基于逐层工程化壳聚糖/乳清蛋白-香茅醛涂层的多功能活性包装材料，应用于聚乳酸/细菌纤维素薄膜上，以提升面包的保鲜效果

《Food Chemistry》：Multifunctional active packaging based on layer-by-layer engineered chitosan/whey protein–citral coatings on polylactic acid/bacterial cellulose films for enhanced bread preservation

　　• 柠檬醛通过层压层叠（LbL）组装在空间上得到限制，以防止基体塑化。• 这种多层薄膜具有高的氧气阻隔性能，并保持了机械强度。• 柠檬醛的释放是持续且对食品模拟物有响应的。• 该薄膜表现出强烈的抗真菌和抗氧化活性。• 通过延缓微生物腐败和变硬，延长了面包的保质期。

引言
面包是全球消费最广泛的主食之一；然而，由于其高水分活性和丰富的易获营养素，它特别容易受到微生物的破坏，导致其保质期相对较短（Rahman等，2022年）。真菌污染，主要是由青霉和曲霉菌引起，是面包变质的根本原因，不仅导致巨大的经济损失，还可能带来食品安全风险。尽管合成防腐剂能有效抑制真菌生长，但消费者越来越倾向于选择加工最少、不含添加剂和“清洁标签”的食品，这推动了寻找替代防腐策略的步伐。同时，对基于石油的塑料的环境担忧也推动了可生物降解和可持续包装系统的发展（Abdullahi等，2025年；Bilal等，2026年）。在这种背景下，活性包装作为一种通过释放或清除功能性物质与食品或其顶部空间相互作用的方法，已成为延长食品保质期同时保持质量的有希望的选择（Chen等，2019年）。

在可生物降解聚合物中，聚乳酸（PLA）因其可再生来源、生物相容性和公认安全（GRAS）地位而成为领先候选材料（da Silva Pens等，2024年；Rajendran等，2024年）。然而，尽管植物基聚合物在食品包装中有潜力，但其未经改性的形式通常具有固有的脆性、较差的阻隔性能和缺乏活性功能，这限制了它们在水分敏感和易腐食品（如面包）中的直接应用（Suwanamornlert等，2020年）。如Rostamabadi等（2024年）所综述的，淀粉、纤维素、壳聚糖和海藻酸盐等多糖越来越多地用于可生物降解薄膜和涂层，但由于其亲水性和有限的机械性能，同样需要战略性的混合、化学改性或多层组装来满足实际食品包装的需求。为了克服这些限制，PLA已通过复合工程、纳米填料掺入和多层构建进行了广泛改进（da Silva Pens等，2024年；Hernández-García等，2021年；Marano等，2022年），这些方法反映了向多相生物基系统发展的趋势（Mustafa等，2025年）。常见的策略包括将PLA与其他生物聚合物（如淀粉（Zhou等，2021年）、壳聚糖（Gunny等，2023年）或聚乙烯醇（Andrade等，2022年）混合；掺入纳米填料，包括纤维素纳米晶体（Zhu等，2025年）、氧化锌（Zheng等，2024年）和氧化石墨烯（Zhang等，2024年）；以及构建结合互补机械、阻隔和功能特性的双层或多层结构（Hosseini等，2022年；Valle等，2024年）。

一种工业可扩展的方法是基于熔融的多层共挤技术。例如，Qiao等（2025年）使用强制组装多重共挤技术生产了具有数百纳米层的PLA/纤维素纳米晶体/聚（3-羟基丁酸酯-共-3-羟基戊酸酯）薄膜，显著提高了氧气阻隔性和柔韧性。然而，熔融加工所具有的高温和强烈剪切力与热敏感、易挥发的生物活性化合物本质上不兼容，限制了这类方法仅用于被动阻隔增强。另一种避免热降解的方法是在预先形成的PLA基底上施加功能性涂层。例如，Mao等（2022年）在双轴取向的PLA上涂覆了一层含有儿茶酚功能化层状双氢氧化物的壳聚糖/聚乙烯醇层，该层预先装载了槲皮素-铜复合物。虽然该薄膜表现出明显的抗菌活性，但这种方法需要对基体聚合物和填料进行多步化学衍生，引入了相当大的工艺复杂性。更根本的是，在本质上疏水的PLA上实现持久的界面粘附仍然是一个持续存在的障碍。Gulin-Sarfraz等（2023年）证明，如果没有预先的UV-C照射和合成的支化聚乙烯亚胺（PEI）底漆，水性纳米粘土/聚电解质涂层会从基于PLA的薄膜上大量脱落。因此，与PLA的牢固结合通常需要能量密集型的物理处理或合成的聚阳离子底漆，这会削弱最终包装的“清洁标签”和可持续性特征。

逐层（LbL）组装提供了一种概念上不同的方法，在温和的水性条件下构建功能性涂层，通过交替沉积带相反电荷或氢键结合的物种（Ganjeh等，2024年；La Fuente Arias等，2023年；Shan等，2023年）。由于涂层是通过多重弱相互作用和物理缠结形成的，许多传统涂层面临的粘附问题得到了显著缓解，同时结构可以纳米级精确控制。在一项早期研究中，Gu等（2013年）在双轴取向的PLA上沉积了三十层海藻酸和支化PEI，实现了近三个数量级的氧气渗透率降低；然而，这需要在PEI溶液中进行3-氨基水解预处理，并且没有提供生物活性释放功能。后来，Zhang等（2018年）、Zhang等（2019年）用植物来源的单宁酸替换了合成聚电解质，直接在商业PLA薄膜上组装了与聚乙烯醇或羟丙基甲基纤维素氢键结合的多层结构。这些全有机涂层消除了合成底漆，并提供了优异的被动性能，即高氧气阻隔性、紫外线屏蔽和防雾效果，但其功能仍然是严格的被动型。最近，Zhang等（2024年）在溶剂浇铸的聚（L-乳酸）-聚（丁酸乙烯酯）共聚物薄膜上沉积了十层壳聚糖和氧化石墨烯（GO）；亲水性共聚物组分允许直接吸附壳聚糖而无需底漆，而GO创建了曲折的扩散路径，减少了氧气渗透率，壳聚糖的外层提供了接触介导的抗菌活性，延长了冷藏肉的保质期。即便如此， preservation机制仍然主要依赖于被动氧气阻隔增强，且设计依赖于GO，这是一种合成纳米材料，其用于食品接触的监管接受度尚未解决。

因此，在所报道的策略中存在三个相互关联的限制。首先，LbL研究中使用的PLA基底几乎都是未增强的商业薄膜；PLA的固有脆性在整体水平上没有得到解决。其次，界面粘附通常是通过合成底漆层或能量密集型的物理预处理来实现的。第三，涂层功能主要是被动的（阻隔、紫外线屏蔽、防雾），而少数具有主动抗菌性能的系统是通过合成无机填料或接触杀菌表面实现的，而不是通过天然挥发性抗菌剂的持续、顶部空间活性释放。

柠檬醛是柠檬草油的主要成分，是一种特别适用于面包保存的挥发性抗菌剂，对常见的腐败真菌如Penicillium expansum和Aspergillus niger具有强烈的活性（Wang等，2018年；Wang等，2024年）。然而，其高挥发性和化学不稳定性要求对其进行固定或封装以实现可控释放和延长的生物活性（Hu等，2025年）。这一需求增加了对能够稳定柠檬醛并调节其释放的天然载体的需求，而无需合成辅助物质。

为了克服上述一些限制，我们设计了一种分层薄膜结构，将整体机械增强与表面限定的生物活性在空间上分离。在基底层面，选择了细菌纤维素（BC）来增强PLA，因为它具有极高的结晶度、相互连接的纳米纤维网络，并已被证明能够显著提高生物降解聚合物复合材料的拉伸强度（Pandit等，2024年；Wu, Wang等，2022年）。通过从离子液体系统溶液浇铸制备了用乙酰三丁基柠檬酸增强的PLA/BC复合材料，实现了机械强度，无需合成相容剂或熔融加工。然后仅进行了温和的两步碱性水解，以在基底表面生成羧基和羟基；这个短而节能的步骤促进了第一层阳离子的吸附，完全避免了早期LbL方法中所需的合成底漆或物理预处理。随后，通过静电LbL组装沉积了十五层壳聚糖和乳清蛋白浓缩物（WPC）-柠檬醛复合层。在这种结构中，壳聚糖作为具有内在抗菌特性的阳离子基质（Andrade-Del Olmo等，2019年），而WPC是一种两性牛奶蛋白，作为天然载体，可以稳定挥发性柠檬醛，并预期可以控制其从薄膜表面的持续释放（Kamali等，2022年）。所得薄膜的系统地对其物理化学、机械、热学、阻隔、抗菌和抗氧化性能进行了表征，并在实际储存条件下评估了其延长面包保质期的效果，与商业聚乙烯包装和未涂层的PLA/BC薄膜进行了对比。据我们所知，这项工作是首个报道的全生物基、整体增强的PLA复合材料与表面限定的、可控释放的LbL系统结合使用天然挥发性抗菌剂的案例，不同于之前描述的被动阻隔或接触杀菌策略。

材料
聚乳酸（2003D）来自中国东莞Biorich新材料有限公司。细菌纤维素由中国海南Yide食品有限公司提供。离子液体1-丁基-3-甲基咪唑ium醋酸盐（[bmim]Ac，纯度≥98%）由中国科学院兰州化学物理研究所提供。乳清蛋白浓缩物（WPC80）由Hilmar Ingredients（美国）提供。壳聚糖（分子量200–400 kDa）购自山东卫康生物医学。

基于ATBC浓度的最佳PLA/BC薄膜选择
评估了ATBC浓度对PLA/BC复合薄膜的光学、物理、机械和阻隔性能的影响，以确定后续LbL改性的最佳基底。如图S1A所示，所有PLA/BC复合薄膜都显示出负的ΔL值，表明相对于参考薄膜亮度降低。在四种配方中，含有14.89% ATBC的PLA/BC3显示最低的亮度。随着ATBC浓度的增加，Δb和ΔE均降低。

结论
本研究展示了一种通过将PLA/BC复合基底与壳聚糖/WPC–柠檬醛LbL涂层相结合，开发可生物降解活性包装的有效策略。通过将柠檬醛限制在表面工程的多层结构中，LbL方法成功地将抗菌功能与整体聚合物基质分离，从而减轻了挥发性生物活性对机械完整性的不利影响，同时实现了持续释放。

作者贡献声明
Shirui Li：撰写——原始草稿、验证、研究。
Xinyue Tang：方法学、研究、形式分析。
Wenyu Hui：验证、研究。
Yiran Tan：研究。
Zixi Gao：数据管理。
Jiachang Feng：撰写——审阅与编辑、可视化。
He Wang：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、方法学、概念化。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来提高手稿的可读性和语言表述。使用这些工具后，作者根据需要进行内容審查和编辑，并对出版物的内容负全部责任。

未引用的参考文献
Sun等，2021年

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了江苏省研究生实践与创新计划（SJCX25_2625）和江苏科技大学的创业基金（1182932007）的支持。

Shirui Li | Xinyue Tang | Wenyu Hui | Yiran Tan | Zixi Gao | Jiachang Feng | He Wang