通过调控天冬酰胺纳米纤维素增强的壳聚糖薄膜的界面性质来提升其机械性能，并用于改善黄斑虎鱼（Larimichthys crocea）的保鲜效果

《Food Hydrocolloids》：Interfacial regulation of okara nanocellulose-reinforced chitosan films for enhanced mechanical performance and Larimichthys crocea preservation

　　摘要
由石油基塑料包装造成的环境负担日益加重，这加速了可生物降解食品包装材料的发展。然而，基于壳聚糖的薄膜仍存在机械强度和阻隔性能不足的问题，而源自豆渣的纳米纤维在调节薄膜结构和功能性方面的作用尚不明确。因此，本研究开发了pH响应型壳聚糖（CS）复合薄膜，使用豆渣纳米纤维（OF）作为增强剂，ε-聚赖氨酸（EPL）和花青素（Ant）作为功能性添加剂，以阐明它们对界面相互作用、网络架构和保鲜性能的影响。加入OF有效优化了微观网络架构，并提高了薄膜的机械和疏水性。当壳聚糖与OF的比例为1:1时，水接触角从66.7°增加到102.4°，表面疏水性提高了53.5%。在壳聚糖与OF的比例为2:5时达到了最佳机械增强效果，拉伸强度从2.25 MPa增加到11.41 MPa，而断裂伸长率有所下降。同时，水蒸气透过率从6.1 × 10-12降至3.6 × 10-12 g·cm/(cm2·s·Pa)，氧气透过率降低了13.6%。结构分析表明，OF、Ant、EPL和壳聚糖之间的氢键作用增强，可能还存在静电相互作用，从而形成了致密稳定的网络结构。所有薄膜在土壤掩埋条件下12天内均完全降解。此外，壳聚糖与OF比例为2:1-2:5的复合薄膜有效延缓了Larimichthys crocea鱼肉的品质劣化，使其保鲜期延长至24小时。总体而言，本研究为将豆渣纳米纤维转化为功能性增强剂、用于开发可生物降解、抗菌和智能食品包装材料提供了可持续的策略。

引言
Larimichthys crocea鱼肉因其美味、高质量的蛋白质和丰富的ω-3脂肪酸而广受欢迎。然而，其高水分和蛋白质含量使其在储存过程中极易受到微生物生长和生化变质的影响，导致品质迅速下降、经济损失及潜在的食品安全风险（Bu et al., 2026）。全球范围内，海鲜变质已成为可持续食品供应链的主要挑战之一， inadequate的保鲜技术导致了大量的产后损失。因此，开发能够同时延缓微生物劣化和保持食品质量的包装系统变得越来越重要。传统的石油基塑料（如聚乙烯和聚丙烯）由于其低成本和优异的加工性能，在食品包装领域仍占主导地位。然而，食品包装行业约占全球塑料产量的40%，大量包装废弃物在短时间内被丢弃，积聚在垃圾填埋场和水生环境中（Geyer et al., 2017; Borrelle et al., 2020）。由于广泛使用和有限的生物降解性，传统的石油基包装材料对全球塑料废物负担贡献显著。自20世纪50年代塑料生产迅速扩张以来，累积的塑料废物已成为一个持续的环境问题，大量进入垃圾填埋场和自然生态系统。对化石基包装材料的持续依赖进一步增加了资源消耗和环境压力，凸显了开发和使用可再生及可生物降解替代品的紧迫性（Reis et al., 2019）。利用可再生生物质资源开发可生物降解包装材料是与可持续发展目标（SDGs）12和SDG 13相一致的重要策略，有助于减少对化石基塑料的依赖并促进循环经济（Manzoor et al., 2024; Bahramian et al., 2025）。

从壳聚糖、羧甲基纤维素、淀粉和明胶制备的生物聚合物薄膜因其可生物降解性、生物相容性和成膜能力而受到广泛关注（Li et al., 2025）。然而，单一聚合物组成的薄膜通常具有高亲水性、有限的机械强度和不足的阻隔性能，限制了其实际应用。为了克服这些限制，基于纳米结构材料的增强策略已被广泛探索，因为它们能够调控聚合物链排列、界面相互作用和网络架构。在各种增强材料中，纳米纤维素因其高长宽比、优异的机械强度、低密度和丰富的羟基而成为有前景的候选材料。纳米纤维素的各向异性结构允许沿纳米纤维方向有效传递应力，其大量的羟基促进与聚合物链的氢键作用，形成致密的互联网络，从而提高机械强度并减少水蒸气和氧气的分子扩散路径（Aldosari et al., 2023）。先前的研究表明，将纤维素纳米材料掺入可生物降解基质中可显著提高防水性、拉伸强度和阻隔性能（Zhu et al., 2025）。例如，从竹笋中提取的纳米纤维素被加入到壳聚糖-肉桂醛体系中，制备了抗水抗菌薄膜（Dai et al., 2025）。类似地，改性纤维素纳米晶体与酚类化合物结合可制成具有低水蒸气透过率、改进的疏水性和增强机械强度的薄膜（Zhu et al., 2025）。这些发现表明纳米纤维素潜力巨大，可以调整生物聚合物薄膜的内部结构，从而改善其功能性能。这些研究指出，纳米纤维素不仅是一种被动填充剂，而且是一种能够修改聚合物网络组织和界面稳定性的主动结构调节剂。

豆渣是大豆加工过程中的主要副产品，是一种丰富但未充分利用的木质纤维素资源。尽管全球每年产出的豆渣量巨大，但大部分被丢弃或用作低价值的动物饲料，导致宝贵生物质资源的低效利用（Yoshida et al., 2020）。将豆渣转化为纳米纤维素为农业废物的价值化提供了一种可持续的方法，同时生成了用于先进包装应用的功能性纳米填料（Mostafa et al., 2023）。源自豆渣的纳米纤维素具有丰富的纤维素 domain、高表面活性和纳米级的纤维形态，有利于与聚合物基质的强界面相互作用。先前的研究表明，将可溶性豆渣膳食纤维加入羧甲基纤维素薄膜中可以改善机械强度和透明度，而纤维化的豆渣纳米纤维素通过构建增强网络提高了淀粉基薄膜的弹性模量、拉伸强度和韧性（Zheng et al., 2024）。在基于羧甲基纤维素（CMC）的薄膜中，Scarcella等人（2024）提取了豆渣可溶性膳食纤维（OSDF）来增强可生物降解的CMC薄膜；这些薄膜在水蒸气透过率、热稳定性和厚度方面与使用果胶、菊粉和β-葡聚糖等传统可溶性纤维制备的薄膜相当，并具有优异的紫外线阻隔性能和一周内的快速生物降解性（Lin et al., 2020）。Lin等人（2020）通过将豆渣可溶性膳食纤维与CMC和百里香精油结合，制备了具有增强抗氧化和抗菌活性的活性可食用复合薄膜。在基于淀粉的薄膜系统中，Fu等人（2024）将来自豆渣的纤维状纤维素（FCs）加入淀粉基质中，系统研究了从宏观到纳米尺度不同的纤维直径对薄膜性能的影响；特别是纤维素纳米纤维（CNFs）使淀粉薄膜的韧性提高了约20%，有效缓解了淀粉材料的固有脆性。在基于壳聚糖的复合系统中，Lin等人（2020）通过混合豆渣粉末和壳聚糖及纳米二氧化硅气凝胶制备了可食用薄膜，系统表征了复合材料的结构特征、物理性能以及抗氧化和抗菌活性，初步证实了豆渣成分与壳聚糖基质之间的良好相容性。此外，豆渣纤维素材料在非薄膜食品包装相关应用中也显示出潜力（Tang et al., 2024）；他们通过绿色协同工艺从新鲜豆渣中可持续制备了高性能纤维素纳米晶体（CNCs），并将其用于稳定Pickering乳液，为基于乳液的食品包装涂料的开发提供了新的途径。同样，将豆渣加入明胶基薄膜中提高了结构完整性和柔韧性。这些发现表明，将大豆加工残余物转化为功能性包装组件具有实际潜力，为减少农业废物和改善可生物降解食品包装系统性能提供了可持续策略。然而，以往的研究主要集中在性能提升上，而壳聚糖系统中潜在的界面相互作用机制、最佳纳米纤维装载水平以及结构-功能关系仍不够清楚。

在可生物降解聚合物中，壳聚糖（CS）因其固有的抗菌活性和出色的成膜能力而特别受到关注（Sun et al., 2026）。与羧甲基纤维素、淀粉和明胶相比，壳聚糖因其带正电荷的氨基可以与带负电荷的微生物细胞膜相互作用并破坏膜完整性而具有固有的抗菌活性。然而，壳聚糖的抗菌效果高度依赖于其理化特性，包括分子量、脱乙酰度、来源和应用形式（如粉末、成膜溶液或薄膜基质）（Zacheski et al., 2025）。因此，将壳聚糖与功能性纳米填料和生物活性化合物结合是开发具有增强机械性能和抗菌功能的多功能包装系统的有效策略。为了进一步改进基于壳聚糖的薄膜的功能性能，将生物活性化合物引入复合系统。ε-聚-L-Lysine（EPL）是一种天然存在的抗菌肽，具有广谱抗菌活性，可通过静电相互作用与壳聚糖协同作用以增强微生物抑制（Zhou et al., 2025）。此外，花青素（Ant）作为一种天然抗氧化剂和pH响应指示剂也受到越来越多的关注，因为它们在不同pH条件下会发生可逆的结构变化。加入Ant有助于开发能够在食品储存期间提供视觉保鲜信息的智能包装系统。尽管对基于壳聚糖的薄膜、纳米纤维素增强和生物活性添加剂进行了大量研究，但基于豆渣纳米纤维素的壳聚糖薄膜的合理设计仍需进一步探索。特别是，纳米纤维装载如何调节界面相互作用、网络架构以及由此产生的机械、阻隔和功能性能尚未系统阐明。此外，很少有研究将结构优化与实际的食品保鲜评估结合起来，限制了对它们实际应用的理解。

本研究通过溶液浇铸方法将源自豆渣的纳米纤维素加入壳聚糖薄膜中，开发了具有生物降解性、多功能性的包装材料。研究了不同豆渣纳米纤维素装载量对复合薄膜的结构特征、界面相互作用、流变行为、机械性能、阻隔性能和功能性能的影响。此外，通过分析纳米纤维分散、分子间相互作用、网络架构和宏观薄膜性能之间的关系，探讨了潜在的增强机制。使用Larimichthys crocea鱼肉作为模型食品系统，进一步评估了所开发薄膜的抗菌活性、抗氧化能力、pH响应颜色变化和保鲜效果。本研究旨在为可持续生物基包装薄膜的合理设计提供见解，并促进豆渣纳米纤维素在食品保鲜应用中的高价值利用。

材料
大豆和新鲜的Larimichthys crocea鱼肉购自中国锦州的本地超市。壳聚糖（CS，来源于蟹壳壳聚糖，脱乙酰度≥95%，粘度100-200 mPa?s，分子量约200 kDa，粒径≥80 mesh，批号C804726）和辛酸（OA，纯度>98%）由中国上海Macklin生化科技有限公司提供。花青素由中国山西新天宇生物科技有限公司提供。

薄膜成型溶液的粒径分析
图2A显示了壳聚糖与OF比例对薄膜成型溶液粒径分布的影响。对照溶液表现出狭窄且均匀的粒径分布，表明纯壳聚糖系统中的分子分散良好，聚集成分较少，这与Huang等人（2022）的先前的报告一致。加入OF后，粒径表现出明显的非单调依赖性，反映了分子间相互作用的变化。

结论
本研究成功制备了具有紫外线屏蔽、可生物降解和抗菌性能的复合薄膜，以壳聚糖为基质，用OF增强，并用Ant和EPL功能化。加入OF通过分子间相互作用显著增强了内部网络，从而提高了结构稳定性。流变分析表明，适量的OF装载增强了弹性行为和网络完整性，而过量添加则降低了……