## 中文标题 开发掺入载有芹菜素的玉米醇溶蛋白/奇亚籽胶纳米颗粒的壳聚糖/双醛淀粉活性膜用于草莓保鲜

《Future Foods》：Development of chitosan/dialdehyde starch active films incorporating apigenin-loaded zein/chia seed gum nanoparticles for strawberry preservation

　　

本研究采用纳米包封技术开发了一种具有活性组分缓释功能的活性包装膜。通过反溶剂沉淀法制备了载芹菜素（Ap）的玉米醇溶蛋白-奇亚籽胶纳米颗粒（CSG/Zein@Ap NPs）。当CSG与玉米醇溶蛋白的质量比为2:1时，纳米颗粒表现出最佳的包封效率，为52.79%。此外，在测试条件下，这些纳米颗粒表现出良好的初步体外生物相容性。将CSG/Zein@Ap NPs掺入壳聚糖/双醛淀粉膜（CS/DSA）中制备了活性食品包装。SEM和FTIR表明，席夫碱键和氢键的形成增强了膜的致密性。与壳聚糖膜相比，当CSG/Zein@Ap NPs含量达到3 wt%（CS/DSA-3%NPs）时，拉伸强度提高了45.15%，而水蒸气透过率降低了77.41%。该膜表现出优异的抗菌和抗氧化性能（DPPH：83.82%；ABTS：94.19%），以及良好的生物降解性和土壤微生物群落调节能力。纳米包封使Ap能够从膜中实现缓释。此外，CS/DSA-3%NPs可将草莓的保质期延长6天。

## 论文解读文章

### 研究背景与意义

石油基塑料在食品包装中的大量使用带来了严重的环境污染和化学迁移风险。壳聚糖（chitosan）虽具有成膜性、生物降解性和生物相容性等优点，但其膜力学性能差、抗氧化能力弱，限制了实际应用。通过双醛淀粉（DSA）交联和添加天然活性物可改善性能，其中芹菜素（Ap）作为天然黄酮具有抗菌抗氧化活性，但其易降解、稳定性差、释放快。生物基纳米载体可保护并实现Ap缓释，然而现有系统存在两大瓶颈：仅用蛋白质纳米载体（如玉米醇溶蛋白，zein）无法抑制初期突释；引入多糖稳定剂（如奇亚籽胶，CSG）常因界面相互作用不足而损害膜力学性能。为此，研究人员设计了核壳结构CSG/Zein@Ap NPs（zein为核，Ap载于核中，CSG为壳），以期同时解决上述问题，并开发兼具缓释性能与优异力学性能的活性包装膜。

### 研究内容概述

研究人员通过反溶剂沉淀法制备不同质量比的CSG/Zein@Ap NPs，系统表征其理化性质和生物相容性；将NPs掺入壳聚糖/DSA膜基质制备复合膜，考察其对膜微观结构、理化性能、阻隔与力学性能、生物降解性及土壤微生物群落的影响；在食品模拟物中评价Ap的缓释行为；最后应用于草莓包装，评估保鲜效果。

### 主要技术方法

草莓和奇亚籽购自中国合肥当地市场，小鼠红细胞由郑州平瑞生物技术有限公司提供。主要方法包括：反溶剂沉淀法制备CSG/Zein@Ap NPs；席夫碱交联法制备复合膜；利用动态光散射、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TGA）等手段表征材料和膜性能；通过溶血试验和CCK-8法评估生物相容性；采用食品模拟物释放实验和动力学模型拟合研究缓释行为；通过土壤掩埋实验和16S rRNA高通量测序评估降解性及对土壤微生物的影响；草莓包装实验测定失重率、硬度、可溶性固形物（TSS）、总活菌数（TVC）及挥发性风味化合物（VOCs）。

### 研究结果

**3.1 纳米颗粒的表征**
通过改变CSG与zein质量比发现，当CSG:zein为2:1时，CSG/Zein@Ap NPs粒径最小（282.15 ± 4.45 nm），分布均匀（PDI < 0.3），zeta电位为?41.77 ± 1.61 mV，包封效率达52.79%。FTIR和XRD表明，Ap被成功包封且以无定形态存在，zein与CSG之间通过氢键、静电和疏水作用形成稳定复合结构。

**3.1.1 纳米颗粒的稳定性**
储存15天、pH 5–9及低盐浓度（≤50 mM NaCl）下，NPs粒径、电位和PDI保持稳定；但在强酸（pH 2–4）或高盐（≥400 mM NaCl）条件下发生聚集，表明其在中性和低离子强度环境中具有良好胶体稳定性。

**3.1.2 Ap的稳定性**
相比游离Ap和Zein@Ap NPs，CSG/Zein@Ap NPs在室温储存15天后Ap保留率最高（81.55%），在60°C加热180 min后保留率84.89%，在UV照射120 min后保留率80.64%，显示核壳结构显著增强了Ap的储存、热和光稳定性。

**3.1.3 生物安全性评价**
溶血试验显示CSG/Zein@Ap NPs在100 μg/mL时溶血率仅为4.76%（低于5%限值）；与293T和HeLa细胞共培养24 h后细胞活力均高于90%，表明其具有良好的体外生物相容性。

**3.2 膜的表征**

**3.2.1 形貌分析**
SEM显示CS/DSA膜表面和截面致密光滑，加入NPs后仍保持均匀无聚集，表明NPs与膜基质相容性良好。

**3.2.2 FTIR、XPS和XRD分析**
FTIR和XPS证实DSA的醛基与壳聚糖的氨基发生席夫碱反应生成C=N键，同时NPs与膜基质间形成额外氢键（A₃₃₀₀/A₉₉₅比值增大）。XRD表明NPs提高了膜结晶度。

**3.2.3 热性能**
TGA显示CS/DSA-3%NPs在600°C时干物质残留率最高（26.36%），DSC显示其吸热峰温度升至192.25°C，说明交联和NPs增强热稳定性。

**3.2.4 厚度和力学性能**
CS/DSA-3%NPs的拉伸强度（TS）比纯CS提高45.15%，断裂伸长率（EAB）降低，归因于席夫碱共价交联和氢键形成的致密网络，且其柔韧性和承重性优于PE。

**3.2.5 透光性能**
CS/DSA-3%NPs在200–800 nm范围内紫外线阻隔能力最强，但可见光透过率仍保持良好，膜颜色因C=N和Ap而偏黄。

**3.2.6 抗氧化和抗菌性能**
CS/DSA-3%NPs的DPPH清除率为83.82%，ABTS清除率为94.19%，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效果最佳，且对大肠杆菌更强。

**3.2.7 WVP、OP和WCA分析**
CS/DSA-3%NPs的水蒸气透过率（WVP）比CS降低77.41%，氧气透过率（OP）降至0.92 g·m^?2·d^?1，水接触角（WCA）增至104.21°，归因于致密网络和增大的表面粗糙度。

**3.2.8 MC和WS分析**
CS/DSA-3%NPs的含水量（MC）和水溶性（WS）显著降低，表明其耐水性和结构致密性增强。

**3.2.9 模拟食品中的释放**
在四种食品模拟物（水、3%乙酸、10%乙醇、50%乙醇）中，CS/DSA-3%NPs的Ap释放速率显著低于未包封的CS/DSA-Ap，初期突释受到抑制，最终释放量未达100%。释放行为符合一级动力学模型（R² = 0.9917–0.9987），表明纳米包封和膜基质的协同作用实现了Ap的持续缓释。

**3.2.10 食品接触材料迁移评估**
在4、20、40°C下与四种食品模拟物接触10天后，所有膜的总迁移量均低于10 mg/dm²，符合欧盟法规要求，初步证明可安全用于食品接触。

**3.2.11 生物降解及其对土壤微生物的影响**
30天土壤掩埋实验中，所有复合膜均明显降解，而PE无变化。降解后的膜残片提高了土壤细菌群落的丰富度（Chao 1）和多样性（Shannon指数），富集了参与碳氮循环的酸杆菌门（Acidobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidetes），未发现病原菌富集，生态影响呈中性至轻微有益。

**3.3 在草莓保鲜中的应用**
实际包装实验中，CS/DSA-3%NPs组的草莓在8天储存期内外观、硬度和TSS保持最佳，失重率仅12.98%，总活菌数（TVC）第8天为3.86 log CFU/g（低于4.00限值），VOCs变化最小，风味稳定。与对照组相比，草莓保质期延长了6天，效果优于传统PE膜。

### 讨论总结

研究人员在讨论中强调，CSG壳层通过静电和氢键作用稳定zein核心是抑制Ap初期突释的关键；而CS/DSA膜中席夫碱键和氢键的协同网络既增强了力学性能，又通过物理屏障延缓了Ap扩散。土壤降解实验表明，膜降解对土壤微生物群落的影响为中性至轻微有益，这与膜中活性成分的抗菌性可能抑制了某些敏感菌群，但总体上促进了功能菌群丰度有关。值得注意的是，释放实验在37°C和搅拌条件下加速进行，实际储存条件下缓释效果可能更显著。

### 研究结论

本研究中，研究人员利用纳米包封技术成功开发了一种能够长期释放活性成分的活性包装膜。首先，采用反溶剂沉淀法制备了不同质量比的CSG/Zein@Ap NPs。结果表明，当CSG:zein比例为2:1时，可获得光滑均匀的球形颗粒。通过静电相互作用、氢键和疏水相互作用形成了稳定的纳米环境，显著增强了NPs的稳定性。此外，较大的比表面积有效提高了Ap的包封效率。溶血和细胞毒性试验表明，在测试条件下NPs具有良好的初步体外生物相容性。进一步地，以壳聚糖/DSA为基质、CSG/Zein@Ap NPs为功能填料构建了活性包装膜。SEM和FTIR分析表明，席夫碱键和氢键的形成改善了膜微观结构的致密性。与CS相比，CS/DSA-3%NPs的拉伸强度提高了45.15%，水蒸气透过率降低了77.41%。此外，CS/DSA-3%NPs表现出优异的抗菌和抗氧化性能（DPPH：83.82 ± 2.05%；ABTS：94.19 ± 1.98%）。该膜还表现出生物降解性和调节土壤微生物群落的能力。由于CSG/Zein@Ap NPs的缓释作用，草莓的储藏期延长了6天，超过了传统PE的保鲜效果。本研究通过集成长期抗菌释放系统、改进膜性能和环境降解行为分析，推进了生物基活性包装的设计与开发。需要指出的是，目前该膜的生产仅限于实验室规模，这制约了其成本效益和规模化应用。后续研究应聚焦于改进制造工艺以降低生产成本并促进大规模应用。此外，本研究未对DSA合成中可能残留的高碘酸钠和游离醛类物质，以及成膜过程中残留的乙酸和乙醇进行定量检测。因此，食品安全的直接证据仍需补充。未来研究应结合分析方法系统定量膜中残留溶剂和可迁移醛类物质，以全面评估其食品接触安全性。