《Carbohydrate Polymers》：Plant bioactives in carrageenan biocomposites for food preservation and quality monitoring: Functional performance and safety considerations
全球对可持续和健康食品体系的追求，加剧了对生物基功能性包装材料的研究。植物来源的生物活性物质，包括精油、多酚、花青素、色素和草药提取物，正日益被探索作为可持续食品包装中合成防腐剂的天然替代品。其抗菌、抗氧化和刺激响应特性，使其在延长货架期和实现食品材料的实时质量监测方面具有重要价值。然而，其实际应用可能带来潜在的健康风险，因此需要合适的基质来稳定、保护并控制其释放。卡拉胶（Carrageenan），一种源自红藻的生物聚合物，凭借其在活性和智能包装系统中的多功能性，可作为有效的载体。在此背景下，本综述严格审视了负载植物生物活性剂（plant bioagent）的卡拉胶生物复合材料的最新进展，强调了它们的协同相互作用，从而进一步有利于开发可生物降解、可食用且与食品接触应用兼容的生物复合材料。本综述的新颖之处在于，它综合评估了掺入生物活性化合物的性能优势和潜在安全考量，并分析了当前限制、监管挑战以及商业可行应用的未来方向。这种平衡且批判性的方法为未来该领域的发展提供了一个更全面的框架。
1. 引言
围绕传统塑料，尤其是微塑料向食品和生态系统渗漏的环境问题日益严重，加速了向植物基、可生物降解包装的转变。与此同时，减少全球食物浪费（约占所有生产食物的三分之一）变得至关重要，因为腐败会导致重大经济损失、健康风险和粮食安全挑战，凸显了对防腐败和传感功能材料的需求。由可再生天然生物聚合物（如多糖和蛋白质）制成的可生物降解包装材料提供了一种有前景的解决方案。这些材料来源于可再生生物资源，具有高物理性能，且对环境的影响较小。包装技术的最新进展侧重于将多功能填料掺入可生物降解聚合物中，以增强其性能、延长货架期并防止微生物生长。此外，通过创新化学改性和掺入新型生物活性化合物来增强这些材料的功能性，将带来更智能、更高效的包装解决方案。
生物活性化合物，尤其是源自植物的化合物，因其抗氧化、抗菌、抗炎和其他促进健康的特性而受到广泛关注，使其成为功能性食品包装和保鲜系统中有吸引力的添加剂。将这些生物活性剂掺入多种生物聚合物基质（如卡拉胶、海藻酸盐、壳聚糖、淀粉、纤维素、果胶、明胶和琼脂）中，已成为一个广阔且快速扩展的研究领域。由于该领域涵盖广泛的生物聚合物和生物活性化合物，全面讨论所有系统超出了单一综述的范围。在探索用于活性和智能食品包装的生物聚合物基质中，卡拉胶因其成膜能力、硫酸基官能团、离子响应凝胶化行为、可生物降解性、可食用性以及与多种植物来源生物活性化合物的兼容性，提供了独特的组合。与海藻酸盐、壳聚糖、纤维素、淀粉和明胶相比，卡拉胶尤其相关，因为其阴离子硫酸结构和凝胶形成能力能够实现基质-生物活性剂相互作用、控制释放和可调节的理化性质。与许多替代基质不同，卡拉胶可以容易地形成稳定的薄膜、水凝胶和复合体系，同时保持理想的机械和阻隔性能，使其在生物活性封装和控制释放应用中特别通用。此外，其结构多样性和易于改性，使卡拉胶成为开发活性包装材料的合适平台，因为它们直接在食品上形成可生物降解、可食用或保护性涂层和薄膜，以隔绝空气并减缓腐败，同时具备质量监测功能，包括pH响应和新鲜度响应行为。
近期研究表明，卡拉胶聚合物复合材料可作为活性包装材料，直接在食品上形成可生物降解、可食用或保护性涂层和薄膜，以隔绝空气并减缓腐败。
虽然众多研究强调了掺入生物活性物质的好处，但本综述对潜在的局限性和不利影响进行了批判性评估。这些包括机械和阻隔性能的劣化、水敏感性增加、相容性和稳定性问题、活性化合物的不受控迁移或释放，以及因浓度过高、降解产物或长期暴露于某些生物活性剂而产生的潜在毒理学问题。通过批判性地评估掺入生物活性物质的利弊，本综述旨在为开发安全有效的卡拉胶-生物活性剂基包装材料，提供一个关于机遇、挑战和未来方向的平衡理解。
多功能植物生物活性剂集成卡拉胶复合材料领域，近年来经历了科学兴趣的显著激增。在Scopus中进行了一项结构化的文献检索，以识别与用于食品保鲜和质量监测的植物生物活性掺入卡拉胶生物复合材料相关的出版物。该检索于2026年7月进行，涵盖了从2012年到2026年过去15年的出版物。检索策略使用了以下术语的组合：“carrageenan” AND（“plant bioactive” OR “plant extract” OR “essential oil” OR “polyphenol” OR “anthocyanin” OR “pigment” OR “herbal extract”）AND（“biocomposite” OR “film” OR “coating” OR “edible coating” OR “active packaging” OR “intelligent packaging” OR “food preservation” OR “freshness monitoring” OR “quality monitoring”）。考虑了研究文章和综述文章，而排除了与含卡拉胶基质、食品包装、保鲜、腐败监测或生物活性掺入无关的研究。记录首先通过“文章标题、摘要和关键词”进行筛选，然后在必要时进行全文评估，以确认与综述范围的相关性。
为了将植物生物活性集成卡拉胶复合材料作为一个独特且快速发展的研究领域的出现背景化，按年份提取了出版物数量，以生成自2012年以来的趋势分析。此分析不仅是为了量化出版产出，也是为了展示卡拉胶基生物聚合物、植物来源生物活性物质、可持续食品包装、食品保鲜和智能质量监测系统研究的日益融合。尽管也收集了2026年的记录，但这些未包含在图中，因为该年在分析时尚未完成，文献数量不能代表完整的年度产出。该图显示，该领域的早期工作仍然有限，反映了最初主要将卡拉胶作为传统亲水胶体或成膜生物聚合物的关注点。2018年后观察到逐渐上升，表明对可生物降解包装、活性薄膜和天然抗菌/抗氧化添加剂（特别是源自植物的）的兴趣日益增长。从2023年开始的急剧增加尤为显著，这与全球对可持续包装、减少食物浪费、替代石油基塑料和合成防腐剂以及开发智能新鲜度监测系统的关注加强相吻合。这种指数级增长反映了该领域快速扩大的研究势头，并支持需要一份及时且聚焦的综述，以全面整合卡拉胶-植物生物活性剂复合材料在制造、功能性能、保鲜性能、传感能力、安全性、可扩展性和可持续性方面的最新进展。
研究表明，优化包装可以显著减缓水果和蔬菜的老化，这说明了有效包装在延长食品新鲜度方面的重要性。卡拉胶基材料因其生物可降解性和多功能性，已成为石油基聚合物的有前景替代品，并且当与天然生物活性化合物结合时，它们表现出对食源性病原体的抗菌特性，增强了食品安全。
本综述的范围涵盖了掺入植物生物活性化合物的含卡拉胶体系的功能性能和安全考量，包括卡拉胶作为主要基质或作为与明胶、壳聚糖、海藻酸盐、结冷胶、玉米醇溶蛋白和魔芋葡甘聚糖等其他生物聚合物共混的共聚组分。在这些共混体系中，卡拉胶仍然是关键的结构和功能组分，有助于基质形成、生物活性掺入、结构完整性、释放行为和包装功能性，而伴随的聚合物则根据其对整体材料性能的互补效应进行讨论。虽然“可食用涂层”通常指厚度低于0.025 mm的薄层，但那些超过0.050 mm的在技术上被归类为薄膜或片材。在本综述中，“薄膜”指独立的膜，而“涂层”指通过浸涂或喷涂在水果/蔬菜上形成的保护层。由于负载植物生物活性剂的卡拉胶体系可以扮演这两种角色，每种角色都提出了不同的制造和应用挑战，特别是在平衡界面间的附着力和内聚力方面，这些将在后续章节中进一步详述。重要的是，除了作为被动屏障外，这些体系还在食品保鲜（其中抗菌、抗氧化、阻隔和控制释放功能可以延缓腐败）和主动质量监测（其中pH、气体或颜色响应性生物活性物质可以指示储存期间新鲜度的变化）之间提供了功能桥梁。因此，在本综述中，保鲜和监测被视为多功能卡拉胶基活性和智能包装系统内相互关联的功能。
尽管许多综述已分别考察了卡拉胶基薄膜、活性包装/监测系统或植物来源生物活性化合物，但对卡拉胶作为生物活性载体基质，同时考虑功能性能和安全影响进行全面评估仍然缺乏。大多数现有综述主要关注机械、阻隔、抗菌和抗氧化性能的增强，而相对较少关注掺入生物活性物质的潜在不利影响，包括对材料稳定性、功能性、迁移行为和安全性的影响。因此，本综述的新颖之处不仅在于总结了负载植物生物活性剂的卡拉胶体系的最新进展，还在于通过一个综合考虑性能增强和安全相关局限性的集成框架，批判性地评估了植物生物活性剂集成的卡拉胶生物复合材料，从而区别于以前的描述性综述。通过在一个单一框架内整合这两种观点，本综述为卡拉胶-生物活性剂基薄膜和涂层在食品保鲜和智能包装应用中的机遇、局限性和未来发展提供了更平衡的评估。
2. 基本组分：植物生物活性物质和卡拉胶
为了理解含有植物生物活性物质的卡拉胶基包装系统的保鲜、监测和安全性能，首先必须检查控制其功能性的两个核心组分的行为：植物来源的生物活性剂和卡拉胶基质。它们各自的特性及其潜在的协同或拮抗相互作用，构成了本综述通篇讨论的活性、智能和可食用包装材料设计的基础。
2.1. 植物生物活性物质
将植物来源的生物活性材料，如抗菌化合物、精油和香气释放剂，整合到卡拉胶基生物复合材料和共混物中，是一个旨在增强生物基食品包装材料功能性的不断增长的研究领域。植物是称为植物化学物质（phytochemicals）的天然化合物的丰富来源，这些化合物具有化学和生物学活性，由于其生物有效性、成本和安全性，正日益成为防腐和抗菌效果的替代品。各种植物提取物因其活性成分（包括多酚、黄酮类、生物碱、单宁和醛类）而闻名，可增强水果、肉类和海鲜的储存稳定性。它们不仅改善了食品的货架期和安全性，还赋予了额外的功能性，使包装更加通用和有效。
植物基生物活性剂通常包括精油、植物提取物、酚类化合物、花青素、黄酮类、色素、酸类和果皮/种子粉末/提取物，并可按表1所示进行大致分类。它们表现出强大的抗菌和抗氧化特性，也用于增强防腐效果，既可用于复合薄膜，也可用于食品产品基质。尽管大多数整合在食品包装系统中的植物生物活性物质通常在公认的安全限度内使用，并且主要旨在改善功能性能，但不能假设其安全性在所有应用中都是普遍的。相反，必须根据其浓度、释放行为、食品基质、加工条件和潜在消费者暴露来评估。在食品接触应用中，安全性评估还应考虑生物活性化合物及其转化产物从包装基质向食品的迁移，因为迁移速率受聚合物组成、储存时间、温度、食品类型和包装-食品接触条件等因素的影响。因此，安全性评估不仅应考虑生物活性化合物本身，还应考虑其与卡拉胶的相互作用、在加工和储存过程中的稳定性，以及其是否符合相关的食品接触材料法规。
植物精油是从植物原料的叶子、花朵、种子和其他部分提取的次级代谢产物，以其抗氧化、抗菌、抗炎和抗肿瘤特性而闻名。它们本质上是疏水的，可以在开发食品包装薄膜时掺入亲水性多糖（如卡拉胶）中。精油通常被认为是公认安全的（generally recognised as safe, GRAS），可作为化妆品和食品中的功能性成分。它们在预防病原体生长和延缓食品腐败方面的有效性，使其成为传统食品保鲜方法的合适替代品。然而，GRAS状态或天然来源本身不应被解释为在活性包装中普遍安全的证据，因为食品接触暴露取决于剂量、迁移水平、释放速率、食品成分和接触持续时间。此外，一些精油成分在高浓度下可能表现出细胞毒性、刺激性、致敏性或促氧化作用，强调了为个别包装应用建立安全使用水平的重要性。
天然花青素属于常用的pH敏化剂，因为它们在变化的pH条件下具有显著的颜色变化。在监测各种食品（包括水果、蔬菜、肉类、鱼类和乳制品）新鲜度的情况下，通过将pH敏感材料掺入生物聚合物基质来制备指示标签是一种有效的策略。花青素是在许多植物中发现的天然黄酮类化合物，其颜色取决于其来源和环境pH值。它们属于黄酮类，其特征在于芳香环，包括花青素（cyanidin）、天竺葵素（pelargonidin）和飞燕草素（delphinidin）部分。由于这些植物化学物质的颜色对pH敏感，它们可以作为智能包装环境中潜在的新鲜度指示剂。这些pH敏感的颜色变化使其成为食品包装中的有效指示剂，因为食品新鲜度、质量和安全性的变化通常会影响pH水平。
使用多酚作为卡拉胶基质中的活性添加剂，为构建智能包装薄膜提供了另一种有前景的途径，这得益于其高安全性和生物功能，如抗氧化、抗菌、抗高血糖和抗癌特性。除了其功能益处外，多酚可以通过氢键和其他分子间相互作用影响卡拉胶基质的理化行为，这可能改善薄膜内聚力和阻隔性能，但也可能改变生物活性释放曲线。过强的相互作用可能降低掺入化合物的可用性和抗菌效力，而弱相互作用可能导致快速扩散和不受控释放。诸如单宁酸和胡椒叶提取物中的多酚表现出多种生物活性，将其掺入卡拉胶基质可以进一步增强系统稳定性，并可应用于设计复合薄膜中的高阻隔抑菌层。另一类重要的多酚包括黄酮类化合物，由于其安全性、抗菌和抗氧化特性，经常用于食品保鲜，并已被证明可以改善各种生物聚合物薄膜的阻隔性能、柔韧性和热稳定性。原花青素（Procyanidins）也可以作为卡拉胶基质中潜在的交联剂，替代化学交联剂的潜在毒性。然而，许多多酚在化学上不稳定，在加工和储存过程中可能发生氧化、水解或光降解，导致活性丧失并形成具有潜在不同功能和毒理学特性的降解产物。
天然可食用色素，如火龙果皮中的甜菜色素，已被证明具有强大的抗氧化活性，常用于食品着色和护色，也可以作为辅色剂以提高花青素的稳定性和pH敏感性。单宁已被证明可以改善生物聚合物薄膜的紫外阻隔和抗氧化效果，而没食子酸和丁香油表现出增强的抗氧化和抗菌效果。此外，橄榄副产品因其非挥发性多酚而成为食品包装应用的宝贵资源，可作为精油的替代品，因为精油可能对食品质量产生负面影响，并可能在储存过程中因挥发而损失。同样，枣核富含功能性生物活性化合物，主要是酚类物质，可以通过其显著的抗菌和抗氧化活性来阻止食品腐败。尽管有这些优势，植物来源的色素和酚类物质可能对pH、温度、氧气和光敏感，这可能导致颜色褪色、传感精度降低，以及储存期间保鲜性能下降。此外，低分子量生物活性物质从卡拉胶基质向食品的迁移可能影响风味、颜色、香气和整体消费者可接受性。因此，优化生物活性负载、基质相互作用和控制释放行为，对于在功能性、材料稳定性、感官质量和食品接触安全之间取得平衡至关重要。
尽管精油在微生物抑制方面具有效力和低成本，但其应用受到高挥发性、不稳定性、水溶性差等缺点的显著限制。使用天然色素用于此目的的一些主要挑战是，它们通常在生物聚合物基质中分散性差，并且在暴露于光、热、氧气或化学/水解反应时易于降解。这些局限性源于许多天然色素含有共轭结构、可电离基团或不稳定键，这些对pH、氧化、温度和基质极性敏感。这反过来又可能导致包装过程中以及食品产品运输、分销和储存过程中的颜色变化。
2.2. 卡拉胶
卡拉胶源自红藻，因其丰富性、生物相容性和环境友好性，是开发可食用和可生物降解材料最有前景的天然生物聚合物之一。它们特别因其强大的凝胶形成能力而受到重视，使其成为各种食品包装应用的理想选择。卡拉胶基涂层能有效减少食品中的水分流失、氧化和气体交换，保持产品的新鲜度、质地和颜色。此外，它们可以通过抗菌和抗氧化剂增强，进一步延长包装食品的货架期和安全性。
尽管卡拉胶薄膜具有许多优点，但由于其高亲水性，可能表现出较差的机械和阻隔性能。为了解决这些缺点，通常会加入乳化剂和增塑剂等添加剂，以改善耐水性、光学性能、表面形态和溶解度。同时，重要的是要注意，这些添加剂的选择需要主要确保不会在损害消费者健康和复合材料可持续性方面造成问题，因为需要持续进行仔细优化并开发更安全、生物来源的替代品。此外，尽管对降解卡拉胶（也称为聚吉南（poligeenan））在高剂量下可能产生不利健康影响的担忧仍然存在，但这种材料不同于用于食品应用的食品级卡拉胶。食品级卡拉胶已经过监管和专家机构（包括联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会（JECFA））的评估，并允许在既定监管框架内作为食品添加剂使用。因此，关于卡拉胶安全性的讨论区分了食品级卡拉胶和降解卡拉胶/聚吉南，因为它们在分子量、生产条件、预期用途和毒理学相关性方面有所不同。
卡拉胶通常根据其分子结构、硫酸盐和脱水半乳糖含量分为三种主要类型（κ-、ι-和λ-），其中κ-卡拉胶每个二糖重复单元含有一个硫酸基团，ι-卡拉胶含有两个，λ-卡拉胶含有三个，导致硫酸化程度逐渐增加。κ-和ι-卡拉胶都具有3,6-脱水-D-半乳糖桥，该桥促进有序螺旋形成并支持阳离子诱导的凝胶化。λ-卡拉胶缺乏3,6-脱水-D-半乳糖桥，因此采用高度柔性的、密集硫酸化的无规卷曲结构，这通常在常规条件下阻止螺旋形成和凝胶化。
在K+离子存在下，κ-卡拉胶形成坚固、结实的凝胶和薄膜，并与其他生物材料良好相互作用，增强其稳定性。ι-卡拉胶在Na+和Ca2+离子存在下形成弹性和透明的凝胶，以其作为生物活性化合物封装剂的能力而闻名。λ-卡拉胶由于其高度柔性的无规卷曲结构，通常保持非凝胶状态。然而，最近的研究表明，三价离子可以通过中和其密集硫酸化的链来诱导凝胶化，并可用作生物活性剂的载体。这种离子介导的交联扩展了λ-卡拉胶的潜在应用和未来用途。因此，κ-、ι-和λ-卡拉胶占据互补的功能角色，其中κ-卡拉胶适用于机械稳定的薄膜和凝胶，ι-卡拉胶适用于弹性和负载生物活性的基质，λ-卡拉胶适用于可调的离子介导递送系统。
总的来说，植物生物活性物质和卡拉胶的多功能特性和相互作用决定了所得包装系统的结构、功能和安全特性。这些相互作用突出了本综述通篇讨论的保鲜和质量监测能力，同时也影响了生物活性物质的稳定性和迁移行为，从而影响了消费者暴露和这些材料系统的整体食品接触安全性。因此，在检查制造策略和功能性能之前，下一节将批判性地评估与负载植物生物活性剂的卡拉胶包装系统相关的毒理学和食品接触安全考量。
3. 毒理学和食品接触安全考量
虽然使用植物生物活性物质和卡拉胶提供了显著的功能益处，但所得多功能系统是否适用于食品包装应用，最终取决于其食品接触安全性。因此，考虑毒理学方面、迁移行为、暴露途径和规范其使用的监管要求非常重要。例如，先前的研究表明，天然色素在生物聚合物基薄膜中的分散性和保留性可能具有挑战性，尤其是在较大规模下，其中疏水性色素难以均匀分散到生物聚合物基薄膜中，而亲水性色素可能在储存期间从这些薄膜中浸出。在卡拉胶基质中，这种行为可能受到聚合物亲水性和硫酸化性质的进一步影响，这有利于吸水和溶胀，从而在潮湿或高水分食品接触条件下加速色素扩散或浸出。因此，色素稳定性必须与信号可靠性和迁移一起评估，特别是对于新鲜度指示薄膜，其中颜色漂移、浸出或可逆性降低可能危及安全性和监测准确性。
与天然色素分散性和稳定性差相关的挑战通常通过封装技术来解决。纳米封装和其他控制释放系统可以改善生物活性物质在卡拉胶基质中的分散性、保留性、防止光/氧/热暴露或降解的保护以及释放控制。然而，迁移和释放行为仍然受到水分、温度、基质溶胀、交联密度和载体-生物活性物质相互作用的强烈影响。过度封装也可能降低智能指示剂的响应性，增加配方复杂性并提高生产成本。因此，优化封装效率、载体设计和释放动力学对于平衡功能性和安全性仍然至关重要。
尽管许多精油和色素成分被美国食品药品监督管理局（FDA）认为是公认安全的（GRAS），并且其作为调味物质和添加剂的使用得到欧洲食品安全局（EFSA）的许可，但这些批准是基于低剂量、间歇性暴露。因此，它们的GRAS状态或天然来源不应被视为在活性、智能或可食用包装系统中具有确定安全性的证据。此外，多样化的制造技术可能会改变迁移行为和消费者暴露模式，需要在现实使用条件下重新评估食品接触安全性，而不是仅仅依赖游离化合物的安全特性。
对于活性和智能包装系统，风险评估还应考虑持续食品接触产生的累积暴露，以及加工、光照、储存、热处理或与食品成分相互作用过程中可能形成的降解产物。许多植物生物活性物质，包括精油、多酚、花青素和类胡萝卜素，易受水解、氧化、光降解和热降解的影响。由此产生的转化产物可能表现出与母体化合物不同的物理化学、毒理学或生物学特性，因此应纳入安全评估。
在可食用涂层中，重复食用可能超过典型的摄入场景，引发与可接受每日摄入量（acceptable daily intake, ADI）、暴露边际、致敏性、对肠道微生物群的影响以及易感个体中与其他生物活性化合物或药物的潜在协同或拮抗相互作用相关的担忧。抗菌生物活性物质在这种情况下尤其重要，因为重复低剂量暴露可能影响非靶标微生物种群，包括有益肠道微生物群。同样重要的是强调，在使用任何源自潜在致敏源的添加剂时，纯度的重要性，因为存在残留蛋白质、过敏原或污染物到达消费者的风险。还应考虑潜在的细胞毒性、致敏性、刺激性和长期生物效应，特别是对于浓缩提取物或设计用于长时间食品接触的系统。
这些考量极大地需要剂量优化、控制释放和符合法规的风险评估。因此，开发负载植物生物活性剂的卡拉胶系统需要在功能效力和控制迁移之间取得平衡，确保在包装食品的预期货架期内，抗菌、抗氧化或传感性能的实现不会超过可接受的暴露阈值。因此，全面的食品接触安全评估需要整合迁移行为、释放动力学、慢性暴露、降解产物评估、毒理学筛选、致敏性评估和法规遵从性。这样一个系统性的框架对于确保食品保鲜和质量监测的改进不会以牺牲消费者安全为代价至关重要。这些安全考量强调了在功能性与控制迁移、可接受暴露水平和法规遵从性之间取得平衡的必要性，因此直接影响了下节讨论的设计和制造策略。
4. 卡拉胶-植物生物活性剂包装材料的制造
生物基包装的最新进展已导致使用各种制造方法将植物来源的生物活性剂整合到卡拉胶基质中。诸如溶剂浇铸、挤出、冷冻干燥、静电纺丝和超临界干燥等技术能够形成具有定制功能性能的薄膜和气凝胶。此外，交联、封装和3D打印等先进方法有助于稳定和控制释放敏感的生物活性化合物。这些方法不仅增强了包装的机械、阻隔和抗菌性能，还赋予了智能特性，能够实时监测食品质量，并通过与包装产品的主动相互作用延长货架期。
本节将考察来自广泛可用技术中的一些代表性示例，主要关注其潜在影响、主要优势和挑战。选择这些示例是为了展示潜在技术的广度，并确定必须克服的关键挑战/局限性，以在实际食品包装应用中充分发挥其潜力。
4.1. 薄膜
溶液浇铸法，也称为溶剂浇铸，是一种广泛使用且直接的生物聚合物基薄膜制造技术，因其简单、成本效益高和可扩展性。该方法通常涉及将聚合物、添加剂和功能剂溶解在适当的溶剂或溶剂混合物中，然后通过受控干燥形成均匀的薄膜。在制备卡拉胶基复合薄膜时，该过程通常首先将卡拉胶在高温（通常在60 °C至85 °C之间）下连续搅拌溶解于蒸馏水中。随后加入增塑剂、乳化剂和交联剂，以增强所得薄膜的柔韧性、可加工性和多功能性能。生物活性或增强剂，如黑色素、姜黄素、纤维素基添加剂或金属有机框架（metal-organic frameworks, MOFs），通常单独溶解或分散，然后与主要聚合物溶液混合。均质化和超声处理通常用于改善添加剂分散性；然而，剪切和超声处理的程度可以显著影响颗粒分布、界面相互作用和薄膜微观结构。分散不足可能导致颗粒聚集和结构缺陷，而过度加工可能降解敏感的植物生物活性物质，降低聚合物分子量或改变溶液粘度，影响薄膜形成和控制释放行为。
制备后，均匀的成膜溶液被小心地浇铸到平坦表面，如特氟龙涂层或聚乙烯板上，或浇铸到培养皿中，便于干燥薄膜的移除。干燥温度、干燥速率和相对湿度是控制聚合物链重排、结晶度、孔隙形成和残留水分含量的关键参数。快速干燥可能导致薄膜开裂、内应力和异质结构，而较慢的干燥通常促进更好的薄膜均匀性和机械完整性，但可能延长挥发性或氧化敏感性生物活性物质暴露于空气、热和光的时间。浇铸条件的变化，如温度、干燥时间以及特定添加剂或生物活性剂的存在，可以显著影响薄膜性能。因此，仔细优化均质化、浇铸、干燥和调理参数，对于实现食品包装应用所需的机械强度、阻隔性能、光学特性、生物活性保留和控制释放行为至关重要。
尽管溶液浇铸因其简单性和组成灵活性而广泛用于卡拉胶基薄膜，但它面临显著的放大限制，包括批次操作和长时间干燥。从转化的角度来看，该方法仍然是一个低技术成熟度（technology readiness level, TRL）的过程，主要适用于概念验证研究。其实际价值在于配方筛选，可以在转向可扩展加工之前系统地评估生物活性类型、增塑剂含量、填料负载和干燥条件的影响。虽然溶液浇铸对于材料开发和机理研究仍然有价值，但挤出、卷对卷涂布和喷涂与商业生产更相关，前提是可以保持生物活性稳定性、产品均匀性和加工兼容性。因此，卡拉胶基包装系统的成功转化需要优化材料配方和制造策略，而不是依赖单一的制造方法。
4.2. 双层薄膜
双层薄膜由两个具有互补功能的独特层组成，已成为增强生物聚合物基包装材料性能和功能能力的先进策略。它通过在空间上分离保鲜、阻隔和监测功能，解决了许多单层系统中遇到的功能权衡问题。这种双层结构通常包括一个内部活性层和一个外部保护或指示层，每层都扮演特定角色，如阻隔增强、活性物质递送和食品腐败监测。双层结构通常通过连续浇铸方法或逐层组装技术实现。成膜溶液依次浇铸，从活性或指示层开始，然后是保护性外层，在受控干燥条件下进行。各层之间溶液体积的最佳分配对薄膜性能（如厚度、机械强度和感官质量）有重要影响。与传统的单层薄膜不同，单层薄膜必须将所有功能整合到一个基质中，双层结构能够实现活性、保护和传感组件的空间分离，从而在不相互干扰的情况下结合水分/气体阻隔性能、抗菌释放、机械支持和新鲜度指示。重要的是要注意，厚度比、层间附着力和干燥条件强烈影响机械完整性、阻隔性能和掺入生物活性物质的稳定性。
内层通常直接与食品接触，掺入生物活性物质，旨在延长货架期、保持食品质量或提供抗菌性能。外层通常充当阻隔和保护界面，或通过嵌入的天然色素或纳米颗粒作为腐败指示平台。因此，双层薄膜在需要在食品接触面直接释放、而外层必须提供机械稳定性、耐湿性、紫外线防护或比色可读性的应用中特别有利。例如，κ-卡拉胶与姜黄素和ε-聚赖氨酸结合已被用作活性内层，提供生物活性功能，而基于明胶的外层覆盖卡拉胶-姜黄素内层薄膜，增强了其物理机械完整性。类似地，据报道，将蝶豆花（butterfly pea flower）花青素整合到卡拉胶基质中作为内层，通过比色响应提供视觉腐败指示，增强消费者安全性并减少食物浪费。在此，富含纳米TiO2的琼脂薄膜作为保护屏障（外层），增强了其机械强度并提供紫外线防护。
最近的研究强调，掺入纳米级添加剂可以增强双层薄膜的性能。例如，将云母纳米片引入结冷胶外层，为复合薄膜提供了改进的阻隔性能和机械坚固性，其中指示剂水凝胶内层由魔芋葡甘聚糖、卡拉胶和构树（Broussonetia papyrifera）果实花青素色素组成，展示了先进的功能，包括优越的机械性能、良好的热稳定性和优异的阻隔性能，适用于智能食品包装应用。这种空间分离可以减少不良相互作用，如色素降解、生物活性损失、不透明性、过度迁移或机械强度降低，这些在将所有组分共混到单层薄膜中时可能会发生。
虽然双层薄膜代表了一种多功能和多用途的方法，结合了适用于先进食品包装解决方案的保护性、活性和智能特性，通过分离阻隔和生物活性角色来增强功能性，但这些优势可能被增加的制造复杂性所抵消，当应用仅需要基本阻隔保护时，其益处可能不太明显，而更简单的单层系统通常更具成本效益且更易于制造。因此，它们最适用于高价值易腐食品或功能要求高的应用，如肉类、海鲜、新鲜农产品和智能标签，这些应用需要同时进行保鲜和监测。从转化的角度来看，由于多步制造、严格的层间兼容性和工艺敏感性，此类系统通常表现出较低的技术成熟度。识别这些参数并确保协同效应不受损害，仍然是可扩展制造的关键挑战。
4.3. 纳米凝胶
纳米凝胶（Nanogels, NGs）是纳米级的、三维交联聚合物网络，具有高含水量和柔软、弹性特性，能够封装广泛的生物活性化合物，使其非常适合食品和生物医学应用中的控制递送。其高比表面积、优异的胶体稳定性和可调的孔隙率，有助于其在食品保鲜和抗菌表面保护中的多功能性。
卡拉胶因其生物可降解性、生物相容性和离子功能性，被广泛探索用于纳米凝胶制造。卡拉胶的阴离子性质允许在温和的水性条件下进行有效交联，促进稳定纳米凝胶基质的形成。这些基质可以掺入多种抗菌剂，包括植物来源提取物、酶或纳米颗粒，实现位点特异性和刺激响应性释放曲线。尽管戊二醛因其高交联效率而常用于实验室规模的纳米凝胶制备，但其潜在的细胞毒性和对食品接触应用的有限适用性需要仔细考虑。对于可食用和食品包装系统，食品兼容的替代品，如离子凝胶化、柠檬酸、单宁酸或京尼平（genipin）介导的交联，通常因其改进的安全性而受到青睐。
掺入植物生物活性物质的卡拉胶纳米凝胶可以通过各种策略配制，包括水性交联和基于乳液的方法，在颗粒均匀性、负载效率、结构控制和释放特性方面提供不同的优势，从而影响其适用于特定食品包装应用。在功能上，纳米凝胶表现出表面粘附特性，使其能够涂覆食品接触表面，如不锈钢、塑料和陶瓷，从而充当抗生物膜屏障。表面功能化已被证明可以通过接枝特定配体或官能团来进一步增强其靶向能力，提高底物特异性。
