开发掺入Barleria acuminata提取物及提取物介导的磷酸铜纳米杂化物的抗氧化活性废弃面包生物塑料膜用于可持续食品包装

《Next Materials》：Development of antioxidant-active waste bread bioplastic films incorporating Barleria acuminata extract and extract-mediated copper phosphate nanohybrid for sustainable food packaging

　　

摘要

食品废弃物增值化为开发可生物降解包装材料提供了一条可持续途径，同时减少了对传统生物聚合物资源的依赖。本研究利用废弃面包作为富含淀粉且预糊化的原料来开发生物塑料膜，并掺入Barleria acuminata提取物（BABP）和B. acuminata介导的磷酸铜纳米杂化物（NHBP）以增强功能性。研究人员对薄膜的理化性质、力学性能、形态学、元素组成、抗氧化活性、迁移行为以及α-淀粉酶介导的酶促水解性能进行了表征。NHBP表现出最高的拉伸强度（3.42±0.20 MPa），高于BABP（2.16±0.66 MPa）和BP（1.68±0.12 MPa），而BABP表现出最高的断裂伸长率（66.40±5.45%）。NHBP还表现出最低的含水量（6.13±0.32%）和水溶性（22.67±3.70%），表明其耐水性得到改善。场发射扫描电子显微镜（FESEM）揭示了致密且相对均匀的薄膜结构，而能量色散X射线光谱（EDX）证实了铜和磷的掺入。BABP表现出最高的DPPH自由基清除活性（85.61±4.03%），其次是NHBP（67.08±5.83%）和BP（9.70±1.32%）。经基质校正后，NHBP中Folin–Ciocalteu反应性化合物的迁移量（1.229 μg/mL）显著低于BABP（12.951 μg/mL），表明NHBP对提取物相关化合物的保留能力更强。所有薄膜均发生α-淀粉酶介导的水解，BP、BABP和NHBP的相对水解率分别为100.00±0.92%、68.11±1.16%和65.25±1.39%。总体而言，本研究将废弃面包增值化、天然抗氧化功能性、生物活性物质保留以及有机-无机增强整合于单一的可持续包装平台中。据研究人员所知，这是关于将Barleria介导的磷酸铜纳米杂化物掺入废弃面包来源生物塑料基质的首次报道。

**废弃面包基生物塑料膜的功能化改性：从天然抗氧化活性到有机-无机杂化增强的可持续食品包装策略**

**1. 研究背景与问题提出**

传统石油基塑料因其难以降解、依赖不可再生化石资源以及造成塑料垃圾和微塑料污染等环境问题而受到广泛关注。尽管聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯等材料在食品包装领域仍占据主导地位，但近年来研究强调，可持续包装材料不仅需考虑生物降解性，还需综合评估力学性能、阻隔性能、功能性、加工性、成本和寿命终期行为。以可再生物质为原料的生物塑料，尤其是兼具抗氧化或抗菌活性的生物活性食品包装材料，已成为传统石油基材料的潜在替代方案。

淀粉因其来源丰富、成本低廉、可再生性和良好的成膜性而备受关注。然而，使用玉米、马铃薯、大米和木薯等食用级淀粉源存在粮食安全与资源竞争问题，即"与粮争地"的矛盾。在此背景下，食品废弃物增值化成为一种环境和经济上可行的策略。废弃面包因保质期短及加工和零售流通环节的过量生产而被大量丢弃，但其仍富含淀粉、蛋白质和少量脂质，是极具吸引力的可再生原料。此外，利用天然植物提取物增强淀粉基生物塑料的功能性也受到广泛关注，植物提取物中的酚类、黄酮类等生物活性物质可赋予包装材料抗氧化和抗菌活性。

本研究选择*Barleria acuminata*作为生物活性源，其依据不仅在于该植物已报道的药用特性，还在于研究人员对六种*Barleria*属植物进行的比较筛选实验，其中*B. acuminata*表现出最高的抗氧化活性以及较高的总酚和总黄酮含量。然而，植物提取物的直接掺入存在局限性，如成分复杂多变、高负载量可能改变薄膜颜色、气味、水敏感性、力学性能及生物活性物质的迁移行为等。为此，本研究探索了两种不同的生物活性策略：直接掺入植物提取物的生物塑料膜（BABP），以及掺入*B. acuminata*介导的磷酸铜纳米杂化物的生物塑料膜（NHBP）。后者的设计理念是通过将植物来源的植物化学物质与无机磷酸铜基质结合，形成有机-无机杂化材料，以期在保留抗氧化功能的同时促进生物活性物质保留和基质增强。该研究的创新之处在于将废弃面包（富含淀粉的热处理原料）、*B. acuminata*（基于比较筛选的天然抗氧化植物化学物质来源）和*B. acuminata*介导的磷酸铜纳米杂化物（生物活性结合与无机增强组分）三者整合于单一薄膜平台，据研究人员所知，这是将*Barleria*介导的磷酸铜纳米杂化物掺入废弃面包来源生物塑料膜的首次报道。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用溶液浇铸法制备了三种生物塑料膜配方：对照废弃面包生物塑料膜（BP）、掺入*B. acuminata*提取物的生物塑料膜（BABP）和掺入*B. acuminata*介导磷酸铜纳米杂化物的生物塑料膜（NHBP）。废弃面包粉来自印度浦那当地商店的商业白面包。制备工艺经系统优化确定：3 g废弃面包粉、30%（v/v）甘油、明火直接加热糊化、30 °C干燥、pH 7。纳米杂化物通过提取物介导的有机-无机杂化方法合成，即以CuSO₄为铜前驱体、磷酸盐缓冲液（PBS）提供磷酸根、在4 °C黑暗条件下孵育72 h形成植物化学物质关联的磷酸铜纳米杂化物。薄膜表征手段包括：数字千分尺测厚度、称重法测含水量和水溶性、万能试验机（UTM）按ASTM D638标准测力学性能、DPPH自由基清除法测抗氧化活性、场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察表面形貌、能量色散X射线光谱（EDX）分析元素组成、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团相互作用、DNS法测定α-淀粉酶介导的酶促水解程度、Folin–Ciocalteu比色法评估迁移行为、琼脂孔扩散法检测提取物抗菌活性。

**3. 研究结果**

**3.1 废弃面包粉的表征**

废弃面包粉的总碳水化合物含量为54.86±2.13 g/100 g，其中淀粉含量为29.75±2.03 g/100 g，还原糖和蛋白质含量分别为4.13±0.84和14.59±0.88 g/100 g。较高的碳水化合物和淀粉含量证实了废弃面包作为富含淀粉原料的适用性，蛋白质组分可能有助于薄膜基质内的分子间相互作用。

**3.2 生物塑料膜制备条件的初步筛选与选择**

研究人员采用单因素逐项筛选策略，系统考察了WBP浓度、甘油含量、加热方式、干燥温度和pH对成膜性能的影响。结果表明：3 g WBP能形成连续性、结构完整性和柔韧性最佳的薄膜；30%（v/v）甘油在柔韧性和结构完整性间达到最佳平衡；明火直接加热产生最均匀的糊化浆料和连续薄膜；30 °C干燥避免了开裂并保证结构完整性；pH 7条件下薄膜最稳定均匀。最终确定的基础基质加工条件为3 g WBP、30%（v/v）甘油、明火直接加热、30 °C干燥和pH 7。

**3.3 生物塑料膜的理化表征**

薄膜厚度范围为0.283±0.015至0.347±0.049 mm，三种配方间无显著差异（p=0.1154）。含水量方面，BP最高（7.97±0.64%），NHBP最低（6.53±0.32%），且NHBP与BP间差异显著（p=0.0048）。水溶性测试显示，BABP最高（35.47±0.50%），NHBP最低（22.67±3.70%），NHBP显著低于BP（p=0.0071）和BABP（p=0.0015）。溶胀行为方面，BABP最高（9.50±0.40%），NHBP最低（7.03±0.90%），两者间差异显著（p=0.0390）。这些结果表明，纳米杂化物的掺入改善了基质致密性和耐水性，而直接提取物掺入则增加了薄膜的亲水性。

**3.4 拉伸强度与断裂伸长率**

三种配方的拉伸强度存在显著差异（F(2,12)=24.85，p=5.41×10??）。NHBP表现出最高的拉伸强度（3.42±0.20 MPa），显著高于BP（1.68±0.12 MPa）和BABP（2.16±0.66 MPa）（p<0.001），表明磷酸铜纳米杂化物作为有效填料增强了应力传递效率和分子间键合。断裂伸长率方面，BABP最高（66.40±5.45%），显著高于NHBP（52.72±3.32%）和BP（42.30±1.85%）（p<0.001），表明提取物中的植物化学物质促进了聚合物链的移动性；而NHBP中刚性无机填料的掺入在一定程度上限制了链滑移，但总体仍保持高于对照的柔韧性。NHBP在强度和延展性之间表现出最佳综合平衡。

**3.5 α-淀粉酶介导的生物塑料膜酶促水解**

三种薄膜均释放出可测量的还原糖。BP的还原糖释放量最高（7.148±0.066 mg/mL），被设定为100.00±0.92%的参考值；BABP释放4.869±0.083 mg/mL（相对水解率68.11±1.16%）；NHBP释放4.664±0.099 mg/mL（相对水解率65.25±1.39%）。结果表明，生物活性组分的掺入改变了淀粉基质中可水解结构域的可及性，但并未消除薄膜对酶促水解的敏感性。

**3.6 迁移与释放行为**

BABP的Folin–Ciocalteu反应性化合物总迁移浓度最高（16.066±0.080 μg/mL），其次为NHBP（4.344±0.007 μg/mL）、BP（3.115±0.033 μg/mL）和纳米杂化物上清液（0.082±0.014 μg/mL）。经BP基质背景校正后，BABP的额外释放量为12.951 μg/mL，而NHBP仅为1.229 μg/mL，前者约是后者的10.5倍。这表明直接提取物掺入导致大量生物活性物质释放，而纳米杂化物途径则实现了更有效的保留。铜浸出初步评估显示，NHBP在800 nm处的吸光度（0.007）低于BP对照（0.029）和4 mM CuSO₄参考溶液（0.045），提示未出现显著的铜相关释放，但该测定仅为定性/初步评估，铜的定量测定需采用ICP-OES、ICP-MS或AAS等元素特异性技术。

**3.7 生物塑料的表征**

FTIR光谱显示，BP中3284.57 cm?1处的O–H伸缩振动带在BABP和NHBP中移至3274.61 cm?1，表明生物聚合物基质与掺入的生物活性组分之间形成了分子间氢键。BABP和NHBP在约1076 cm?1处出现了归属于含胺植物化学物质C–N伸缩振动的特征峰，而BP中不存在该峰，证实了*Barleria*来源生物活性分子的成功掺入。NHBP在592.09和544.92 cm?1处表现出更尖锐的特征峰，归属于金属-氧和磷酸根相关振动模式，证实了磷酸铜纳米杂化物的稳定整合。FESEM观察显示，BP表面相对光滑连续；BABP表面粗糙且异质，分布大量颗粒状结构；NHBP则呈现致密互连的形态，纳米杂化物颗粒均匀分散，无显著团聚，说明填料与聚合物基质间存在强界面相互作用。EDX分析表明，BP和BABP以碳、氧为主导元素，另含氮、钙、钠、镁、硅、氯、钾等源自面包原料的矿物质元素；NHBP光谱中出现了铜和磷的特征信号，直接证实了磷酸铜纳米杂化物在薄膜基质内的保留。

**3.8 抗氧化活性评估**

BABP表现出最高的DPPH自由基清除活性（85.61±4.03%），其次是NHBP（67.08±5.85%），BP最低（9.70±1.32%）。统计检验表明三者间差异显著（F(2,6)=269.86，p=1.33×10??），BABP显著高于BP（p<0.001）和NHBP（p<0.01），NHBP显著高于BP（p<0.001）。NHBP保留了可观的抗氧化功能，但其活性略低于BABP，这可能与两种配方中提取物的掺入方式和初始用量不同有关——BABP为直接掺入，而NHBP中的提取物先与磷酸铜相结合。结合迁移实验结果，NHBP在维持较高抗氧化活性的同时显著降低了生物活性物质的释放，这对活性食品包装中控制迁移具有重要意义。

**3.9 *Barleria acuminata*提取物的抗菌活性**

琼脂孔扩散法测试显示，*B. acuminata*提取物对金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*）表现出浓度依赖性的抑菌活性，在20、40、60、80和100 μL浓度下，抑菌圈直径分别为10、12、14、15和16 mm。该结果证实了提取物具有可测量的抗菌潜力，但需注意该测试使用的是提取物而非成型的BABP和NHBP薄膜，尚不能据此判定薄膜本身的抗菌效果。

**4. 总结与讨论**

讨论部分指出，NHBP薄膜在维持较高抗氧化活性的同时显著减少了生物活性物质的释放，这种保留特性对活性食品包装应用具有优势，但不应解读为受控或缓释的证据，因为释放动力学和食品模拟液条件下的迁移行为尚未研究。薄膜的α-淀粉酶水解结果表明淀粉基质仍保持酶可及性，但这仅是酶促水解的初步评估，不能等同于环境生物降解性或符合EN 13432标准的证明。此外，水蒸气透过率和氧气透过率因设备条件限制未予测定，定量铜迁移分析亦有待采用元素特异性技术开展。工程意义上，NHBP配方在力学强度和耐水性方面优于对照，但应理性认识到其与商业塑料在标准化力学和阻隔性能方面的差距。

**5. 研究结论**

本研究表明，废弃面包可作为功能性生物塑料膜开发的富含淀粉基质，*B. acuminata*提取物及其磷酸铜纳米杂化物赋予了薄膜差异化的功能特性。BABP具有最高的断裂伸长率（66.40±5.45%），NHBP具有最高的拉伸强度（3.42±0.20 MPa）。BABP的DPPH自由基清除活性最高（85.61±4.03%），NHBP次之（67.08±5.85%）。NHBP中Folin–Ciocalteu反应性化合物的基质校正释放量（1.229 μg/mL）远低于BABP（12.951 μg/mL），表明纳米杂化物途径实现了更有效的生物活性物质保留。三种薄膜均对α-淀粉酶介导的水解敏感。据研究人员所知，本研究首次报道了将*B. acuminata*介导的磷酸铜纳米杂化物掺入废弃面包来源生物塑料基质。该论文发表于《Next Materials》。未来工作应聚焦于提取物和纳米杂化物负载量的系统优化、标准化生物降解与可堆肥性评估、水蒸气和氧气阻隔性能测定、定量铜迁移分析、成品膜对代表性革兰氏阳性和阴性微生物的抗菌评价以及真实食品储存验证研究。