具有可持续性、多功能性的生物活性薄膜，结合了超声增效的pH值调节改性稻米残渣蛋白，用于浆果的保鲜

《Food Packaging and Shelf Life》：Sustainable multifunctional bioactive films incorporated with ultrasound-synergized pH-shift modified rice residue protein for berry preservation

　　

摘要

向可持续活性包装的转变需要环保且无毒的生物材料，同时这些材料还应具备高性能的功能。基于天然生物聚合物的薄膜通常受到其组成材料固有亲水性和功能活性的限制，而植物蛋白质的聚集倾向可能会进一步损害蛋白质-多糖薄膜的结构和功能特性。本研究制备了一种生物活性的海藻酸钠（SA）基复合薄膜，其中加入了改性米渣蛋白（RRP）（MP1：单次pH值调整的RRP；MP2：超声辅助的pH值调整的RRP），并进一步评估了其在蓝莓采后保鲜中的应用潜力。优化后的SA/MP2薄膜表现出优异的疏水性，接触角为102.10°（纯SA为69.6°），水蒸气透过率降低了8.9%，热稳定性提高，机械性能增强，紫外线-可见光阻隔性能也得到提升。此外，SA/MP2薄膜的DPPH（2,2-二苯基-1-皮克里尔肼）自由基清除能力为32.89%，而纯SA薄膜仅为20.13%。实验结果表明，SA/MP2薄膜有效延长了蓝莓的保质期，减少了重量损失和腐败率，同时保持了果实的硬度和可溶性固形物含量。微生物群落分析显示，在MP2处理下，蓝莓真菌群落中的有益附生酵母主要为Kondoa（16%）、Symmetrospora（8%）和Aureobasidium（2%）。这些发现表明，该多功能活性薄膜在可持续食品包装方面具有巨大的应用潜力，为农业废弃物的高价值利用提供了有希望的策略。

引言

食品供应链面临着前所未有的挑战，尤其是在减少易腐鲜果的采后损失方面，这类水果占全球水果产量的近40%（Yang et al., 2024, Zhang et al., 2024）。传统的保鲜方法依赖石油基合成塑料进行食品包装，虽然这些塑料具有良好的阻隔和机械性能，可以保护食品免受外部因素的损坏（Ding et al., 2024, Le et al., 2025），但这类包装材料来自不可再生的化石资源，会在环境中长期存在，导致严重的生态污染、微塑料污染和过量的碳排放（Yang et al., 2026, Zhang et al., 2025, Zhang et al., 2024）。因此，基于生物聚合物的可降解活性包装受到了广泛关注，因为它可以使用可再生的农业原料，并通过添加特定的生物活性成分来延长易腐食品的保质期（Xu, Huang, Wang, Feng, Chen & Jia, 2025）。

包括纤维素、明胶、淀粉和壳聚糖在内的天然生物聚合物因其能够维持或提升包装食品的质量而成为制备包装薄膜的理想候选材料（Abookleesh et al., 2026, Siew et al., 2025, Xie et al., 2025, Zhu et al., 2023）。其中，从褐藻中提取的海藻酸钠（SA）作为一种阴离子多糖，在食品包装应用中表现出很大的潜力，因为它具有出色的成膜能力、无毒性和生物相容性，以及良好的气体阻隔性能（Chen et al., 2025, Deng et al., 2024）。然而，纯SA薄膜的大规模实际应用受到其固有的强亲水性的限制，在高湿度储存条件下，其耐水性较差，水蒸气透过率较高，机械强度也较弱（Tan, Liu, Shi, Hu, Pang & Lu, 2025）。此外，纯SA薄膜缺乏对于抑制易腐食品在采后储存过程中的氧化降解和微生物腐败至关重要的生物活性功能（Rashid et al., 2024, Wu et al., 2025）。目前，许多研究专注于开发蛋白质-多糖复合薄膜，通过将植物蛋白质引入多糖基质中，以协同提高薄膜的整体性能（Ding et al., 2024, Yang et al., 2026）。

将蛋白质与多糖混合是一种常用的策略，可以改善可降解包装薄膜的结构完整性和功能，因为这两种生物聚合物之间的氢键、静电吸引和疏水相互作用有助于形成互相连接的薄膜网络（Li, Sun, Guo, Zhang & Zhang, 2026）。尽管已经开发出多种蛋白质/多糖薄膜，但通常需要通过添加额外的增强剂或功能性成分来改善其机械性能、阻隔性能或活性。例如，纤维素纳米晶体和迷迭香提取物被用来增强米蛋白/SA薄膜的抗氧化性能，而脂肪酸则用于提高其耐湿性（Li et al., 2022, Luo et al., 2024）。此外，二醛淀粉和花青素也被添加到蛋白质/SA基质中，以增强其机械性能、阻隔性能、抗氧化性能和pH响应性能（Zhu, Qin, Wang & Zhong, 2024）。最近，超声波也被应用于豌豆蛋白/壳聚糖和燕麦蛋白/普鲁兰/尼辛薄膜的制备中，以提高薄膜的机械性能、结构和物理化学性质（Hu et al., 2026, Kang et al., 2023）。尽管这些研究展示了蛋白质/多糖薄膜的潜力，但它们大多依赖于商业蛋白成分和/或单独添加的增强剂和活性成分。在薄膜形成之前，对未充分利用的副产品蛋白质进行有针对性的结构修饰是否能够同时提高其与多糖基质的兼容性并赋予其内在的活性功能，目前尚不明确。

米渣蛋白（RRP）是大米加工过程中的大量副产品，通常作为工业废物被丢弃或用作低价值的动物饲料。将其用于生物聚合物薄膜中可以减少农业废物的产生和生产成本，符合循环经济的理念。天然的RRP由于其紧凑的球形三级结构而功能较弱，这种结构将大部分活性基团限制在分子内部，限制了其与多糖基质的界面相互作用。为了提高RRP的功能性能，广泛采用了pH值调整这种简单的物理修饰方法，该方法能够使蛋白质的三级结构展开，暴露出潜在的活性基团（Huang et al., 2025, Tanha et al., 2025）。然而，单次pH值调整处理常常由于强烈的疏水相互作用和二硫键的重新形成导致蛋白质严重聚集，这会在复合薄膜中产生结构缺陷，降低其阻隔和机械性能（Guo et al., 2025, Xu et al., 2025）。最近，开发了一种超声辅助的pH值调整方法，超声波产生的强烈空化效应可以有效破坏大的蛋白质聚集体，将其分解为均匀的纳米级颗粒，改善蛋白质在基质中的分散情况，进一步暴露出更多的内部活性基团（Zhao et al., 2025, Zhao et al., 2022）。尽管这种方法已被证明可以有效提高单独蛋白质的功能性能，但关于如何利用食品加工副产品蛋白质进行价值转化，以及如何赋予薄膜抗菌和抗氧化功能的研究仍不足。

因此，本研究调查了SA基质与两种改性RRP（单次pH值调整的RRP (MP1) 和超声辅助的pH值调整的RRP (MP2)）之间的相互作用，以及它们在构建新型活性包装薄膜以保持蓝莓采后品质方面的潜力。系统探讨了RRP对SA薄膜结构特性和功能性能的影响，包括耐水性、机械性能、阻隔行为、热稳定性、抗氧化性和抗菌活性。更重要的是，系统研究了RRP提高原始基质整体物理化学稳定性的能力及其作用机制。此外，还进行了12天的存储试验，在受控的温度和湿度条件下全面评估了基于该复合薄膜的蓝莓保鲜效果。最后，通过微生物群落分析确定了MP2处理期间蓝莓中的主要真菌属，为后续研究和实际应用提供了理论参考。

章节片段

RRP的制备

RRP的制备方法参考了Li, Ma, Feng, Zhang, Zhang, and Wang (2025)的方案，并进行了轻微修改。将米渣（RR）研磨并通过80目筛子筛选以获得均匀的颗粒大小。使用石油醚作为萃取溶剂，采用Soxhlet萃取方法脱脂，过程持续6小时。脱脂后的粉末在0.1 M NaOH溶液中以1:10（w/v）的固液比分散，然后在40 ℃下进行碱提取。

RRP的FT-IR光谱

傅里叶变换红外（FT-IR）光谱用于分析RR、RRP、MP1和MP2的主要功能基团，如图1a所示。RR的特征能量带位于大约3295 cm^?1（O-H伸缩振动）、2930 cm^?1（C-H不对称伸缩振动）、2854 cm^?1（C-H对称伸缩振动）、1644 cm^?1（-COO-伸缩振动）、1362 cm^?1（-CONH-伸缩振动）和1150 cm^?1（C-O-C伸缩振动），这些振动反映了蛋白质的结构特征。

结论

总之，超声辅助的pH值调整改性RRP成功地结合到了SA基质中，制备出了用于蓝莓保鲜的多功能生物活性包装薄膜。MP2有效破坏了RRP中紧密聚集的蛋白质结构，暴露了更多的活性基团。这些结构优势使得MP2能够与SA链形成更强的氢键、静电相互作用和疏水缠结，从而形成更致密、性能更优越的薄膜。

CRediT作者贡献声明

Limei Yin： 资源获取。Lijin Wang： 项目管理、资金获取。Zhepeng Zhang： 原稿撰写、研究、概念构思。Ruiqi Long： 项目管理、方法学研究、数据分析。Teng Zhao： 原稿撰写与编辑、可视化处理。Zhiming Guo： 原稿撰写与编辑、监督、资源获取、资金获取。Ronghai He： 监督、资源获取、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本项工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFD2101100）、国家自然科学基金（W2412103, 32472431）、食品风味与健康交叉创新开放项目以及北京科技与商业大学（FFHCI-2026047）的资助。

Zhepeng Zhang|Ruiqi Long|Teng Zhao|Limei Yin|Lijin Wang|Ronghai He|Zhiming Guo中国轻工业食品智能检测与加工重点实验室，江南大学食品科学与工程学院，镇江212013，中国