《Frontiers in Soft Matter》：Fruit byproducts as multifunctional biopolymer matrices for active and sustainable food packaging
合成石油基塑料在食品包装中的广泛使用已造成严重的环境污染，而农业食品工业每年同时产生数百万吨未被充分利用的水果副产品。因此，向循环生物经济（circular bioeconomy）的转变推动了这些农业工业水果副产品的增值化，使其转化为用于活性食品包装（active food packaging）的可持续、可生物降解软材料。本综述批判性地研究了将水果残渣转化为生物聚合物包装基质（biopolymeric packaging matrices）的三种主要策略：（1）提取和纯化结构大分子，如纤维素（cellulose）、淀粉（starch）和果胶（pectin）；（2）利用水果副产品作为细菌纤维素（bacterial cellulose, BC）生物合成的成本效益底物；（3）利用整个水果生物质的最小加工方法（minimal-processing approaches）。与现有主要汇编孤立描述性研究的文献不同，本综述独特的批判性贡献在于引入了一个系统性框架，该框架评估了材料性能（material performance）、加工复杂性（processing complexity）和整体可持续性（overall sustainability）之间的固有权衡。虽然纯化的大分子和细菌纤维素（BC）提供了优越的物理性能，但最小加工方法最大化了生态效率（eco-efficiency）并内在保留了用于活性包装（active packaging）的生物活性化合物。最后，讨论了当前挑战，如水分敏感性（moisture sensitivity）和生物质异质性（biomass heterogeneity），并强调了开发零废物（zero-waste）、可规模化且完全循环的食品包装系统的未来前景。
本文以叙事性综述的形式，系统梳理了将水果副产品转化为生物聚合物包装基质的研究进展。论文主体部分围绕三种主要策略展开，并深入探讨了各策略的权衡、可持续性及工业可行性。
**1 引言（Introduction）**
该部分阐述了合成塑料在食品包装中广泛使用导致的环境污染问题，以及向生物可降解和可再生替代品转型的必要性。文中指出，多聚糖（polysaccharides）如纤维素（cellulose）、淀粉（starch）、壳聚糖（chitosan）和果胶（pectin）因其优异的成膜能力成为生物塑料的主要发展方向，但纯生物聚合物存在高水分敏感性和较低机械强度的局限性。为克服这些限制，研究集中于构建生物纳米复合物（bio-nanocomposites），通过混合不同生物聚合物类别或添加功能性纳米级添加剂和生物活性植物提取物。同时，水果和蔬菜采后损失（高达55%）的减少需求推动了可食用涂层和薄膜的研究。然而，传统提取、纯化和改性过程成本高、能耗大且使用有毒溶剂，因此研究焦点转向农业工业副产品的直接增值化。水果副产品（fruit byproducts）富含结构生物聚合物（如纤维素、半纤维素、果胶、淀粉）和生物活性化合物（如多酚、类胡萝卜素、精油），使其成为开发兼具机械完整性和活性功能的多功能包装原料。本文对相关术语进行了明确区分，并界定了可生物降解包装（biodegradable packaging）、可堆肥包装（compostable packaging）、可食用薄膜/涂层（edible films/coatings）、活性包装（active packaging）和智能包装（intelligent packaging）等概念。文献检索策略涵盖Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar，关键词包括“fruit byproducts”、“active food packaging”、“bacterial cellulose”和“biopolymer matrices”，筛选2010至2025年间发表的同行评审论文。现有文献的碎片化促使本文提出一个批判性评估框架，对比三种不同加工策略：（1）结构大分子的提取和纯化；（2）水果副产品作为细菌纤维素（BC）合成底物；（3）基于整个水果副产品直接利用的最小加工方法。
**2 策略1：结构大分子的提取和纯化（Strategy 1: extraction and purification of structural macromolecules）**
该策略通过靶向解构植物细胞壁基质，从水果副产品中分离出结构生物聚合物（如纤维素、淀粉、果胶），从而获得可工程化加工成具有定制热机械性能的先进活性纳米复合物。然而，提取方案强烈影响最终材料的物理和功能特性，且该方法的局限性在于大量使用化学溶剂和高能耗，这降低了环境可持续性并可能改变聚合物的天然相互作用机制，需重新引入增塑剂或增强剂。
**2.1 纤维素和纳米纤维素衍生物（Cellulose and nanocellulose derivatives）**
从农业生物质中提取纤维素通常涉及化学处理，包括碱处理去除半纤维素、漂白去除木质素，以及酸水解获得高结晶度的纤维素纳米晶体（CNCs）或纤维素纳米纤丝（CNFs）。这些传统方法使用高浓度危险化学品（如NaOH、NaClO、H
2SO
4），产生大量酸性/碱性有毒废水，且需大量水洗涤和长时间加热干燥，能耗巨大。优化漂白条件可保持纤维完整性。从不同水果副产品（如菠萝皮、葡萄渣、香蕉皮、核桃壳、苹果渣）中提取的纤维素已被成功用于增强各种薄膜体系，如增强结冷胶、淀粉、果胶等基质，提高机械性能和水阻隔性。例如，从香蕉皮中通过酶解获得的CNFs可改善淀粉基纳米复合物的机械性能和水分阻隔性；从菠萝皮中提取的纳米纤维素与西瓜皮果胶结合，提高了耐水性和水蒸气阻隔性，并有效保鲜鲜切花椰菜；香蕉假茎提取的纤维素经醚化改性为羧甲基纤维素（CMC），可作为可食用涂层延缓草莓在冷藏期间的衰老。
**2.2 淀粉（Starch）**
从腰果壳、芒果核和 ciriguela 果等非常规水果来源中分离出的淀粉显示出良好的成膜潜力。芒果核淀粉具有较高直链淀粉含量，促进了分子间氢键形成，使薄膜具有更好的结构完整性。从香蕉皮中提取的淀粉具有中等直链淀粉含量和高比例支链淀粉（约88.5%），有助于形成柔韧且内聚的薄膜，与同源纳米纤维素结合并交联柠檬酸后，可制备具有高紫外线阻挡能力（高达98%）的生物活性热塑性薄膜。腰果壳淀粉与核桃壳纤维素结合可获得高热稳定性材料。芒果核淀粉、脂肪和酚类提取物经重组后可形成完全生物基薄膜，其中脂肪和酚类物质作为内部增塑剂和功能添加剂，增强疏水性并提供抗氧化和紫外吸收性能。未成熟青香蕉也可作为淀粉来源，与壳聚糖结合后可配制成活性可食用涂层，减少新鲜水果失重、保持硬度并延缓采后衰老。
**2.3 果胶（Pectin）**
果胶通常从石榴皮、香蕉皮和火龙果皮等水果副产品中回收。传统热酸提取法（AE）虽可规模化但能耗高、产生腐蚀性废水。亚临界水提取法（SCWE）仅使用水，产量更高（如红火龙果皮产量比AE提高18.8%），但需高压反应器，初始投资高；SCWE产生较低分子量果胶，增加毛发区（RG-I）比例，降低粘度，从而增强薄膜的水分阻隔性。超声辅助提取法（UAE）在温和非热条件下进行，产量高且时间短，可保留果胶高分子量和热敏性侧链，并共提取内源性酚类化合物，与果胶网络通过氢键交联，所得薄膜柔韧性显著提高（断裂伸长率增加超过300%）、强紫外线阻挡能力和pH响应行为。此外，果胶基薄膜可通过添加增强剂（如蒙脱石纳米粘土MMT、银沸石纳米颗粒）进一步改善性能，提高拉伸强度和抗菌活性。
**2.4 提取大分子的比较综合与可持续性权衡（Comparative synthesis and sustainability trade-offs of extracted macromolecules）**
比较分析显示，纤维素纳米结构因其高结晶性提供优异的机械增强和水分阻隔改善；而淀粉和果胶具有良好的成膜能力并可内在携带活性化合物，但本质上具有高水分敏感性和较低机械强度，需增塑剂、交联剂或共混。然而，性能优势需与严重的加工约束和可持续性标准权衡：纳米纤维素提取能耗和化学品强度最高，产生大量有毒废水；传统热酸提取果胶也存在环境问题，但新兴绿色技术（SCWE、UAE）可缓解影响，但会引入分子量和酯化度变异。因此，建立策略1的工业规模化需仔细平衡提取强度以管理生物质异质性并确保环境可持续性。
**3 策略2：水果副产品作为细菌纤维素生物合成的底物（Strategy 2: Fruit byproducts as substrates for bacterial cellulose biosynthesis）**
细菌纤维素（BC）由Komagataeibacter属细菌产生，具有高化学纯度、高结晶度、优异机械强度和独特三维纳米纤丝网络，适用于高性能生物降解薄膜。但大规模生产面临经济挑战，常规培养基成本占总成本的30%–65%。水果加工副产品富含可发酵糖和必需营养素，可作为BC生产的可持续替代底物，降低生产成本并符合循环生物经济原则。BC可有效增强其他生物聚合物基质（如腰果胶、果胶）的拉伸强度和弹性模量。
**3.1 特定水果废料培养基的性能（Performance of specific fruit waste media）**
不同水果废料提供独特的可发酵糖、结构纤维和有机酸谱，调节BC合成过程。腐烂香蕉提取物富含葡萄糖（高达36.9 g/L）和木质素、果胶等聚合物，诱导渗透压使Komagataeibacter medellinensis获得高产量（4.81 g/L），形成的BC薄膜具有卓越机械性能（拉伸强度280.6 MPa，杨氏模量9.4 GPa）。菠萝芯废料可直接用作碳源，BC产量和纤丝直径与标准合成培养基相当。苹果渣与茶提取物组合作为碳源和氮源，BC产量超过商业HS培养基，且结晶度高（约88%），机械性能优异。柑橘皮水解液（柠檬、柑橘、橙、葡萄柚）中，柑橘皮水解液因柠檬酸高和酚类含量低而获得最高BC产量；橙和葡萄柚培养基产生最高结晶度BC；柠檬皮BC具有最高持水能力和热稳定性。白葡萄渣提取物富含糖分，可替代碳源使BC产量提高五倍，薄膜柔韧性增加72%；红葡萄渣因糖分被酵母消耗而产量极低且薄膜脆性。腰果苹果汁残渣用于合成超高吸水性BC，持水能力高达干重的14,664%，具有多孔和柔韧的纤丝结构。
**3.2 内源性化合物（酚类、单宁、维生素）的双重作用（The dual role of endogenous compounds）**
水果副产品中的内源性生物活性化合物显著影响发酵效率。高浓度酚类和单宁（通常超过0.6%–0.8%）具有强抗菌性，抑制醋酸菌生长并降低BC产量，因此对于高涩性底物需进行脱毒预处理（如添加5%明胶沉淀单宁），但这增加了成本和复杂性，并可能影响最终产品的纯植物性。相反，维生素C和有机酸（如柠檬酸）可保护细菌细胞活力、抑制葡萄糖酸形成、促进BC产量；内源性聚合物（如可溶性木质素和果胶）可诱导有益渗透压，提高BC产量并增强生物塑料的抗氧化性。
**3.3 通过底物选择定制包装性能（Tailoring packaging properties via substrate selection）**
底物选择直接调控BC薄膜的宏观性能：高葡萄糖底物（如腐烂香蕉果肉、优化苹果废料）产生具有致密纳米纤丝结构的BC，适用于高强度包装应用（如可生物降解纸板）；白葡萄渣或腰果苹果汁等底物产生更松散、开放的三维纤丝网络，具有增强的柔韧性和超高持水能力，适用于承载液体抗菌/抗氧化提取物的活性包装基质。
**3.4 发酵动力学、限制与底物可比性（Fermentation dynamics, limitations, and substrate comparability）**
发酵条件（如菌株、培养时间、pH、温度、氧气）同样决定性影响BC产量和结构。菌株依赖性显著，在相同条件下不同菌株产生不同网络结构。维持酸性pH（如pH 4.4）对调节葡萄糖酸产生至关重要。使用稳定微生物联合体（如康普茶）可替代纯菌株，允许非无菌条件，但可能降低产量。糖和纤维丰富的底物（如香蕉果肉、菠萝芯）最适用于结构应用，产量高且机械性能强；果胶和酸丰富的底物（如柑橘、腰果苹果）产生多孔基质，但工业规模化常受限于抗微生物单宁，需额外预处理；酿酒葡萄渣（尤其是红葡萄渣）作为唯一营养源最不具工业可行性。
**3.5 下游加工：真正的可持续性瓶颈（Downstream processing: the true sustainability bottleneck）**
BC生产的下游加工要求显著影响其可持续性：需对果源性培养基进行能量密集型灭菌；收获的BC膜需在碱液中煮沸纯化以去除细菌细胞和残留培养基，产生高碱性废水；中和需大量水，增加水足迹；干燥水凝胶（含水量超过98%）需大量能量。因此，未来研究必须优化非热灭菌技术、开发可回收纯化溶剂和实施更生态高效的脱水技术。
**4 策略3：基于整个水果副产品的最小加工方法（Strategy 3: minimal-processing approaches based on whole fruit byproducts）**
该策略直接解构和整体利用块状副产品形成包装基质，避免高能耗、溶剂依赖和耗时的纯化步骤。通过利用整个生物质，材料内在保留了植物细胞壁中天然存在的抗氧化剂、色素和功能化合物，将农业工业废物转化为高活性食品包装。
**4.1 水热和温和化学解构（Hydrothermal and mild chemical deconstruction）**
通过绿色水基预处理可将整个生物质转化为连续薄膜。例如，橙加工副产品经生态高效水热处理（121°C，仅用水），部分溶解半纤维素和果胶，破坏木质纤维素基质，与甘油浇铸后形成连续内聚生物塑料，具有高紫外吸收和抗氧化能力。香蕉皮粉经水热或稀硫酸预处理可完全转化为生物塑料薄膜，保留内源性酚类，阻挡超过98%的紫外线。对于更顽固的生物质，可回收有机酸（如三氟乙酸TFA）可直接消化可可豆壳和蔬菜茎，形成非晶纤维素基塑料。鳄梨皮和种子经温和醋酸水解并与聚甘油和低甲氧基果胶共混，产生高度透明材料，具有优异氧气阻隔性和抗氧化能力，适合直接接触食品。
**4.2 内源性增塑和自结合（Endogenous plasticization and self-binding）**
整个水果副产品的另一显著优势是在热压缩下具有固有的自结合能力，无需合成粘合剂。苹果渣中的天然游离糖（如果糖、葡萄糖、蔗糖）可作为主要增塑剂，使薄膜和三维物体具有高达55%的柔韧性，远超仅使用外源甘油增塑的纯化体系。
**4.3 直接共混到聚合物基质中（Direct blending into polymer matrices）**
整个水果粉末可直接作为活性功能填料加入其他生物降解基质中。例如，超声处理的葡萄皮保留了纤维素纳米纤维、半纤维素、果胶和多酚的复杂混合物，与聚乙烯醇（PVA）共混后，兼具抗菌、紫外屏蔽的活性包装功能和pH响应变色智能包装功能，可实时监测食品新鲜度。类似地，葡萄皮粉末加入κ-卡拉胶/HPMC基质中可监测肉类腐败。可可豆壳（CBS）与聚乳酸（PLA）直接共混形成可堆肥塑料，提高结晶度、改善氧气阻隔性、赋予抗氧化活性并加速水生生物降解。苹果渣与木薯淀粉和PBAT共混，或香蕉皮粉与玉米淀粉共混，均可获得完全可生物降解和可堆肥的薄膜。但将石榴、木瓜和波罗蜜皮粉加入明胶/聚乙烯双层中，因聚乙烯层不可降解，仅形成部分生物基复合物。
**4.4 可扩展性、实际约束与技术成熟度（Scalability, practical constraints, and technological maturity）**
当前大多数全生物质薄膜仍处于实验室验证阶段，技术成熟度低。向中试和工业规模过渡面临显著实际约束，主要源于原料可变性：整个副产品的生化组成（如果胶、纤维素、酚类、内源糖的比例）因品种、收获季节和地理来源而剧烈波动，导致批次间重现性困难。未受控的原料变异常导致颗粒团聚、相分离和成膜缺陷。因此，需将研究重点从简单实验室浇铸转向可扩展的连续加工技术，如反应挤出或固态剪切粉碎，以强制均质化和交联这些波动的有机成分。
**表1（Table 1）** 总结了不同水果来源、加工方法和所得薄膜基质的特性、活性功能及局限性，对比了三种策略的关键物理性能。
**5 批判性评估：权衡、可持续性和工业可行性（Critical evaluation: Trade-offs, sustainability, and industrial feasibility）**
通过系统比较三种策略，揭示了性能、加工复杂性和可持续性之间的关键权衡和可扩展性瓶颈。
**5.1 纯度的代价：材料性能 vs. 生态效率（The cost of purity: Material performance vs. eco-efficiency）**
策略1和2产生高度精炼的材料，性能优越，但代价高昂：策略1需密集化学处理，消耗大量能源、水和化学溶剂，降低生态效率；策略2虽利用水果废料降低成本，但微生物发酵过程缓慢（需长达14天静态培养），且需能量密集型灭菌，工业规模化挑战大。
**5.2 “零废物”挑战：真正的可持续性 vs. 材料均匀性（The “zero-waste” challenge: True sustainability vs. material homogeneity）**
策略3通过利用整个副产品最大化环境可持续性，避免了有毒溶剂提取，但所得材料为复杂异质混合物，视觉上不透明、颜色深、表面粗糙，可能带有水果废料气味，且感官接受度低。未纯化亲水化合物导致高水蒸气渗透性，内源糖和蛋白质可能促进霉菌生长，低分子量化合物迁移需严格测试以确保食品安全。
**5.3 功能困境：活性性能 vs. 机械内聚性（The functional dilemma: active properties vs. mechanical cohesion）**
最小加工方法天然保留内源性生物活性化合物，赋予包装抗氧化、抗菌和紫外屏蔽功能，但高含量未精炼粉末会破坏机械完整性。为平衡活性与结构，需遵循设计准则：优化填充阈值（通常1–5 wt%）、采用高剪切粒径减小（如超声处理）、引入互补粘合剂（如20–50 wt%的果胶、CMC或明胶）。
**5.4 通过杂化和工艺优化缓解权衡（Mitigating trade-offs through hybridization and process optimization）**
这些权衡并非刚性约束。通过将最小加工全生物质薄膜与少量提取生物聚合物（如商业果胶或壳聚糖）共混，或使用天然交联剂（如柠檬酸），可显著缓解机械和阻隔限制，同时保持高生态效率。工艺优化（如非热超声或亚临界水提取）可在不严重损害环境足迹的情况下实现高级功能化。
**5.5 工业可行性和可扩展性瓶颈（Industrial feasibility and scalability bottlenecks）**
策略1依赖成熟的淀粉和果胶分离工艺，但纳米纤维素提取需高腐蚀性酸和机械处理，维护成本高，且纯化导致部分解聚。策略2尽管材料性能优异，但需严格无菌条件和长时间静态培养，体积生产率低，仅适用于高价值利基市场。策略3通过简单水热处理或直接共混，易集成到传统热塑性加工设备中，具有最高工业快速实施潜力，但主要限制是缺乏标准化，批次间重现性差。
**6 当前挑战与未来展望（Current challenges and future perspectives）**
主要挑战在于所有多糖基软材料的固有亲水性导致高水蒸气渗透性。当前干预措施包括直接添加脂质、天然蜡、开发生物降解层压膜和结构交联，但这些方案大多仍限于实验室规模（技术成熟度TRL 3–4）。向工业应用（TRL 7–8）过渡需适应连续工艺（如熔融挤出），但面临活性化合物热不稳定性、纳米材料分散不均和未精炼生物质复杂流变行为的挑战。此外，恒定质量维持是工业瓶颈，原料成分季节性波动影响批次间重现性。工业规模化需使材料与常规热塑性设备兼容，并通过涂层和层压技术克服单层膜水分阻隔不足的问题。未来研究必须严格评估纳米颗粒和活性化合物向食品迁移的毒理学安全性和法规框架，并整合智能功能和工业4.0技术（如人工智能、实时传感器）以优化生产。
**6.1 食品接触安全、法规合规与消费者接受度（Food-contact safety, regulatory compliance, and consumer acceptance）**
最终复合材料需进行严格的迁移测试。需根据国际工业堆肥标准认证生物塑料的末端环境声明。消费者接受度方面，最小加工方法通常导致薄膜呈褐色或黄色且不透明，虽提供优异紫外屏蔽，但可能影响消费者偏好。未来商业化策略需将视觉特性与特定应用匹配，如光敏产品包装。
**7 结论（Conclusion）**
从传统塑料向水果副产品衍生的可再生软材料转型是可持续食品包装的有前景但充满挑战的途径。选择加工策略需匹配具体应用需求：纯化纳米晶体和果胶（策略1）适用于高纯度可控基质；微生物合成的细菌纤维素（策略2）适用于高强度包装；资源高效的整纤维素薄膜（策略3）因内在保留生物活性酚类和pH响应色素，最适合活性抗氧化和智能包装，且因与常规挤出工艺兼容，具有近期工业实施的潜力。然而，材料的进步仍受限于材料性能、加工复杂性和可持续性之间的显著权衡，目前大多数系统技术成熟度低。克服耐湿性、加工可扩展性和材料均匀性等实际瓶颈，是真正实现新一代活性、更循环和可生物降解软包装系统的关键步骤。
