综述：用于可重复使用食品包装的抗菌表面：功能与适用性的综合综述

《COMPREHENSIVE REVIEWS IN FOOD SCIENCE AND FOOD SAFETY》：Antimicrobial Surfaces for Reusable Food Packaging: A Comprehensive Review of Functionality and Suitability

　　

随着欧盟《包装和包装废弃物法规》（Packaging and Packaging Waste Regulation, PPWR）于2025年2月正式出台，可重复使用塑料包装方案作为一次性塑料（single-use plastics, SUPs）的更循环和可持续替代品，正获得越来越多的关注。然而，广泛采用这些方案的一个主要障碍在于确保每次重复使用周期后的有效清洁和消毒。使用周期之间的交叉污染风险带来食源性疾病危害，这可能削弱消费者信任并导致对此类系统的不参与。抗菌表面代表了一种有前景的解决方案，用于增强可重复使用包装的微生物安全性并改善其可清洁性。这些表面被设计用于抑制导致食品腐败和食源性疾病的细菌、病毒和真菌等微生物的生长和存活。将其整合到包装系统中，可以通过促进更简便的消毒和降低微生物交叉污染的风险，潜在地提高消费者信心并加速采用。目前存在多种制造抗菌表面的策略，大致分为化学方法和物理方法，每种方法在食品包装背景下各有其独特的优势和局限性。本综述批判性地审视了这些表面类型的功能性，并评估了它们在可重复使用食品包装应用中的潜力。

1 引言

塑料包装因其优异的性能、耐用性、较低成本及轻量化特点，在全球供应链中广泛用于保护食品品质。然而，绝大多数塑料包装为一次性使用，导致大量一次性塑料（single-use plastics, SUPs）废物产生。为此，欧盟陆续推出《循环经济行动计划》《塑料战略》及最新的《包装和包装废弃物法规》（Packaging and Packaging Waste Regulation, PPWR）等法规，设定逐步减量目标，并限制酒店、餐厅和餐饮（hotel, restaurant, and catering, HORECA）领域的一次性塑料使用。美国部分州通过生产者责任延伸（extended producer responsibility, EPR）法律推动回收，中国也在部分区域实施一次性塑料制品禁令。向可重复使用包装系统过渡的关键技术障碍之一，在于重复使用周期之间有效清洁和洁净度评估；交叉污染可能导致食源性疾病爆发，并削弱消费者信任。抗菌表面可抑制微生物生长与附着，改善可清洁性，是增强可重复使用食品包装微生物安全性的潜在方案。现有抗菌表面制备策略主要包括化学改性（如添加抗菌剂）和物理改性（如表面拓扑结构调控），但二者均面临迁移毒性、回收兼容性、抗菌耐久性及抗菌素耐药性（antimicrobial resistance, AMR）等挑战。本文旨在综述不同策略并评估其适用性。

2 食品中微生物的形态

食品相关微生物可分为腐败菌、病原菌和有益菌。可重复使用食品包装需重点关注能够在表面存活并导致交叉污染的微生物。细菌、真菌和病毒在形态、细胞壁结构和生物膜形成能力上差异显著，这些特性影响其与表面的相互作用。

2.1 细菌

细菌为原核微生物，尺寸约1–3 μm，形态包括球形（cocci）、杆状（bacilli）和螺旋形（spirilla）。根据细胞壁结构分为革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌，S. aureus）和革兰氏阴性菌（如大肠杆菌，E. coli），二者对表面改性的敏感性不同。细菌通过“生物膜形成”过程定殖于表面，该过程包括初始附着、不可逆附着、早期成熟、晚期成熟和分散五个阶段。生物膜中的细菌被自身分泌的胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS）基质包裹，对清洁和消毒具有更强抵抗力。因此，防止初始附着和生物膜发育是设计可重复使用包装抗菌表面的核心目标。

2.2 真菌

真菌为真核生物，具有由几丁质等组成的刚性细胞壁，细胞尺寸通常大于细菌。酵母以出芽方式无性繁殖，霉菌则通过菌丝延伸和产生孢子繁殖。真菌生物膜的形成涉及附着、增殖、菌丝形成和细胞外基质（extracellular matrix, ECM）累积。真菌污染会导致食品腐败和货架期缩短，因此抗菌表面需同时对真菌具有活性。

2.3 病毒

病毒是专性胞内寄生生物，尺寸20–300 nm，由核酸和蛋白质衣壳组成，部分具有包膜。病毒在表面可存活数小时至数天，例如严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）可在塑料表面存活7天。肠道病毒如甲型肝炎病毒（hepatitis A virus, HAV）和诺如样病毒可通过粪-口途径传播，表面可成为病毒储库。病毒的生物膜样结构由被感染宿主细胞形成，与细菌生物膜不同。因此，可重复使用食品包装表面卫生对控制病毒传播同样重要。

3 用于抗菌可重复使用食品包装的表面改性策略

微生物附着和增殖受表面电荷、润湿性等物理化学因素影响。抗菌表面通常通过化学或物理改性实现，可大体分为功能性表面、超润湿表面、智能表面和图案化表面。

3.1 功能性表面

功能性表面通过掺入或涂覆抗菌剂（如银（silver, Ag）纳米粒子、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）、溶菌酶、乳链菌肽（nisin）等）来杀灭或抑制微生物。例如，将丙烯酸单体与香草醛共价连接制备的抗菌膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌的抑制率高达99%，并延长了猪肉在改良气氛下的货架期。含香芹酚和埃洛石纳米管（halloysite nanotubes, HNTs）的低密度聚乙烯（low-density polyethylene, LDPE）薄膜可抑制青霉生长，延长面包和樱桃的保质期。乳链菌肽-纤维素纳米纤维（cellulose nanofibers, CNFs）涂层可显著降低汉堡中单核细胞增生李斯特菌的数量。然而，功能性表面在可重复使用包装中面临三大障碍：第一，纳米粒子可能迁移至食品中引发健康风险，欧盟第10/2011号法规等设定了迁移限值；第二，添加剂和涂层增加回收难度，可能影响分选和再生质量；第三，抗菌剂过度使用会促进抗菌素耐药性（AMR）发展。天然抗菌剂（natural antimicrobial agents, NAMAs）如壳聚糖、精油等安全性较高，但长期耐久性仍需验证。

3.2 超润湿表面

超润湿表面通过调控表面能和水接触角（water contact angle, WCA）来阻止微生物初始附着。

3.2.1 超疏水表面

超疏水表面具有WCA ≥ 150°且接触角滞后（contact angle hysteresis, CAH）≤ 10°，水滴易滚落，具有自清洁和抗生物污损特性。例如，聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）压印表面结合巴西棕榈蜡和银纳米粒子，WCA达到150°–170°，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效率分别约为99%和93%。纤维素纸经聚乳酸（polylactic acid, PLA）、肉桂醛、硬脂酸和二氧化硅（SiO₂）纳米粒子修饰后，WCA从85°升至156°，对两种细菌的抗菌效率达100%。多巴胺、PDMS、硬脂酸和HNTs改性的纸基材料WCA最高达158°，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的附着抑制超过87%。超疏水表面能减少微生物附着，但若添加杀菌性纳米颗粒，仍存在毒性、回收性和AMR风险；此外，其润湿状态在反复清洗和磨损后能否维持尚不确定。

3.2.2 超亲水表面

超亲水表面WCA ≤ 10°，水在其上铺展形成水合层，阻碍微生物附着。例如，聚多巴胺（polydopamine, PDA）和磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（sulfobetaine methacrylate, SBMA）修饰的聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）表面WCA降至7.5°，细菌附着随PDA/SBMA比例增加而减少。沉积钛酸钠纳米管的掺氟氧化锡（fluorine-doped tin oxide, FTO）玻璃在光照下WCA降至0°，大肠杆菌完全不附着。聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）、烷基糖苷（alkyl polyglycoside, APG）和四乙氧基硅烷（tetraethoxysilane, TEOS）复合涂层在多种测试下保持WCA < 10°，并显著减少大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落。超亲水表面在食品包装领域研究较少，主要担忧是液体铺展导致食物残留和清洁剂残留，可能影响卫生和干燥效率。

3.3 智能表面

智能表面结合杀菌与释放功能，即“杀灭-释放（kill-and-release）”机制。此类表面通常由刺激响应性聚合物构成，可对外界温度、pH、光照等变化作出响应。例如，硅纳米线阵列修饰聚甲基丙烯酸（polymethacrylic acid, PMAA）并负载溶菌酶，在酸性条件下结合溶菌酶杀菌，在中性条件下释放酶，在碱性条件下释放死菌碎片。含单宁酸和铁离子的表面接枝聚(N-异丙基丙烯酰胺)（poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAAm），在近红外光照射下产生光热效应杀灭99%的细菌，随后通过温度诱导的润湿性转变释放90%的附着细菌。聚多巴胺、银纳米粒子和盐响应型两性离子单体（DVBABS）复合涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌效率超过99%，并在盐溶液处理下释放95%以上的细菌。智能表面在多次“附着-杀灭-释放”循环中保持有效性，但尚无研究评估其在食品包装和重复使用条件下的功能持久性。

3.4 图案化表面

图案化表面完全依靠微纳尺度表面形貌实现抗菌功能，可避免化学添加剂的迁移、回收不相容和AMR问题。此类表面可分为防污自清洁表面和杀菌表面。

3.4.1 防污和自清洁表面

这类表面通过构造微纳结构抑制微生物初始附着并促进污染物脱离。表面润湿性由表面粗糙度和形貌共同决定。水在粗糙表面可处于Wenzel状态（液滴完全浸润表面结构）或Cassie-Baxter状态（液滴被截留空气支撑）。高WCA和低CAH有利于液滴滚落和微生物脱附。

3.4.1.1 表面粗糙度与润湿性之间的关系

Wenzel模型认为表面粗糙度放大固有润湿性：亲水表面更亲水，疏水表面更疏水。Cassie-Baxter模型则认为截留空气使液滴悬浮，接触角接近于180°。接触角滞后（CAH）反映液滴在表面移动的阻力，高CAH导致高滑动角（sliding angle, SA）和强粘附。对于可重复使用食品包装，Cassie-Baxter状态下的高WCA（>150°）和低CAH（<10°）最有利于微生物去除。

采用纳米压印光刻（nanoimprint lithography, NIL）制备的层级微纳结构使WCA升至133°–147°，CAH < 15°，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌附着分别减少82%和84%。仿鲨鱼皮表面的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate, PMMA）复制品具有较高疏水性，可抑制生物膜成熟。飞秒激光诱导周期表面结构（laser-induced periodic surface structures, LIPSS）可提高高密度聚乙烯的WCA至120.5°，显著减少大肠杆菌附着，但金黄色葡萄球菌仍能形成密集生物膜，说明细菌形态对表面相互作用有重要影响。

3.4.1.2 有利于去除可重复使用食品包装上微生物的润湿性

表面粗糙度与润湿性密切相关，但细菌附着还受细胞尺寸、形状和运动器官影响。Cassie-Baxter状态能减少液滴与表面接触面积，有利于自清洁；而Wenzel状态通常导致高CAH和液滴钉扎，不利于微生物脱附。因此，设计用于可重复使用食品包装的图案化表面时，应优先考虑具有高WCA和低CAH的结构。

3.4.2 杀菌表面

杀菌表面模仿蝉翼或蜻蜓翅的纳米柱结构，通过机械拉伸和破裂细胞膜杀死接触的微生物。在聚碳酸酯（polycarbonate, PC）上制备的纳米柱阵列，当柱高超过200 nm、间距约170 nm、帽径小于60 nm时，对大肠杆菌的杀菌效率可达98%。黑硅纳米柱对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的杀菌效率分别约为89%和85%，革兰氏阴性菌因细胞壁较薄而更易破裂。进一步研究发现，纳米柱的弹性变形会增强膜拉伸，高度360 nm的纳米柱对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的杀菌效率分别达95%和83%。这类表面仅依靠物理结构杀灭微生物，但长期使用中表面形貌可能因机械磨损和清洗而退化，甚至产生微塑料，需进一步研究其耐久性。

4 可重复使用食品包装抗菌表面总结

化学改性表面（功能性、超润湿、智能）通常表现出强抗菌活性，但存在添加剂迁移、回收困难、AMR风险以及长期性能衰减等问题。物理改性表面（防污自清洁和杀菌）完全依赖表面形貌，可避免上述风险，但其耐久性和在真实重复使用场景中的表现仍不确定。实际选择抗菌表面时，需根据目标食品类型、微生物危害、包装材料、清洗方式和预期使用寿命综合评估。例如，新鲜肉类易受细菌污染，烘焙食品易受真菌侵袭，而高水分农产品同时受细菌和真菌影响。因此，不存在“万能”的抗菌表面。

5 结论

抗菌表面可提高可重复使用包装的微生物安全性和消费者接受度。化学基表面虽然有效，但存在健康、环境和耐药性隐患。纯物理的图案化表面提供了更可持续的替代路线，但其长期耐久性和抗磨损能力仍需验证。未来研究应聚焦于实际重复使用场景，包括反复清洗、磨擦、食物残渣累积、老化及回收兼容性，并探索抗菌表面与改良气氛包装、真空包装等现有技术结合，以降低对抗菌功能本身的依赖并推动可重复使用食品包装的商业化应用。