综述：用于食品保鲜的壳聚糖及其衍生物基复合包装：制备策略、性能调控及应用前景

《International Journal of Biological Macromolecules》：Chitosan and chitosan derivative-based composite packaging for food preservation: Preparation strategies, performance modulation, and application prospects

　　

随着全球人口增长和生活水平提高，保障食品安全和减少产后损失变得日益重要。食品腐败造成了大量食物损失，增加了经济成本，同时加剧了环境和社会的负担。传统的包装材料，特别是石油衍生的塑料，如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），由于其优良的阻隔性能、机械强度和低成本，仍被广泛使用。然而，它们有限的可生物降解性和在环境中的持久性加剧了人们对塑料废弃物的担忧，并推动了更可持续的包装替代品的开发。在这种背景下，生物基和可生物降解材料，特别是天然聚合物，作为食品包装中传统塑料的潜在替代品受到了极大关注。

在天然聚合物中，多糖由于其丰富性、可再生性、优良的成膜能力和可供化学修饰的功能基团，成为替代食品包装中传统合成塑料的特别有吸引力的候选者。因此，淀粉、纤维素、海藻酸钠、壳聚糖和果胶已被广泛研究作为可生物降解的包装材料。值得注意的是，壳聚糖——唯一天然存在的阳离子多糖——其分子结构赋予了固有的抗菌活性、成膜能力和可观的化学功能化潜力。这些特性使壳聚糖成为开发生物基食品保鲜材料的多功能平台。

壳聚糖（CS）通过几丁质的脱乙酰化获得，通常来源于甲壳类动物外壳，也可来源于昆虫和真菌生物质。其可生物降解性、生物相容性、低毒性、抗菌和抗氧化活性以及成膜性能奠定了其在食品保鲜领域的潜力[1]。壳聚糖骨架上丰富的氨基和羟基为物理结合和化学改性提供了反应位点，使材料性能能够精确调节以满足特定包装需求。然而，原始壳聚糖薄膜在实际应用中表现出固有的局限性，包括相对较弱的机械强度、不足的水蒸气阻隔性能以及在某些pH条件下有限的溶解度。为克服这些缺陷，研究者通过引入其他聚合物、纳米粒子、精油或进行化学改性，开发了各种高性能壳聚糖基复合材料，旨在实现卓越的食品保鲜功效。

当前研究表明，壳聚糖基复合材料改性的主要目标已从单纯解决纯壳聚糖薄膜的性能缺陷，逐步演变为赋予材料多样化、主动的保鲜功能。食品变质是微生物生长、脂质氧化和酶促反应等多因素协同作用的结果，仅依靠被动的阻隔性能不足以在整个储存期间维持食品质量。功能化的壳聚糖基复合材料可以将改善的机械性能和阻隔性能与抗菌和抗氧化活性结合起来，从而整合结构保护与主动保鲜。这种从被动保护向多功能保鲜的转变也为响应式和智能包装系统的发展提供了材料基础。

近年来，智能包装作为食品保鲜技术中一项新兴趋势，逐渐重塑着传统食品包装的功能范式。通过整合传感器、指示剂或响应材料，智能包装能够实时监测食品新鲜度、储存条件（包括温度、湿度和气体成分）以及微生物生长情况，同时通过颜色变化等直观方式向消费者传递相关信息。这项技术实现了食品质量的动态管理，有效延长了保质期并减少了食物浪费[2], [3]。

壳聚糖及其衍生物非常适合这些应用，因为其成膜性能、固有的生物活性和化学可调性有利于传感组分的引入和固定化。

壳聚糖作为一种可生物降解、无毒且具抗菌特性的多糖，处于这场转变的前沿。然而，壳聚糖基材料从学术研究向工业实践的应用仍然有限，这主要由于知识在材料制备、性能调控和应用特定性能需求等各个方面较为分散。迫切需要一种全面且批判性的综合分析来弥合这些领域之间的差距，以指导未来的研究重点并加速工业应用。本综述通过系统性地整合壳聚糖基食品包装的最新进展，针对了这一迫切需求，特别关注尚未充分探索但极具前景的领域，包括衍生物基复合材料、智能新鲜度指示系统和实际商业化途径。

尽管已有关于壳聚糖基食品包装的众多综述文章，本综述通过几个独特特征与之前的贡献区分开来，以填补现有文献中的关键空白。首先，大多数早期综述主要关注壳聚糖本身或其简单物理混合物，而本综述则提供了对壳聚糖衍生物——包括羧甲基壳聚糖、季铵化壳聚糖和其他功能化衍生物——及其复合系统的全面系统覆盖。这种以衍生物为中心的视角至关重要，因为化学修饰从根本上改变了壳聚糖的物理化学和生物学特性，赋予了纯壳聚糖无法实现的定制化功能，然而这一方面在之前的综述中受到的关注相对有限。第三，本综述纳入了使用VOSviewer进行的文献计量分析，以描绘全球研究格局、识别核心研究主题并揭示出版的时间与地理趋势。这项文献计量分析为该领域的演变和当前研究热点提供了定量概览，以补充文献的定性综合分析。第四，本综述超越了实验室规模的材料开发，探讨了工业转化和商业化面临的实际挑战，包括制造可规模化、法规合规、成本驱动因素和生命周期考虑——这些主题在学术综述中往往被忽视，但对实际采用至关重要。最后，通过整合衍生物基复合材料、智能包装功能、文献计量映射和工业转化这四个维度，本综述提供了一种整体性和前瞻性的视角，不仅总结了研究现状，还为壳聚糖基食品保鲜包装的未来研发提供了可操作的指导。我们相信这种多维度的方法旨在同时支持学术研究者理解基本的结构-性能关系以及工业从业者将这些材料转化为实际应用。

为阐明壳聚糖基智能包装系统的研究格局和新兴趋势，基于从Web of Science核心合集（WoSCC）检索的出版物进行了文献计量分析。文献检索于2026年8月1日执行，使用Topic字段，采用与壳聚糖基材料、食品包装、保鲜、新鲜度监测和智能传感系统相关的预定检索策略。出版物限定为2020至2026年间发表的研究论文和综述论文。虽然2026年的出版年份尚不完整，但仍被纳入分析，因为在2026年前196天记录的出版物数量已经超过了2025年全年产出的一半。共检索并分析了1260篇出版物。如图2所示，近年来该领域的研究活动大幅增加，中国贡献的出版物数量最多。食品科学与技术是主要研究领域，而《国际生物大分子杂志》是最活跃的期刊，表明基于聚合物的功能材料在壳聚糖相关智能包装研究中的突出地位。

为进一步识别知识结构和研究主题，使用VOSviewer基于作者关键词进行了关键词共现分析（图1）。选择出现次数至少10次的关键词，生成了一个包含75个关键词节点的网络，这些节点来自2677个已识别的关键词。分析采用全计数法进行，并进行了关联强度归一化，应用了默认的基于模块度的聚类算法（分辨率 = 1.00）。生成的网络包含6个聚类、846个链接和总链接强度为1780。关键词网络表明，当前研究主要聚焦于壳聚糖基功能包装材料的开发及其与智能传感技术的整合。中心关键词，包括"chitosan"（壳聚糖）、"intelligent packaging"（智能包装）、"active packaging"（活性包装）、"anthocyanin"（花青素）和"freshness monitoring"（新鲜度监测），反映了可生物降解聚合物基质与颜色响应指示剂的整合，用于实时食品质量评估，而与抗菌活性、抗氧化活性和保质期相关的术语表明了保鲜功能的并行发展。

制备壳聚糖基防腐材料的方法

壳聚糖在食品保鲜应用中前景广阔；然而，原始壳聚糖材料无法满足实际包装的所有性能要求。因此，当前的研究努力致力于通过多样的制备策略对壳聚糖进行改性，以优化其物理化学和生物学性质。这些策略需要全面理解壳聚糖的来源和固有特性，同时应用物理改性、

壳聚糖基防腐材料的性能调控

壳聚糖基保鲜材料物理化学和功能特性的调控是其在食品保鲜中应用的核心。通过审慎选择制备策略，关键性能属性——包括机械强度、阻隔性能、抗菌和抗氧化活性，以及热稳定性、光学透明度和生物降解性——可得到显著改善，从而满足各类食品多样化的保鲜需求。

壳聚糖基食品保鲜材料的应用与策略

壳聚糖及其衍生物在食品保鲜中具有广泛的应用，主要以包装薄膜和可食用涂层的形式[78]。这些应用旨在通过直接接触或形成保护屏障来延长食品保质期，从而抑制微生物生长和氧化反应，同时保持食品的感官和营养品质[79]。

壳聚糖基食品包装中的变色指示剂

智能包装是食品保鲜领域的主要研究方向。通过整合传感器、指示剂或响应材料，它能够实现食品新鲜度的实时监测和视觉指示[94], [95]。壳聚糖及其衍生物作为变色指示剂的基质很合适，因为它们易于功能化并与一系列指示剂化合物兼容。食品在储存和运输过程中的变质本质上是多种因素共同作用的结果。

未来展望

基于壳聚糖及其衍生物的复合食品保鲜包装在过去几十年中取得了重大进展，其作为传统塑料包装的有前景的可持续替代品已占据一席之地。然而，迈向大规模商业应用的道路仍充满挑战，同时也存在进一步发展的可观机遇。未来的研究开发工作应聚焦于以下几个优先领域。

结论

本文综合回顾了基于壳聚糖及其衍生物的复合食品保鲜包装的最新研究进展，深入探讨了其制备策略、性能调节、智能包装功能和应用程序。作为一种天然、可生物降解、无毒的多糖，壳聚糖具有固有的抗菌和抗氧化特性，为开发环保食品包装材料奠定了坚实基础。

缩略语
PE：聚乙烯
PP：聚丙烯
CS：壳聚糖
CNC：纤维素纳米晶体
TPP：三聚磷酸酯
KC：魔芋葡甘聚糖/羧甲基壳聚糖
SL-CC：虫胶-壳聚糖复合薄膜
SA：海藻酸钠
PVA：聚乙烯醇
HACC：羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖
CNF：纤维素纳米纤维
VA：香兰素
Ca：钙
SSOS：辛烯基琥珀酸钠淀粉
HTCC：季铵化壳聚糖
CQAS：季铵化壳聚糖
CSDA：脱氢松香酸改性壳聚糖
EWP：蛋清蛋白
GCNPs：麦谷蛋白/酪蛋白纳米粒
ZTNPs：[缩写]

CRediT作者贡献声明
Zhuozhen Li：撰写——原稿、调查研究、形式分析、数据整理。Xiaoyue Niu：撰写——原稿、研究方法。Yue Cao：研究方法、形式分析、数据整理、概念化。Shan Tang：软件。Yichen Zhang：形式分析。Jiefu Hai：软件。Xiao Feng：研究方法。Matthew Tsunlung Li：形式分析。Jianwei Li：撰写——原稿、研究方法。Tian Zhong：撰写——审阅与编辑、监督指导。Ying Xiao：撰写——审阅与编辑。

资金支持
本研究得到了澳门特别行政区科技发展基金（资助号 0108/2024/RIB2, 0148/2026/AGJ）、省人才项目（2023QN10N282）以及广东省2025年国际科技合作专项（2025A0505020027）的支持。

利益冲突声明
已从先前发表的来源获得所有必要的许可，以复制其中的图像、图表和表格。作者完全有权访问本综述中包含的数据，并对其完整性负责。作者声明不存在可被视为利益冲突的商业、财务或个人关系。

Zhuozhen Li|Xiaoyue Niu|Yue Cao|Shan Tang|Yichen Zhang|Jiefu Hai|Xiao Feng|Matthew Tsunlung Li|Jianwei Li|Tian Zhong|Ying Xiao|Xi Yu