综述：淀粉基可食用薄膜与涂层在食品包装应用中的研究进展：一篇综述

《Food Materials Research》：Advances in starch-based edible films and coatings for food packaging applications: a review

　　

近年来，食品保鲜与食品品质在全球范围内受到越来越多的关注。添加功能性成分的淀粉基可食用薄膜与涂层在新型（活性与智能）食品包装中的应用引起了广泛的研究兴趣。除已报道的多种生物活性化合物添加的淀粉基包装外，本综述聚焦于淀粉基可食用薄膜与涂层。文中简要讨论了淀粉的提取工艺及其重要特性，进而探讨了淀粉基可食用薄膜与涂层的制备方法与性能，并论述了其在活性与智能食品包装中的应用。

引言

食品工业面临的主要挑战之一是在减少对环境影响的条件下保持食品新鲜度。高度易腐农产品的货架期可通过适当的包装来延长，包装起到保护、沟通、便利和 containment 的作用。近年来，环境问题推动了包装行业的创新，开发合成或石油基包装材料的合适替代品对于防止污染和维持可持续性至关重要。可生物降解包装薄膜和可食用涂层由此发展并引起了全球关注。可食用涂层是涂布在水果、蔬菜等食品表面的一层厚度较薄的透明材料。首个可食用涂层的商业化生产始于1992年，以蜡质形式出现。这些物质可被人体轻松消化，不会引起健康问题，从而预防胃肠道疾病。此外，这些材料可生物降解，不会对生态系统造成危害。可食用涂层能够阻止水分、气体和微生物的进入，这些因素对食品的品质和新鲜度具有关键影响，从而延长食品的货架期。同时，可食用涂层通过防止酶促褐变和脂质氧化等化学反应，有助于维持食品的化学和营养成分。随着对石油衍生合成聚合物担忧的增加，可生物降解包装薄膜近年来也获得了广泛关注，因为石油基塑料无法被自然降解，回收过程繁琐，可能导致有毒物质的堆积并增加温室气体排放。可生物降解包装材料具有高可回收性、可生物降解性和低成本等优势，其来源于生物聚合物，可轻易从食品废弃物和副产品中获得，不仅具有生态效益，还能提升商品价值。在多种用于合成可食用涂层的生物聚合物中，多糖物质因其有益特性和自然丰度被广泛应用，如淀粉、壳聚糖、普鲁兰、阿拉伯胶、卡拉胶等。淀粉基可食用薄膜与涂层因能延长新鲜水果、蔬菜和其它食品的货架期并提升品质而备受关注。亲水性是淀粉的定义特性之一，使其适用于食品包装系统，这源于其优异的持水性、溶胀能力和在水性介质中的完全分散性。随着消费者对 minimally processed 和环境友好型食品需求的增长，可食用薄膜和涂层作为传统合成薄膜和涂层的替代品极具吸引力。淀粉是一种可再生、可生物降解的多糖，来源于马铃薯、木薯、玉米、水稻和小麦等多种植物，具有优异的成膜性能，适用于生产保护性涂层，可减少水分流失、抑制微生物生长并保持被涂层农产品的感官属性。简而言之，淀粉是最具前景的植物基材料，用于生产可生物降解包装薄膜和可食用涂层，因其具有高透明度、良好的阻隔性能和机械强度。但淀粉的老化（retrogradation）在决定其适用于各种加工条件方面起着关键作用。淀粉是由葡萄糖分子通过糖苷键连接而成的复杂多糖，结构上包含两种主要成分：直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）。直链淀粉形成由 α-D-葡萄糖单元通过 α-1,4-糖苷键连接的线性链，由于分子内氢键的形成而采取螺旋结构。相比之下，支链淀粉除了含有 α-1,4 连接外，还含有额外的 α-1,6-糖苷键，表现出分支结构，大约每24?30个葡萄糖单元发生一次分支。淀粉分子在植物细胞内聚集成颗粒，其大小、形状和排列因来源而异。这些颗粒包含直链淀粉和支链淀粉，根据直链淀粉与支链淀粉的比例进行区分。富含直链淀粉的淀粉往往形成紧密的颗粒，在加工过程中的表现可能与富含支链淀粉的淀粉不同，后者具有更大的颗粒和固定的功能特性，如增强的凝胶形成和更稠的质地。由于其多种特性，淀粉在广泛的食品和工业过程中找到应用，充当胶凝剂、增稠剂、稳定剂和能量来源。淀粉中直链淀粉和支链淀粉的浓度和比例显著影响淀粉的特性，包括糊化、粘度、质地和消化率。淀粉基可食用薄膜和涂层的应用具有显著优势，如良好的阻隔性和透明度，但其亲水性是一个局限性。这一缺点可以通过添加交联剂、增塑剂、共聚物、纳米填料以及化学或生物物质来克服，研究发现这可以改性淀粉基可食用薄膜和涂层的特性。可以添加生物活性化合物、天然抗菌剂和抗氧化剂或增塑剂（如甘油）。此外，生物聚合物的组合也能有效解决这些缺点。纳米颗粒（如氧化锌、银纳米颗粒和纳米纤维素）的增强可以抑制病原体生长并改善淀粉基可食用涂层的结构和机械特性。下文将从探讨淀粉的理化性质及其成膜适用性开始，审视淀粉的化学、提取和特性，其在活性和智能包装中的应用，以及淀粉基涂层对新鲜农产品品质和货架期的影响。此外，还将讨论淀粉基可食用涂层领域的新兴趋势、挑战和前景，突出创新性和可持续食品包装解决方案的潜力。总之，本综述强调了淀粉基可食用涂层作为一项有前景的技术，对于增强食品安全、减少食品浪费以及满足消费者和食品行业不断发展的需求具有重要意义。

新颖性声明

作为一种多糖和潜在的可生物降解材料，淀粉近年来成为讨论的焦点。已有大量研究在这一领域开展，由于其优异的溶解性和交联能力，淀粉将继续因其包装特性而成为受关注的材料。本综述对淀粉作为包装材料的适用性进行了全面广泛的研究，同时聚焦于其在材料涂层中的潜在应用。此外，还增加了工业规模化生产的前景及相关研究，这些是其他同类主题研究中极少涉及的。

淀粉的化学

淀粉是一种由葡萄糖分子通过 α-1,4 连接连接在一起的复杂长链多糖。淀粉由所有绿色植物在光合作用过程中作为储备食物供应而合成，储存在叶绿体和马铃薯、木薯、西米、小麦、水稻和玉米等植物的其他储存器官中。淀粉的化学式为 (C₆H₁₀O₅)_n，其中 n 是葡萄糖单元的数量。淀粉的结构由两种聚合物组分组成：直链淀粉（20%?30%）和支链淀粉（70%?80%），它们具有不同的结构、分子量和性质。直链淀粉表现出较低的分子量（1.03?4.89 × 10⁵），而支链淀粉具有较高的分子量（7.08?9.88 × 10⁷）。直链淀粉的特征是 α-D-葡萄糖单元通过 α-(1→4) 糖苷键连接的线性链，形成相对无分支的结构并呈现螺旋构象。这种构型使直链淀粉水溶性较低，更容易发生老化（retrogradation），即在冷却时重结晶。支链淀粉由于存在 α(1→6) 糖苷键的分支点以及线性的 α(1→4) 键而高度分支。这种广泛的分支使支链淀粉更易溶解，并形成更稳定的凝胶，防止老化。直链淀粉和支链淀粉在结构和溶解度上的差异显著影响淀粉的糊化和糊化特性，从而影响其在各种工业应用中的功能性。它们共同定义了淀粉的独特性质，在食品制备和加工中至关重要。直链淀粉和支链淀粉是淀粉颗粒形式的组成部分，根据来源和浓度的不同，它们以不同的形状和大小存在，特别是球形或盘形。淀粉颗粒根据多态性分为A、B和C型，研究发现谷类作物主要含有A型和B型颗粒。颗粒的化学成分分别包含脂质、水分、蛋白质和磷酸化残基。颗粒的外表面由极性脂质组成，其余部分为非极性脂质。淀粉颗粒中存在的主要极性脂质是磷脂，表面含有由直链淀粉和支链淀粉的非还原端形成的孔道。这些孔道与外部相连，有助于在化学改性过程中获取试剂，并为某些分子的进入铺平道路。淀粉的化学结构对多种物理和化学因素敏感。物理因素如高/低pH、高温、高压、渗透压、光、辐射、机械应力和超声波可改变淀粉的结构和特性，而氧化、羟基化、羧化和交联等化学改性可修饰其结构和反应性。这些改变可以改善淀粉的功能，使其适用于各种工业应用，如可生物降解水凝胶和透皮药物递送系统。淀粉的分子量分布和晶体结构可使用凝胶渗透色谱（GPC）和X射线衍射等技术进行分析。淀粉的短程有序结构可使用衰减全反射-傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱研究。淀粉的热性能可使用差示扫描量热法（DSC）测定。

淀粉来源、提取与特性

淀粉是一种丰富的多糖和主要能量来源，易于被人体消化，可从植物来源获得。此外，由于其丰富性和有益特性，淀粉被认为是制备可食用薄膜和涂层的更好选择。如上所述，多种植物被选作商业淀粉提取的来源。传统且广泛种植的谷类作物（如水稻、小麦和玉米）以及块根和根茎作物（如木薯、马铃薯、山药、甘薯和芋头）是重要的淀粉来源。此外，某些水果作物（如青香蕉）已知具有高淀粉含量。农业废弃物如果蔬皮、芒果种子、茎和核等也可用于提取淀粉，从而减少食品浪费和环境破坏。从这些来源获得的淀粉可用于开发环保包装薄膜和可食用涂层，提供可持续和生态友好的生物聚合物。实际上，利用农业废弃物中的淀粉可以为废物管理提供潜在解决方案，并提供广泛的特性。从菠萝茎中提取的淀粉是热塑性和抗性淀粉的良好来源，与商业淀粉相比表现出独特的性质，研究发现其含有高量的支链淀粉（34.4%）。

淀粉的提取

用于从不同来源提取淀粉的方法不同，包括传统方法（如湿法和干法）和新型提取方法（如超声波、微波和脉冲电场方法）。传统方法效率较低且耗时，而新型技术可获得更高的淀粉得率。因此，研究人员正致力于采用非传统方法提取淀粉。

湿法研磨

湿法研磨是常用的从小麦、水稻、玉米等中提取淀粉的技术。该方法结合了多个子阶段，包括清洁、去皮、加工和干燥。淀粉来源（如谷物）在温水中浸泡24?48小时。浸泡前，向水中添加二氧化硫以软化籽粒，并通过与二硫键反应使淀粉易于从蛋白质基质中分离。这一关键步骤称为浸渍（steeping），随后进行机械研磨以破碎籽粒，形成淀粉浆。将所得浆料离心20?30分钟，然后用新鲜水多次洗涤上清液以去除附着的杂质。将获得的澄清上清液进行干燥以去除水分，所得粉末淀粉储存备用。提取过程的主要目标是最大化淀粉得率。研究人员使用不同的替代方法来提高得率。添加酶被发现是提高淀粉得率的重要方法之一。在湿法研磨中，纤维素酶-木聚糖酶和蛋白酶可更好地从玉米中提取淀粉。

干法研磨

淀粉的提取可通过机械过程进行，用水量极少，而湿法研磨需要水。淀粉来源经过干燥、尺寸减小（研磨）、筛分和过筛以分离淀粉。干法研磨的运营成本低于湿法研磨。因此，干法研磨通常用于从玉米、水稻、小麦和高粱等谷物中提取淀粉。过程始于清洁谷物，随后通过添加少量水进行调节。然后，使用机械脱胚磨分离富含淀粉的胚乳，接着进行研磨和筛分。使用辊磨和/或锤磨等机器进行研磨和筛分以获得淀粉。

超声波提取

超声波辅助提取（UAE）是一项已证实的绿色技术，因其高提取效率和较低的时间及成本要求。该技术的原理基于超声波能量产生的空化气泡。这些气泡的破裂导致微射流湍流，产生强烈的局部温度和压力，破坏植物细胞膜，有助于释放淀粉。增加的质量传递速率有助于缩短提取时间。此外，超声波提取需要最少的溶剂，并减少热敏化合物的降解。与常规提取方法相比，超声波提取效率更高，显著缩短提取时间，同时提高淀粉得率。此外，它更节能且环保，因为减少了对高温、大量机械研磨和大量溶剂的需求。使用超声波提取的优点之一是提取的淀粉表现出更高的纯度和先进的功能特性。超声波辅助从西米髓废料中提取淀粉，与对照样品相比，获得了更高得率和更高纯度的淀粉。超声功率、频率、提取时间、温度和溶剂类型是需要优化以获得最大得率和质量的参数。典型程序包括清洁并可能预处理植物材料，将其悬浮在合适的溶剂中，并使用超声波浴或探头对悬浮液施加超声波。超声波处理后，将含有提取淀粉的溶剂与固体残渣分离，纯化淀粉并干燥收集为粉末。超声波提取具有多种优势，包括更高的提取效率、降低的能耗、更短的处理时间以及最小的淀粉热降解。超声波提取的淀粉广泛用于食品工业、制药、生物塑料和生物乙醇生产，突显了其提高各行业淀粉生产可持续性和效率的作用。

微波提取

淀粉的微波提取涉及利用微波辐射加速从各种植物来源提取淀粉的过程。该方法利用微波快速均匀的加热能力，有效破坏细胞结构，促进淀粉进入所选提取溶剂。最初，将样品研磨或切成小块以增加可用于提取的表面积，从而增强溶剂与富含淀粉细胞的接触。溶剂的选择、浓度、功率和时间是提取过程的关键参数，会影响淀粉的物理和功能特性。研究了低强度不同处理时间下从莲子粉中微波提取淀粉。处理时间的增加显著影响了淀粉的功能特性，并增加了淀粉颗粒的结晶度和孔体积。制备的样品浸入微波安全容器中的溶剂中。将功率增加到一定水平以上会降低淀粉质量。微波处理后，提取物冷却至室温，然后过滤以将淀粉与残留的植物物质和溶剂分离，从而纯化提取物。如果需要，可通过冷冻干燥或蒸发获得更浓缩的淀粉形式。根据应用，可能会使用沉淀、离心或色谱等额外的纯化步骤。最终，使用各种分析技术对提取的淀粉进行表征，以评估其纯度、得率和特性，确保最终产品的质量。微波提取与传统方法相比具有许多优势，包括提取时间短、效率高和溶剂用量少。然而，必须精确优化提取参数以获得最佳结果，同时防止淀粉降解。

脉冲电场

使用脉冲电场（PEF）分离淀粉代表了一种前沿方法，其中使用短脉冲的高压电脉冲破坏植物内的细胞结构，促进淀粉颗粒的释放。该方法背后的原理是电穿孔，其诱导细胞膜中形成瞬态孔，从而促进溶剂提取细胞内成分（包括淀粉）。为了准备PEF处理，通常通过研磨或切碎样品以增加其表面积，从而优化电气化过程中的淀粉释放。通过平行板或同轴电极的配置确保电场在样品上的均匀施加。电脉冲的强度和持续时间可以通过改变脉冲幅度和频率等参数来满足特定的提取要求。当施加脉冲时，电势的快速变化破坏细胞膜，导致淀粉颗粒释放到所选溶剂（即水或有机溶剂）中。提取效率取决于多种因素，包括脉冲特性、溶剂类型及其电导率以及来源的性质，需要优化以获得最大得率。提取后，通过过滤或离心将淀粉与残留来源和溶剂分离。随后使用显微镜和光谱等先进技术对提取的淀粉进行表征，以评估纯度、得率和特性。PEF提取具有多种优势，包括处理时间短、溶剂利用少、提取效率高，同时保留了提取淀粉的功能和营养特性。

超临界流体提取

超临界流体提取（SFE）是一种从各种植物来源提取淀粉的新型高效方法。该方法利用超临界流体的独特特性，通常选择二氧化碳（CO₂）因其低毒性和提取后易于去除。在超过临界温度和压力的条件下操作，超临界CO₂表现为多功能溶剂，渗透固体基质以溶解目标化合物（如淀粉）。样品制备是第一步，将淀粉来源研磨或粉碎以扩大其表面积，从而优化提取效率。然后，在温度和压力控制的条件下将CO₂引入提取容器，促进其渗透到基质中并随后溶解淀粉。获得的提取物富含溶解的淀粉，在特殊分离器中经历分离，其中调整条件使超临界CO₂恢复为气态，留下提取的淀粉。SFE的主要优点是选择性、最低温度条件和减少的热降解，确保淀粉质量的保存。此外，CO₂的环保性质以及提取后易于去除，突显了这种提取方法的可持续性。使用SFE从豌豆中提取淀粉影响了其结构和物理特性，并改善了其消化率。

淀粉的特性

淀粉糊化

淀粉糊化是通过热和水分应用破坏淀粉颗粒结构的过程，导致淀粉颗粒溶胀、吸水并最终破裂，失去双折射，形成胶体分散体。这种转变在烹饪和食品加工中至关重要，因为它影响淀粉食物的质地、粘度和消化率。最初，随着淀粉-水混合物温度的升高，水渗透到淀粉颗粒中，导致溶胀。长时间加热破坏颗粒内有序的结晶区域，这一相变称为糊化，此时颗粒崩溃结晶结构并变为无定形。随着颗粒溶胀和破裂，混合物变稠，因为直链淀粉和支链淀粉分子渗入水中，导致粘度增加。当混合物冷却时，糊化淀粉可以形成凝胶状网络，特别是在存在直链淀粉的情况下，通过称为老化（retrogradation）的过程，淀粉分子重新排列形成半固体结构，影响最终产品的质地。影响淀粉糊化的因素包括来源、温度、水分含量以及酸、糖、脂肪和盐等添加剂的存在。不同淀粉在60至80°C（140至176°F）之间糊化，足够的水分对于完全糊化至关重要。不同来源淀粉中直链淀粉和支链淀粉的数量变化影响糊化。加热时搅拌可确保均匀糊化并防止结块，而添加剂可通过与淀粉分子相互作用来改变化学过程。在烹饪应用中，糊化对于增稠酱汁、制作布丁和烘焙至关重要，而在工业食品加工中，它用于生产方便面、早餐谷物和休闲食品。了解淀粉糊化对于控制各种食品产品的质地和稠度至关重要，使其成为家庭烹饪和工业食品生产中的基本概念。不同的方法如Kofler热台显微镜、X射线衍射、差示扫描量热法（DSC）和脉冲核磁共振用于估计淀粉的糊化。其中，DSC是上述目的的可靠且准确的方法。DSC测量糊化转变温度、中点、终点和糊化焓，这对于理解糊化过程至关重要。

老化

淀粉的老化是糊化淀粉分子（在水和热存在下加热和溶胀）在冷却时经历重结合和重结晶的过程。这种现象常见于面包、意大利面、米饭和土豆等煮熟的淀粉食物冷却时。在老化过程中，直链淀粉和支链淀粉分子的重排形成氢键，导致有序结构的形成。该过程取决于温度和时间。这导致半结晶网络的形成，使食物变得更硬并失去部分水分。老化是面包变硬的原因，有时在冷藏的熟米饭或意大利面中观察到粗糙的质地。了解老化现象对食品制造商和烹饪专业人士至关重要，因为它深刻影响淀粉食物在其货架期内的质地和质量。老化需要淀粉分子在加热过程中糊化后，在冷却时重结合和重结晶。这种重结合在温度下降时发生，促使食物基质内形成半结晶网络，捕获水分子并赋予质地变化（如硬度）。直链淀粉和支链淀粉分子（淀粉的主要成分）的重组在这一过程中起着关键作用，直链淀粉分子平行排列形成双螺旋，而支链淀粉分子在这些螺旋之间互连。此外，老化会影响其他品质属性，如风味和货架期，改变食物的感官感知，并导致水分流失，造成干燥或坚韧。为了抵消这些影响，食品科学家使用各种策略，包括添加添加剂、修改加工条件和优化储存条件，旨在抑制或延迟老化，从而维持淀粉食物所需的质地和质量。

溶解度

溶解度是指淀粉分子分散或溶解于水或其它溶剂中的程度。淀粉分子在冷水中不溶，需要部分热处理才能分散。在过量水存在下加热淀粉可以破坏其中的氢键，导致水分子与直链淀粉和支链淀粉的羟基连接。这导致水分吸收和体积增加，称为溶胀。淀粉的来源、时间、温度、颗粒大小和形状等多种因素影响淀粉的溶胀能力。淀粉的溶胀导致其在水性介质中分散，称为溶解度。然而，淀粉的完全溶解是困难的，因为颗粒内部保持不变，包含紧密堆积的直链淀粉和支链淀粉分子。部分溶解的淀粉可在食品工业中用作增稠剂或稳定剂，而不溶性淀粉用于制备可食用涂层。

成膜性能

淀粉是制备可食用薄膜和涂层使用最广泛、最便宜和最丰富的多糖之一。与支链淀粉相比，淀粉表现出良好的成膜性能，可形成坚固且柔韧的薄膜，这归因于其高直链淀粉含量和晶体结构。先前的研究发现，直链淀粉的存在对淀粉的薄膜特性有显著影响，这是由于螺旋结构的形成和聚集。此外，残留水有助于降低玻璃化转变温度，从而改性薄膜的机械性能。然而，淀粉生物聚合物的应用由于其亲水性而存在某些局限性。这些缺点可以通过使用改性淀粉或添加另一种生物聚合物来克服。增塑剂的添加可以进一步改性薄膜的柔韧性。淀粉的化学、物理或酶法改性可以降低糊化温度和分子量，并改善薄膜的透明度。

淀粉基复合薄膜与涂层的开发及性能

从不同材料（从谷物到蔬菜）中提取的淀粉可能是制造可生物降解包装薄膜材料（biodegradable packaging film materials）和可食用涂层的理想来源。可生物降解性、可食用性、低成本和丰富性等多种因素使淀粉成为生产这些材料的极佳材料。除此之外，其他特性（如阻隔性能、机械性能、抗氧化性能和抗菌性能，可通过添加其他化合物增强）也有助于其在应用中的多功能性。

淀粉基薄膜与涂层的开发

淀粉基薄膜可通过不同方法开发，具体取决于材料、技术和时间限制。通过这些不同方法开发的薄膜在制造商确定的性能上有所不同。淀粉基薄膜可使用溶剂浇铸、胶带浇铸、压缩成型、注射成型、挤出处理、电喷涂和干浇铸方法开发。这些薄膜和涂层的制造方法将在以下部分简要讨论。溶剂浇铸是实验室规模设置中最优选的方法，因其简便且成本低。该方法涉及将聚合物溶解在合适的溶剂中，然后蒸发溶剂以剥离薄膜。还使用交联剂和增塑剂等添加剂分别改善薄膜的强度和柔韧性。溶剂蒸发使用干燥器进行，否则溶剂将在室温下根据蒸发温度要求蒸发。蒸发过程使聚合物固化，形成薄膜。另一种方法是干浇铸，其中不使用溶剂进行薄膜的聚合，而是通过压缩和搅拌来引发薄膜的聚合。然后将聚合物粉末送入料斗，通过螺杆进行压缩和搅拌，促进聚合过程。接着添加增塑剂。所得混合物在75–100°C下加热。胶带浇铸是另一种制造包装薄膜的方法，也称为刮刀涂布或 knife coating。胶带浇铸的程序与溶剂浇铸几乎相似。在胶带浇铸方法中，悬浮液以浆料形式制备并保存在配备高度可调刮刀的储液器中。使用测微螺钉调整这些刮刀的高度。将浆料沉积在玻璃或抛光金属表面上，该沉积称为胶带。使用刮刀将浆料均匀混合。沉积浆料的板应耐热，因为根据材料类型，浆料可能被加热。然后在室温下或用风扇干燥。所得薄膜从玻璃表面剥离。胶带浇铸广泛用于生产用于电子、储能、传感器和先进材料的薄膜、胶带或薄片。它特别适用于制造用于电子基板、燃料电池、传感器和膜的陶瓷胶带。溶剂浇铸用于实验室规模的薄膜制备，而胶带浇铸用于柔性薄膜的大规模生产。顾名思义，热压方法涉及温度和压力用于合成包装薄膜。在该方法中，将淀粉与交联剂和增塑剂混合形成固体颗粒。然后将这些颗粒放在板上，然后施加热量。该板配有可压缩材料的辊。在此操作过程中，淀粉组分的组分发生热粘合，导致薄膜形成。上述四种方法是通常用于从淀粉制造薄膜的方法。挤出和成型通常用于工业目的。可食用涂层的形成涉及多种方法，如薄膜形成、浸渍、喷涂、刷涂、流化床涂布、panning、顶部滴落自旋涂布、电喷涂和薄膜涂布。其中，浸渍是最常见的，其次是喷涂。这是因为浸渍简单且成本低，并能与食品实现高接触表面。喷涂主要用于商业目的。如前所述，浸渍是生产可食用涂层的常用方法，将水果和蔬菜浸入涂层溶液中特定时间（通常为30秒至5分钟）。然后排掉多余的溶液用于进一步加工。浸涂具有几个优点：完全覆盖、高效率、潜在自动化、生态友好、成本效益、增强耐久性和耐腐蚀性等。它也有一些缺点，如涂层材料堆积的可能性、需要仔细监控浸渍时间和温度等。涂布技术长期以来一直用于食品工业的各种应用，如面糊、糖果制备等。该技术可成功用于包装材料应用。在该方法中，优化涂层溶液并在进料到储液器之前准备喷涂。溶液应能够分散成细小液滴，以防止不均匀和不完美的涂层。当食品物料通过输送机时，溶液被喷涂到食品上。该方法还具有几个优点，如可能自动化、易于监控、均匀涂层和可能的多层涂层。主要缺点是它适用于工业目的，因为它可能需要复杂的喷涂设备。电喷涂是另一种生产可食用涂层的新型方法，它依赖于电场进行涂层。首先，将食品成分溶解在溶液中。然后，使用带高压的针头将溶液泵送通过，作为雾化器。因此，当溶液离开针尖时，高压产生电场，导致溶液雾化。带电溶液在进一步变薄时破碎成微小液滴。当这些带电液滴穿过空气朝向接地收集器时，可以通过调节气流来控制它们在食品上的沉积模式。这些溶液的大小和特性可以通过调节电压和溶液特性来成功调整。这允许多种应用，例如保护或靶向递送封装在超薄薄膜中的食品成分，用于保鲜控制释放，甚至复杂的食品设计。

淀粉基薄膜与涂层的性能

作为食品包装材料，所有生物聚合物必须满足某些使其适合食品包装应用的标准。这些标准也可能取决于预期应用和食品加工。用于包装应用的淀粉可从不同来源获得，如马铃薯、玉米、小麦、小米等，所有这些淀粉的性能可能略有不同。即使它们应用于可食用涂层配方中，涂层的性能也可能彼此不同，主要取决于其来源和应用食品。包装薄膜关注的特性包括机械性能、阻隔性能、生物降解性、紫外线阻隔性能等，而对于可食用涂层，主要关注点是阻隔性能和薄膜的相容性。研究人员研究了不同植物来源淀粉对包装薄膜性能的影响。在该研究中，使用化学方法从玉米（MS）、燕麦（OS）、水稻（RS）、马铃薯（PS）和木薯（TS）等来源提取淀粉。提取的淀粉通过溶剂浇铸制备包装薄膜，其中淀粉分散在水中并加入增塑剂（甘油）形成溶液。然后将该溶液浇铸在特氟龙板或金属表面上，干燥适当时间。干燥后，剥离薄膜并分析不同性能。在浇铸淀粉之前，应根据需要对溶液进行糊化，因为淀粉的糊化对于实现包装薄膜所需的性能（包括机械性能、表面性能、外观、水蒸气透过率（WVTR）和水分含量）至关重要。在外观方面，燕麦淀粉和水稻淀粉制成的薄膜呈现微黄色，而玉米、木薯和马铃薯制成的薄膜表现出优异的透明度。在拉伸强度（TS）方面，马铃薯淀粉显示出最高值（约3 MPa），而燕麦淀粉表现出最低强度（0.38 MPa）。木薯薄膜表现出最高的EAB值（137% ± 5%），而燕麦薄膜具有最低值（27% ± 5%）。在水分含量方面，马铃薯薄膜具有最低的水分含量（9.74% ± 2.22%），并显示出低柔韧性和薄膜破裂的迹象。玉米薄膜具有最高的水分含量，为22.26% ± 2.33%。对于WVTR，不同形式的淀粉没有统计学差异。燕麦淀粉显示出较高的水接触角（66.91°），而玉米淀粉显示出最低的水接触角（23.18°）。不仅淀粉的来源，而且加工过程中经历的改性也在决定淀粉性能方面起着关键作用。研究人员还分析了淀粉随来源变化及其经历的改性类型的性能。基于这一点，本研究中分析的淀粉包括蜡质玉米、木薯、甘薯、马铃薯、小麦、玉米淀粉、酯化、交联和氧化木薯淀粉（CS）。在该研究中，所有淀粉均从不同的来源商业采购，所有薄膜均通过溶剂浇铸法制备，甘油作为增塑剂。分析了薄膜的厚度、机械性能、透明度、直链淀粉含量和阻隔性能等性能。在直链淀粉含量方面，玉米淀粉具有最高值，而蜡质玉米表现出最低值。平均粒径马铃薯淀粉最高，蜡质玉米淀粉最低。在透明度方面，马铃薯淀粉薄膜是最透明的。在改性淀粉中，交联淀粉表现出比所有其他改性淀粉更好的透明度。由PS制成的薄膜在天然淀粉中表现出最佳的机械性能，TS、杨氏模量（YM）和EAB分别为2.83 MPa、7.65 MPa和51.66%。由于增塑剂可能是决定薄膜性能的关键因素，薄膜制备中使用的增塑剂类型也在决定薄膜强度和性能方面起着关键作用。研究人员研究了不同增塑剂对绿豆淀粉（MBS）和CS制备的淀粉薄膜性能和行为的影响。他们使用两种主要增塑剂（甘油和山梨糖醇）来研究它们对聚合物性能的即将发生的影响。分析了薄膜的各种性能，如机械性能、热性能和形态性能。这些薄膜通过溶剂浇铸制备。测定了机械性能，如TS、EAB和YS。通过DSC测定热性能，并测定了淀粉薄膜的分子量。在使用山梨糖醇作为增塑剂的薄膜中，尽管水分含量低于甘油，但其厚度更大。发现MBS薄膜的TS约为45 MPa，而CS薄膜约为15 MPa。TS的这种差异是由于MBS中较高的直链淀粉含量。山梨糖醇薄膜的TS也比甘油薄膜高约4倍。动态机械分析仪（DMA）表明增塑薄膜中存在无定形区域。DSC测定了两个玻璃化转变温度：第一个玻璃化转变温度（T_g1）对应于富含增塑剂的相，而第二个（T_g2）对应于富含淀粉的相。甘油薄膜的T_g1为?58.5°C，而山梨糖醇的约为?17°C。甘油薄膜的T_g2范围为?0.40至?13.6°C，而山梨糖醇薄膜约为?15°C。淀粉的pH条件也会显著影响薄膜的性能，因为pH条件会影响淀粉薄膜的糊化、粘度、透明度、机械强度、水蒸气渗透性和生物降解性。淀粉薄膜的特性可以通过在薄膜形成时改变pH水平来针对特定目的进行改性。研究人员进行了一项研究，以检查pH对淀粉薄膜理化性能的影响。使用玉米淀粉通过溶剂浇铸制备薄膜。在该研究中，分析了不同pH（3、5、7、9和11）下薄膜的变化特性，包括热性能、机械性能和表面特性。薄膜的强度从pH 3到5增加，而在极端酸性条件（pH 3）和极端碱性条件（pH 9?11）下显示较低值。在碱性pH下观察到较高的断裂伸长率，而较低pH限制了薄膜的延伸性。水吸附在pH 3时较低，并随着pH的增加逐渐增加。这种趋势持续到pH达到9。然后随着pH增加而逐渐降低。淀粉溶液的粘度从300 cP降至150 cP，降低了近50%，pH从3增加到11。还测量了水接触角以确定薄膜的疏水性。通常，具有较大接触角的薄膜被认为是疏水性的，而具有较低接触角的薄膜被认为是亲水性的。大于65°的接触角被视为疏水性。用pH 3和11溶液制备的淀粉薄膜比用pH 7制备的薄膜具有更大的接触角，表明薄膜的亲水性随pH变化，正如溶胀和水分吸收研究所观察到的。通过DSC测量薄膜的热性能。用pH 11溶液制备的淀粉薄膜在约110°C处表现出峰值温度，而未处理粉末的峰值温度约为90°C。淀粉熔融行为的原因在于其中直链淀粉和支链淀粉的比例，以及分子量和水分含量。与天然淀粉相比，pH 11下的淀粉表现出显著更高的峰值温度，从而带来更高的稳定性。从上述研究可以明显看出，淀粉的性能会受到包装薄膜中现有条件以及其中使用的不同添加剂的影响。此外，包装薄膜的性能也可以通过添加功能化合物（如精油、天然色素、抗菌物质等）来增强。这些化合物不仅可以将这些物质转化为活性/智能包装剂，还可以影响薄膜的性能。研究人员研究了牛至精油（OEO）对玉米淀粉薄膜的抗菌活性以及形态、光学、机械和阻隔性能的影响。测量的性能包括薄膜的水分含量、溶解度、厚度、机械性能和透湿性（WVP）。将OEO以不同浓度（0.3、0.5和0.7 μL g^?1）添加到成膜溶液（FFS）中，并通过溶剂浇铸制备薄膜。添加OEO后，薄膜的不透明度从对照薄膜的10.86%增加到0.7 μL g^?1浓度薄膜的16.82%。对照薄膜的厚度较低（0.084 mm），并且随着OEO浓度的增加而增加。另一方面，薄膜的TS随着OEO浓度的增加而降低。对照薄膜表现出较高的TS（5.11 MPa），而0.7 μL g^?1 OEO浓度薄膜的TS最低（2.4 MPa）。根据该研究的EAB，对照薄膜显示EAB为64%，而0.3 μL g^?1浓度薄膜显示EAB为9%。随着OEO浓度的增加，EAB逐渐增加，因为0.7 μL g^?1浓度的薄膜显示约15%的EAB。薄膜的WVP也随着油含量的增加而增加，油含量较高的薄膜与对照薄膜相比显示出近75%的增加。薄膜的水分含量和溶解度也随着OEO浓度的增加而增加。溶解度和水分含量在对照薄膜和高油含量薄膜之间显示出最大3%的差异。

淀粉基薄膜与可食用涂层在食品包装中的应用

近年来，由于淀粉的生物降解性、可再生性、无毒性和低成本，其在食品包装中的应用和开发受到了极大关注。在包装领域，淀粉凭借其优异的环保属性，正作为一种可持续的解决方案成功应对日益严重的塑料废物危机。通过将淀粉纳入包装薄膜配方中，世界各地的研究人员成功开发了可生物降解和可堆肥的包装薄膜。这些淀粉基薄膜表现出优异的阻隔性能、机械性能和光学性能，以及与不同食品产品的相容性，使其成为石油衍生塑料薄膜的绝佳替代品，同时提供产品保护和可持续性。淀粉薄膜在智能和活性包装中都有极好的应用。淀粉也广泛用于生产可食用涂层溶液，负责提高食品的质量和安全性，最终延长其货架期。由淀粉和其他天然化合物组成的可食用涂层可以作为易腐食品的保护屏障，防止微生物和氧化劣变等不同污染剂。这种食品保鲜和包装的新方法不仅延长了货架期，还最小化了食品中合成防腐剂的使用。这也增加了食品的视觉吸引力，最终带来客户满意度。尽管淀粉表现出许多可与包装和可食用涂层应用结合使用的特性，但由于其亲水性等因素，它也存在许多缺点。淀粉由于其结构中大量的羟基而具有高亲水性，这也可能导致高WVP以及外部水分吸收。这有时会导致低水分产品的重量减轻，以及高水分食品中的水分吸收，分别导致产品皱缩和湿软。通过各种物质的添加对淀粉进行改性可能无法从根本上克服这一限制，这可能将淀粉的适用性限制于低水分产品。此外，淀粉具有固有的弱机械性能，这限制了其在不添加填料进行改性情况下的应用。如果使用天然淀粉薄膜而不事先小心处理，这些缺点可能很严重。冷却时的老化也增加了天然淀粉在活性和智能包装应用中的结构缺陷。可食用涂层应用也面临结构挑战，因为淀粉的结构可能因提取过程中采用的加工条件而变化。这可能导致在应用淀粉溶液作为可食用涂层时出现各种变形和不均匀。如前所述，要将淀粉转化为FFS，必须首先将其糊化，包括加热。这在大规模应用时可能导致能源消耗的重大变化，与淀粉的其他多糖对应物（如卡拉胶、果胶等）相比。这些物质与水混溶，而淀粉需要温度辅助才能在水中适当分散。除此之外，强制性的结构改性也增加了制造具有理想性能的淀粉生物降解薄膜的成本。一些关于淀粉基薄膜和涂层在包装研究中应用的实时研究如下。如上所述，淀粉用于活性和智能包装应用。

活性包装应用

根据欧洲法规（EC）No. 450/2009，活性包装是有意添加物质，与食品相互作用并从包装材料中释放或吸收化合物。活性包装技术源于这样的理念：包装不仅应提供传统的被动保护目的，还应主动改善食品材料的性能，如延长货架期和附加功能特性。活性包装使包装目的更加自然和可回收。因此，使用天然存在的物质（如淀粉）可以在不影响生态限制的情况下提高包装材料的性能。它们还可以扩大 minimally processed 食品的范围，并大幅减少合成防腐剂的使用。淀粉可作为制造可生物降解包装薄膜的极佳聚合物基质。这些特性使淀粉成为合成包装材料的极佳生物聚合物来源。它也以可食用涂层的形式找到广泛的应用，也可用作活性包装来源。研究人员将氧化锌纳米颗粒和茴香精油掺入以马铃薯淀粉为基质的包装薄膜中。包装薄膜通过溶剂浇铸法制备，使用不同浓度的茴香精油（1%、2%和3% w/v）和不同浓度的ZnO纳米颗粒（1%、3%和5%）。使用开心果香料评估这些薄膜延长产品货架期的适用性。评估了开心果的感官特性、理化特性、功能特性和货架期。在感官和抗真菌测试中，对照开心果表现出较差的质量，而淀粉包装的开心果表现出优异的质量。在通过琼脂扩散法进行的抗真菌研究中，对照样品显示出最高的真菌生长（3.31 log cfu/g），而负载3%精油和5% ZnO纳米颗粒的淀粉薄膜显示出最低计数（1.67 log cfu/g，真菌负荷降低近50%）。同样在感官测试中，对照开心果得分最低，而负载3%精油和5% ZnO纳米颗粒的淀粉薄膜得分较高。由于真菌生长与黄曲霉毒素产生成正比，对照开心果显示出最高的黄曲霉毒素含量，而负载3%精油和5% ZnO纳米颗粒的薄膜显示出最低的黄曲霉毒素含量。研究人员探索了溶剂浇铸技术，以合成使用羟乙基纤维素与小麦淀粉混合并结合百里香精油的包装薄膜。分析了薄膜的机械、形态、热和功能特性等不同性能。精油对淀粉薄膜的增强成功提升了TS和热降解温度。开发活性包装主要是为了延长食品的货架期，这可以通过赋予薄膜抗菌性能来实现。百里香精油包含百里香酚等化合物，对特定微生物表现出强烈的抑制作用。将薄膜浸渍0.5%、1%、1.5%、2%和2.5% w/v的百里香精油。测试了改性薄膜对革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌株枯草芽孢杆菌的抗菌活性。还监测了薄膜对真菌黑曲霉的抗真菌活性。通过测量抑制区直径来量化该活性。正如预期的那样，抗菌活性随着油浓度的增加而增加。结果，负载2.5%百里香油的薄膜对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌显示出最大的抑制直径（分别为43.7和48.7 mm）。对于真菌，负载1.5%油的薄膜显示出最大的抑制区直径（10 mm）。研究人员检查了由聚乙烯醇-氧化玉米淀粉（PVA/OMS）结合胡椒叶提取物（BLE）的基质组合制造的包装薄膜的不同性能。通过溶剂浇铸制备薄膜。通过各种表征技术有效研究了BLE对PVA/OMS共混物的结构、热、机械、形态、光学、抗菌和抗氧化性能的影响。共混物组分之间的氢键相互作用改善了机械特性、热稳定性、相容性、光滑的表面形态和紫外线阻挡能力。此外，所生产的薄膜表现出亲水性、水溶性和生物降解性。添加BLE后，共混薄膜的氧气渗透性和WVTR增加。还分别使用DPPH方法和琼脂孔扩散法分析了薄膜的抗氧化和抗菌等功能特性。结果表明，添加BLE可显著增加薄膜的抗菌活性，特别是随着BLE浓度的增加。对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）的抗菌活性高于革兰氏阴性菌。薄膜的抗氧化活性也随着BLE含量的增加而增加。随着BLE浓度的增加，抗氧化活性也显示出5%的增加，其中2% BLE显示18%的活性，而4%显示36%的活性。研究人员配制了以淀粉为基材的可食用涂层。该可食用涂层用于在不同温度条件下延长Cripps粉红苹果的货架期。可食用涂层溶液通过混合大米淀粉、甘油、脂肪酸酯和蔗糖形成涂层溶液，然后将其喷洒在苹果上。分析涂层苹果的各种参数，如可滴定酸度、总可溶性固形物（TSS）、重量损失和感官特性。涂层水果的重量损失受温度严重影响。涂层水果在5°C储存温度下表现出更好的重量保持（约5周内重量损失1%），而在20°C下带涂层的苹果（约一周内重量损失2%）。涂层水果的硬度高于对照水果，这归因于涂层水果受控的水分损失。硬度显示出2 N/m的差异，并且也取决于温度条件。总酚含量（TPC）在涂层和对照水果之间没有显著变化，因为它与果实的固有含量紧密相关。无论温度条件如何，涂层水果的抗氧化活性也高于对照水果。研究人员利用通过化学方法提取的芒果核淀粉，然后与柠檬草精油结合生产活性可食用涂层。该涂层延长了番石榴的货架期，并有助于监测番石榴中发生的各种化学、物理和感官变化。将不同浓度的精油（0.25%、0.5%和1%）添加到2%芒果核淀粉溶液中。通过浸渍法将涂层施加到番石榴上。调查了涂层样品和对照样品的特性，如酸度、TSS、硬度、TPC和抗真菌活性。在酵母和霉菌计数方面，对照样品在第6天储存时显示出较高的酵母负荷（约7.62 CFU/g），而用1%精油和0.5%涂层的样品在第6天甚至没有显示出酵母和霉菌计数。在视觉外观和可接受性方面，未涂层的对照番石榴在第6天不可接受并变成黑色，而用0.5%精油和2%淀粉涂层的番石榴在第9天甚至仍可接受。该研究还扩展了淀粉可能是配制水果可食用涂层的理想材料的可能性。

智能包装应用

简而言之，智能包装意味着执行智能功能的包装。智能包装使包装材料能够监控并与最终消费者沟通其内部食品的状况。该系统不仅使最终消费者受益，也使质量保证、供应链和制造人员受益。根据定义，智能包装在技术上可以定义为感知、沟通和监控包装食品状况的包装系统，以提供有关食品质量、安全性和产品在运输和储存期间历史的信息。智能包装背后的新颖性在于其能够向消费者传达包装内食品的当前状况、包装的历史和食品的货架期。最终，这种类型的包装可以成功揭示包装顶部空间内的状况。可从木薯、马铃薯、玉米等不同来源提取的不同淀粉可用于配制含有天然颜色指示剂的FFS，以指示食品的新鲜度。这些指示可以是颜色变化、某些染料相对位置等形式。淀粉可能是掺入以检测食品基质中发生的基于颜色变化的理想材料。这归因于其透明性以及其在水中的溶解度。此外，它是无味无嗅的，促进了其在可食用涂层中的应用。关于淀粉作为基质用于制造智能包装薄膜的研究通常涉及将天然来源提取的比色指示剂掺入淀粉基质中，通过不同方法（特别是溶剂浇铸）实现。然而，这些指示剂的掺入可能会降低薄膜的机械和阻隔性能，从而影响所开发薄膜的结构完整性。这可以通过添加纳米填料、精油等材料来克服。这些不仅改善了上述性能，还赋予了抗菌和抗氧化能力等功能。一些例子是纤维素纳米晶体、百里香精油、细菌纳米纤维素、壳聚糖纳米颗粒等。研究人员开发了一种以琼脂/马铃薯淀粉为基材的智能包装系统。薄膜的颜色指示能力是通过添加从紫甘薯提取的天然染料实现的。紫甘薯提取物包含花青素，这是一种极好的指示剂，可根据包装内的pH条件自行改变颜色。通过使用包装薄膜包装猪肉来验证该包装在智能包装应用中的适用性。猪肉在腐败时经历蛋白水解，在肉内释放含氮化合物。含氮化合物的累积会增加包装的pH值，这可以通过天然指示剂的颜色变化来反映。这可以作为肉类腐败的直接指标。在该研究中，从紫甘薯提取的花青素充当天然指示剂，在暴露于升高的pH条件时改变颜色。包装薄膜通过溶剂浇铸法制备，其中淀粉和琼脂共混形成FFS，并将不同量的花青素提取物添加到FFS中。最初，当猪肉的pH正常（5.2）时，指示剂显示其天然红色。随着储存超过20小时后pH升至6.1以上，指示剂的红色变为粉红色。随着储存持续48小时，猪肉的pH也升至7.2，使猪肉呈碱性。pH的这种变化反映在指示剂的颜色上，从粉红色变为绿色，清楚地表明猪肉的腐败。研究人员通过将富含花青素的杨梅提取物掺入用CS制成的薄膜中，开发了智能包装薄膜。将不同浓度的杨梅提取物（1%、2%、3%和4%）添加到CS的FFS中并浇铸形成薄膜。然后使用这种薄膜监测猪肉的新鲜度。如前所述，猪肉在腐败过程中经历剧烈的pH变化，由于蛋白质的分解。这种蛋白质的分解可能导致含氮化合物的堆积，使猪肉呈碱性。总挥发性盐基氮值（TVB-N）在24小时内从初始水平8 mg/100 g增加到17 mg/100 g，根据中国标准这是不可接受的。这在视觉上通过薄膜颜色从紫色变为粉红色来指示。当TVB-N值达到34 mg/100 g时，这是猪肉严重腐败的指标，指示剂的颜色从粉红色变为棕色。研究人员用从干燥洛神花萼中提取的花青素合成了一种玉米淀粉智能包装薄膜。该薄膜在不同pH条件下发生颜色变化，即在酸性条件（pH 2?6）下，薄膜呈现亮红色；对于pH 7?11，薄膜呈现蓝灰色，而在11以上，呈现黄绿色。因此，使用溶剂浇铸法制备的薄膜可能是肉类腐败监测系统的潜在应用。所有这些实验证据表明，淀粉可能是开发智能包装系统的有力工具，特别是由于其高相容性和生物降解性。