等生物活性分子，具有抗氧化、抗菌等功效。利用AFW生物材料制备EBFP能增强物理、力学和功能特性，从而在运输和贮藏期间保持肉类品质。
肉类因其高蛋白、高脂肪营养特性而易于腐败，需采用活性、智能和可降解包装来抑制氧化和微生物劣变。AFW来源的香蕉皮淀粉、木薯皮纤维素、南瓜籽蛋白等已被成功用于制备具有优异性能的薄膜。本文献综述系统检索了PubMed、Scopus和Google Scholar，筛选出106篇相关研究，聚焦AFW生物材料在肉类包装中的全链条应用，包括提取、制备工艺及性能评价，填补了以往综述忽视肉类特异性挑战的空白。
2. 可食性生物降解薄膜
可食性生物降解薄膜（EBF）是由一种或多种生物材料制备的薄片，应用于包装、生物医学等领域。EBFP市场2021年估值约27亿美元，预计2022–2030年以7.7%的复合年增长率增长。活性包装通过释放或吸收化合物延长货架期，智能包装则通过指示剂评估食品质量。AFW基EBFP中，活性组分提供抗菌保护，智能指示剂通过颜色转变反映肉类劣变状态。
2.1 EBFP的制备技术
溶剂浇铸（SC）和静电纺丝（ES）是主要的制备技术。SC是最简便高效的工艺，将含生物材料和增塑剂的溶液倒入托盘中，在40–60°C干燥6–12小时成膜。SC膜的多孔表面可封装生物活性物质。ES利用高压静电场将少量聚合物溶液喷射成纳米纤维（NFs），具有大比表面积和高孔隙率，能封装多种活性化合物，且无热处理可保留功能成分。SC与ES结合制备的杂化EBFP（HBEBFP）表现出更优性能。例如，玉米醇溶蛋白–茶黄素HBEBFP具有强力学性能和抗氧化抗菌能力；明胶–紫薯花青素–ε-聚赖氨酸HBEBFP将猪肉货架期延长6天，并通过颜色变化指示新鲜度；茄子皮提取物–香薄荷精油HBEBFP抑制了鳟鱼氧化和细菌滋生。表1总结了相关研究，表明杂化膜通常优于单一基质体系，其抗张强度可达20–35 MPa，且通过纳米纤维形貌改善交联和增塑剂分布。但高阻隔刚性杂化膜会牺牲柔韧性，需针对不同肉类（如猪肉需抗菌、牛肉需阻氧）选择合适的AFW来源。
3. AFW生物材料在可食膜配方中的应用
每年人均浪费约65公斤食物，其中蔬菜占25%、谷物占24%、水果占12%。这些AFW可提取生物材料用于EBFP。
3.1 蛋白质
动物蛋白（如明胶、酪蛋白、乳清蛋白、角蛋白、卵清蛋白）和植物蛋白均可用于制备EBFP。明胶因易获得且成膜性好而被广泛使用，鱼明胶–果胶–柠檬草精油膜可保持鸡胸肉品质。酪蛋白膜具有良好阻氧性。鸡蛋黄、蛋清蛋白可改善膜的力学性能和透明度。植物蛋白中，南瓜籽饼蛋白、玉米醇溶蛋白等被用于制备HBEBFP。玉米醇溶蛋白–漆树果实提取物–百里香精油膜延长了鸡肉冷藏货架期。干酒糟及其可溶物（DDGS）也可用于成膜。
3.2 碳水化合物
纤维素、淀粉、果胶和壳聚糖是常见的AFW碳水化合物来源。
3.2.1 淀粉
香蕉皮淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉等被广泛用于EBFP。木薯淀粉–普鲁兰–酪蛋白酸钠–玉米醇溶蛋白–山鸡椒精油膜延长了牛肉货架期7天。马铃薯淀粉–卡拉胶–海棠果皮膜抑制了猪肉脂质氧化。木薯淀粉–石榴皮粉智能膜通过颜色变绿指示羊肉新鲜度。香蕉淀粉–香蕉皮提取物膜降低了猪肉TBARS值。
3.2.2 纤维素
木薯皮纤维素膜保持了鸡肉色泽和质地，减少了微生物数量。茄子纤维素–海藻酸钠–乳链菌肽膜将鸭肉货架期延长4天。百香果皮纤维素–玉米醇溶蛋白–牛至油膜将猪肉货架期延长至7天。
3.2.3 果胶
火龙果皮果胶–甜菜红素–PVA智能膜在牛肉贮藏6天时由红粉色变为棕黄色，指示TVB-N升高。西瓜皮果胶–甜菜根提取物膜在8天时由粉变棕。柑橘皮果胶–鱼明胶–蜂蜡膜抑制了牛肉脂质氧化。香蕉皮果胶–肉桂提取物膜抑制真菌达7天。
3.2.4 壳聚糖
虾壳壳聚糖膜具有高拉伸强度和抗菌活性，可降低牛肉冷藏7天细菌数，并在14天内土壤降解。
4. AFW中的生物活性化合物在EBFP制备中的应用
水果和蔬菜副产物中的酚类、黄酮类、精油等活性物质赋予EBFP抗氧化和抗菌性能。芒果、石榴、猕猴桃、火龙果、甜菜根等提取物被掺入膜中。例如，壳聚糖–芒果/橙子/石榴提取物膜降低了牛肉脂质氧化。纤维素–石榴提取物膜将牛肉和禽肉货架期延长至12天。甜菜根皮甜菜青素–纤维素–亚麻籽胶膜通过粉红至紫色转变指示牛肉腐败。茶多酚–淀粉–普鲁兰膜将鱼片货架期延长至8天。红火龙果皮花青素–木薯淀粉–壳聚糖膜通过颜色由红变黄检测虾的新鲜度。
5. 产业合作以扩大生产规模
AFW基EBFP的规模化生产需要产业界与学术界合作。Amcor、Sealed Air等公司正在开发商业薄膜，但面临提取标准化、成本控制、法规合规等挑战。通过优化SC/ES工艺、利用低成本AFW原料（果皮<0.5美元/公斤），材料成本可达3.5–11.8千美元/吨，同时减少填埋成本。消费者接受度是关键，需进行技术经济分析和生命周期评估。未来应发展非热加工技术（如ES、冷挤压、超声处理）以保留热敏活性成分。
6. 机遇与局限性
AFW基EBFP具有成本低、可持续等优势，但实验室规模生产存在无法连续成膜、干燥时间长、厚度控制不精确等问题。技术障碍包括机械强度不足、水分敏感性高、阻氧性差等，可通过杂化配方（如明胶–壳聚糖使拉伸强度提高2–3倍）、添加甘油增塑剂、纳米纤维素增强（水蒸气透过率降低50%）等方法解决。生产成本高（是传统塑料的6–7倍）、消费者认知不足也是挑战。市场对可持续包装的需求增长为AFW基EBFP提供了机遇。
7. 结论
本综述深入讨论了AFW来源的生物材料及其在EBFP制备中的潜力。ES和SC是主要技术。明胶、玉米醇溶蛋白、大豆蛋白、纤维素、淀粉和果胶等单一或杂化使用可显著增强力学和阻隔性能。HBEBFP在延长肉类货架期方面表现最佳。生物活性化合物的掺入赋予EBFP抗氧化、抗菌和抗真菌能力，并通过颜色变化实现智能新鲜度指示。未来应聚焦于AFW提取标准化、ES参数优化及工业规模应用，开发基于花青素的pH敏感智能膜用于肉类供应链腐败监测。
