综述：基于交联生物聚合物的可食用薄膜：功能性特性的结构调控及其在果蔬保鲜中的应用

《Food Packaging and Shelf Life》：Cross-linked biopolymer-based edible films: Structural regulation of functional properties and applications in fruit and vegetable preservation

　　

摘要

由于水果和蔬菜极易变质，其采后保鲜仍然是一个持续存在的挑战。基于生物聚合物的包装膜是具有前景的可持续保鲜材料，但需要通过特定的改性策略来提升其功能性能。本文全面讨论了物理交联、酶促交联和化学交联如何调节生物聚合物的网络结构，从而改善薄膜的功能性能。同时总结了不同基于生物聚合物的交联薄膜在水果和蔬菜采后保鲜中的应用效果。交联形成了共价键和离子桥，增强了非共价相互作用，从而改变了官能团的可用性并重新组织了生物聚合物网络。这些变化通常限制了聚合物链的流动性，使得薄膜结构更加致密和连续，从而提高了机械性能、阻隔性能、防水性以及活性成分的缓释效果。特别是，pH响应性的可逆亚胺键解离和金属-酚配位可以触发活性成分的释放。然而，过度的交联可能会损害薄膜的性能。通过改善水分和气体控制、保持机械完整性以及实现活性成分的缓释，交联薄膜能够有效减少水分损失和软化现象，调节呼吸作用和成熟过程，减轻氧化损伤，并抑制水果和蔬菜的微生物腐败。值得注意的是，最近的研究越来越多地关注于开发更温和、更安全的交联策略，并整合多种功能。总体而言，交联诱导的网络重组是调控薄膜功能性能和保鲜效果的关键。通过阐明交联网络结构、功能性能和保鲜效果之间的关系，本文为高性能生物聚合物薄膜在水果和蔬菜保鲜中的应用提供了新的见解和理论指导。

引言

水果和蔬菜是人类饮食的基本组成部分，富含多酚、维生素和各种其他营养素。它们在全球范围内为消费者提供了新鲜、健康和营养丰富的食物（He等人，2023年）。许多国家积极鼓励增加水果和蔬菜的消费。随着人们对它们营养价值和健康益处的认识不断提高，这些努力促进了全球水果和蔬菜消费和生产的显著增长（Wallace等人，2020年）。由于水果和蔬菜的高度易腐性，其采后保鲜仍然是一个亟待解决的挑战。因此，开发成本效益高的采后技术以通过调节湿度、气体氛围和其他储存条件来最小化水果和蔬菜的腐败，一直是研究人员持续关注的焦点。

基于石油的塑料包装材料因其良好的性能和低成本而被广泛用于食品包装。2019年，全球约有3730万吨塑料用于食品包装（联合国粮食及农业组织，2021年）。尽管如此，历史数据显示只有大约9%的塑料废物被回收，而几乎80%的塑料被丢弃在垃圾填埋场或环境中，估计每年有400-1200万吨塑料进入海洋（Reis等人，2017年）。大量不可生物降解的塑料废物的积累对环境造成了沉重的负担。此外，传统的基于石油的塑料包装材料缺乏可持续食品包装应用所需的多功能性（Akter等人，2025年）。因此，基于生物聚合物的薄膜/涂层受到了广泛关注，因为它们具有易于获得、低成本和可生物降解等优点（He等人，2024a）。许多生物聚合物，主要是来自植物和动物的多糖和蛋白质，已被用来生产包装薄膜/涂层。目前，基于生物聚合物的薄膜在一些关键性能上仍不尽如人意，例如机械性能和阻隔性能。近年来，已经采取了一系列方法来克服这些限制。

交联过程涉及通过共价或非共价键连接聚合物链，以创建三维网络结构。这些网络可以包括分子内或分子间的交联，交联是生物聚合物改性的关键策略（Azeredo & Waldron，2016年）。物理交联（表1）、酶促交联或化学交联（表2）是一种非常有前景的方法，可以解决基于生物聚合物的薄膜在机械性能和阻隔性能方面的不足（Benbetta?eb等人，2016年）。此外，交联还可以提高薄膜的防水性、化学稳定性和响应性。根据具体的生物聚合物和所需性能，选择不同的交联技术和交联剂。

与传统的纯生物聚合物薄膜或复合薄膜相比，关于水果和蔬菜用交联保鲜薄膜的研究仍在迅速发展。早期的研究进展已在多项综述中进行了总结。Garavand等人（2017年）介绍了生物聚合物和交联剂，并讨论了交联对基于生物聚合物的薄膜特性的影响。此外，另一篇综述重点介绍了基于多糖和蛋白质的可食用薄膜的阻隔和机械性能（Benbetta?eb等人，2016年）。然而，关于交联诱导的结构变化、薄膜功能性能以及基于生物聚合物的薄膜在水果和蔬菜中的保鲜效果之间的关系尚未进行系统的综述。此外，为了准确跟踪该领域的研究进展，还需要全面总结基于生物聚合物的交联薄膜的近期发展。

本文旨在阐明交联诱导的生物聚合物网络重组、薄膜功能性能和水果及蔬菜保鲜效果之间的关系。根据不同的交联机制，对各种物理、酶促和化学交联方法进行了分类，并全面讨论了它们对官能团、分子间相互作用、网络结构和关键薄膜性能的影响。此外，还总结了基于生物聚合物的交联薄膜/涂层在收获的水果和蔬菜中的保鲜效果和相关机制。最后，讨论了主要挑战、机遇和研究空白，并提出了未来的研究重点和潜在的技术路线图。总体而言，本文为合理选择交联策略和设计高性能生物聚合物薄膜用于水果和蔬菜保鲜提供了科学依据。

章节摘录

加热

热处理是一种常见的物理交联方法，尤其适用于蛋白质。当基于蛋白质的成膜溶液经历热变性时，蛋白质的展开会暴露出内部的巯基，生成二硫键以稳定蛋白质的构象（图1A）（Schmid等人，2017年）。一项研究表明，交联密度与乳清蛋白分离物基薄膜中的二硫键数量之间存在直接相关性。

酶促交联

转谷氨酰胺酶（TGase）在pH 4.5–8.0的范围内表现出良好的稳定性。它利用酰基转移机制将谷氨酰胺残基的γ-羧酰胺基团（作为酰基供体）与蛋白质链中的赖氨酸残基的ε-氨基基团（作为酰基受体）连接起来（图2A）（Qazanfarzadeh等人，2021年）。Li等人（2024a）制备了一种通过TGase交联的壳聚糖/玉米蛋白/柑橘精油复合薄膜。该薄膜表面光滑，并且结构发生了变化。

多糖与阳离子之间的离子交联

离子诱导的交联源于阳离子和聚阴离子多糖（如果胶和海藻酸）之间的相互作用。羧酸基团与Ca²⁺之间的离子相互作用会导致“蛋盒”结构的形成（图3A），而CaCl₂处理可将可溶性果胶和海藻酸薄膜转化为不可溶的水凝胶薄膜（Duong等人，2022年；Li等人，2024b）。传统的交联海藻酸薄膜是通过将海藻酸薄膜浸入CaCl₂水溶液中制备的。

外观、腐烂、颜色和褐变

外观对于评估水果和蔬菜的整体质量至关重要。在为期7天的外观测试中，未经处理的草莓和涂有羧甲基纤维素纳米纤维的草莓在4天后都出现了微生物污染。相比之下，经过NaCl、MgCl₂或CaCl₂离子交联处理的草莓在7天内有效抑制了生物污染。这可能是因为致密的薄膜结构有助于保护草莓免受微生物生长（Kwak等人，

食品接触安全性、迁移限制及相关法规

基于生物聚合物的交联薄膜通常直接接触水果和蔬菜。根据交联机制的不同，潜在的迁移物质可能包括残留的醛类、金属离子、反应产物等。一些研究表明，交联可能会影响薄膜基质的迁移以及掺入的活性化合物的释放。在用肉桂醛交联的麦谷蛋白薄膜中，形成了更稳定的蛋白质网络

结论

基于生物聚合物的薄膜在保鲜易腐水果和蔬菜方面受到了广泛关注。交联是一种有效的策略，可以调节它们的网络结构和功能性能。本研究回顾的证据表明，物理交联、酶促交联和化学交联改变了官能团的可用性和分子间相互作用，从而重新组织了生物聚合物网络。这种对聚合物链流动性的限制通常

CRediT作者贡献声明

Kaibo Yu：撰写——初稿编写、可视化、方法学、研究、数据分析、数据管理。Lei Zhou：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Zhikai Yang：可视化、方法学、研究、数据分析。Yue Wang：方法学、研究、数据分析。Xiaoyong Chang：可视化、研究。Le Zhang：研究。Junping Liu：资金获取、概念构思。Yusuke

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影响本文报道的工作。

致谢

本工作得到了以下项目的支持：中国国家重点研发计划（2026YFE0105400）、国家自然科学基金（32472408、32272385）、江西省重大学科学术与技术领军人才培养计划（20232BCJ23084）、广东省科技创新计划（2025B0202110001）、江西省自然科学基金（20252BAC240039、20232ACB205025）、国家食品安全与营养科学重点实验室研究项目、南昌大学（SKLF-ZZA?202510）以及

Kaibo Yu|Lei Zhou|Zhikai Yang|Yue Wang|Xiaoyong Chang|Le Zhang|Junping Liu|Yusuke Asakura|Wei Liu|Yusuke Yamauchi南昌大学国家食品安全与营养科学重点实验室，中国南昌330047