氯化钙增强及原位合成ZnO@MgO纳米异质结构的功能化海藻酸钠-壳聚糖包装纳米薄膜

《RSC Advances》：Functional alginate-chitosan packaging nanofilms enhanced with calcium chloride and in situ synthesized ZnO@MgO nano-heterostructuresOpen Access

　　

可生物降解材料在食品包装中的应用作为传统塑料的可持续替代品日益受到关注。本研究以海藻酸钠（NaAlg）为主要聚合物基质，添加不同浓度的壳聚糖（Ch），制备了负载氯化钙的纳米薄膜，形成三种配方（NF1–NF3）。这些薄膜进一步用双金属ZnO@MgO纳米颗粒增强以提升功能。进行了全面的表征以评估结构、形态、热学和力学性能。FTIR分析证实NaAlg与Ch之间存在强相互作用，表明成功形成了共混聚合物网络，同时特征谱带证实了纳米颗粒的掺入。SEM观察表明，壳聚糖含量增加导致薄膜表面更致密、更粗糙，提示分子间相互作用增强。热分析显示，与纯聚合物相比，纳米薄膜的稳定性提高，这可能归因于交联效应和无机纳米颗粒的存在。力学测试显示，与纯海藻酸盐薄膜相比，所有配方的拉伸性能均有所增强。使用Vero和Wi-38细胞系进行的生物相容性评估证实低细胞毒性，细胞活力保持在安全限度以上。 antimicrobial活性随壳聚糖和纳米颗粒含量增加而显著提高，其中NF3对测试微生物表现出最强的抑制作用。此外，抗氧化活性逐步提高，在NF3中达到87.50%。而且，所配制薄膜在土壤中的生物降解迅速。钙和双金属离子迁移测试在食品模拟体系中表现出受控释放。总之，所开发的用ZnO@MgONPs增强的海藻酸盐–壳聚糖纳米薄膜表现出增强的理化、力学、抗菌和抗氧化性能，突显其作为安全有效的可生物降解活性食品包装材料的强大潜力。

**论文解读：基于海藻酸钠-壳聚糖/ZnO@MgO纳米异质结构的可生物降解活性食品包装纳米薄膜**

**研究背景与问题**

传统塑料食品包装虽性能优异，但其不可降解性造成日益严重的环境负担，因此开发可持续替代材料成为研究热点。生物聚合物因其可再生性、生物相容性和成膜能力而备受关注，其中海藻酸钠（sodium alginate, NaAlg）和壳聚糖（chitosan, Ch）来源广泛、无毒、适于食品接触。然而，纯NaAlg薄膜存在阻隔性能差、力学强度不足、抗菌活性有限等缺陷，限制了其在食品包装中的实际应用。为克服上述局限，研究者常将NaAlg与互补生物聚合物共混，或向聚合物基体中添加无机纳米颗粒以增强结构和功能。金属氧化物纳米颗粒如ZnO和MgO可改善聚合物的热学、力学及抗菌性能；双金属纳米颗粒因两种金属氧化物的协同作用，往往比单金属体系具有更高的活性和稳定性。此外，氯化钙（CaCl₂）可作为海藻酸盐链的交联剂，稳定三维网络结构，并作为保鲜剂用于新鲜农产品。基于此，本研究旨在制备负载氯化钙、含有原位合成双金属ZnO@MgO纳米颗粒的海藻酸钠-壳聚糖复合纳米薄膜，并系统评价其理化性质、生物安全性及功能性，以期为传统食品包装提供绿色、可降解且具有活性的替代方案。

**研究内容与技术方法**

研究人员采用绿色制备路线，以NaAlg（10%，w/v）为主要基质，分别添加不同浓度（1%、3%、5%，基于NaAlg干重）的壳聚糖，配制三种纳米薄膜配方NF1、NF2和NF3。在含聚合物的溶液中加入锌盐和镁盐（固定浓度为NaAlg干重的1%），利用NaAlg和Ch的官能团作为稳定剂、封端剂和还原剂，原位合成双金属ZnO@MgO纳米颗粒，并以甘油为增塑剂，经超声、浇铸成膜后用1% CaCl₂溶液交联处理。对薄膜进行了多维度表征：使用万能试验机测定拉伸强度和伸长率；使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学结构及分子间相互作用；使用热重分析（TGA）评价热稳定性；使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）结合能量色散X射线光谱（EDS）观察表面形貌和元素分布。生物安全性采用MTT法在Vero和Wi-38正常细胞系上评价细胞毒性；抗菌活性针对革兰氏阴性菌（大肠杆菌Escherichia coli ATCC 25922、铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853）、革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus ATCC 25923、枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis ATCC 6051）、单细胞真菌（白色念珠菌Candida albicans ATCC 90028）和丝状真菌（巴西曲霉Aspergillus brasiliensis ATCC 16404）通过抑菌圈法测定；抗氧化活性采用DPPH自由基清除法评估；生物降解性通过土壤掩埋实验测定4周内重量损失；金属离子迁移实验在4%（v/v）乙酸食品模拟液中进行，使用火焰原子吸收光谱仪定量钙、镁和锌的释放量。

**研究结果**

**纳米薄膜的表征**

力学测试显示，纯海藻酸钠膜（NF0）拉伸强度仅为8 ± 0.9 MPa，伸长率为59 ± 11%。添加壳聚糖和纳米颗粒后，NF1拉伸强度提高至12 ± 2.2 MPa，伸长率124 ± 12%；NF2力学性能最佳，拉伸强度达17 ± 1.9 MPa，伸长率149 ± 14%；NF3拉伸强度为14 ± 2.5 MPa，略低于NF2但高于NF0和NF1，而伸长率最高达159 ± 13%。可见适量壳聚糖通过静电复合、纳米颗粒增强和钙离子交联协同作用优化了力学性能，但过量壳聚糖可能导致基质异质化或部分聚集，降低应力传递效率。

FTIR光谱证实NaAlg与Ch之间存在强分子间相互作用。NaAlg特征谱带（羟基伸缩振动3271 cm^?1、羧酸根不对称伸缩1633 cm^?1、对称伸缩1444 cm^?1、糖苷键1072 cm^?1）和壳聚糖特征谱带（N–H与O–H重叠伸缩3318 cm^?1、酰胺I 1651 cm^?1、酰胺II 1561 cm^?1、酰胺III 1369 cm^?1、糖苷键1018 cm^?1）在纳米薄膜中发生位移。NF1–NF3中羟基带移至3283–3294 cm^?1，羧酸根与酰胺I重叠带移至约1607 cm^?1，表明聚合物间形成氢键和静电相互作用。NF3中在738、660、529和477 cm^?1处出现无机氧化物特征带，证实ZnO@MgO纳米颗粒成功引入。

TGA分析表明，所有样品在150 °C以下因物理吸附水蒸发而失重；200–350 °C发生聚合物主链热分解。纯壳聚糖热稳定性低于NaAlg。纳米薄膜（NF1–NF3）因ZnO@MgONPs的增强效应和NaAlg–Ch聚电解质络合作用，热分解更慢、高温残余质量更高，其中NF3具有最高的残炭量和热稳定性，且600 °C以上较高的残余量证实了无机金属氧化物的存在。

**微观结构**

SEM观察显示，NF1表面粗糙、结构致密但不均匀，高倍镜下呈多孔结构和不规则孔洞；NF2表面更光滑、均一，呈现相互连接的孔/纤维结构；NF3表面粗糙且更致密，高倍镜下可见颗粒状或聚集区域，这可能归因于较高壳聚糖含量下ZnO@MgONPs的沉积或部分团聚，以及海藻酸盐-壳聚糖相互作用增强。数字照片显示所有薄膜均连续、柔韧、无裂缝，其中NF3因壳聚糖和纳米颗粒含量更高而显得更厚、更不透明。EDS和元素分布图证实碳、氧、钠、钙、镁、锌元素存在于薄膜基质中，且钙、镁、锌离子在表面均匀分布，表明双金属纳米颗粒和氯化钙交联剂成功引入。

**生物安全性**

细胞毒性实验使用Vero和Wi-38正常细胞系。NF0（不含纳米颗粒的聚合物膜）在两种细胞系中均表现出最高的细胞活力，证实NaAlg和Ch的固有生物相容性。NF1–NF3随纳米颗粒含量增加，细胞活力略有下降，但所有样品活力均≥70%，符合非细胞毒性标准。轻微活力降低归因于Zn²⁺释放及活性氧（ROS）产生的温和氧化应激。壳聚糖通过稳定纳米颗粒、减少聚集和控制离子释放发挥保护作用，从而降低细胞毒性。Wi-38细胞较Vero细胞略敏感，可能与其人成纤维细胞来源及对氧化应激更敏感有关。总体上，所有纳米薄膜均满足食品接触材料的安全性要求。

**抗菌活性**

抗菌实验表明，NF0（不含金属氧化物）对测试微生物几乎无抑制作用。纳米薄膜NF1–NF3表现出明显的浓度依赖性抗菌活性，顺序为NF3 > NF2 > NF1 > NF0。NF3对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌圈分别为13 ± 1.0、10.7 ± 0.40、25.3 ± 0.58、20.6 ± 1.15和9.1 ± 0.17 mm，但对巴西曲霉无抑制作用。抗菌增强机制包括：壳聚糖的聚阳离子结构破坏微生物细胞膜；ZnO纳米颗粒产生活性氧（ROS）、释放Zn²⁺离子并与微生物膜直接作用；MgO通过增加表面反应性和促进电子传递增强抗菌效果；较高壳聚糖含量改善纳米颗粒分散、减少聚集，提供更多活性位点。

**抗氧化活性**

DPPH实验测得NF0、NF1、NF2和NF3的抗氧化活性分别为21.83%、64.23%、78.66%和87.50%。NF0活性较低，归因于聚合物基质本身较弱的自由基清除能力。加入ZnO@MgONPs后（NF1）活性急剧升高，说明纳米颗粒通过提供电子供体/受体中和自由基，并因高比表面积促进氧化还原反应。NF2和NF3进一步升高，表明较高壳聚糖含量改善了纳米颗粒的分散和稳定，且壳聚糖的氨基和羟基与纳米颗粒产生协同清除自由基的作用。

**生物降解**

土壤掩埋实验4周内所有薄膜均发生降解。前两周NF0降解最快（21.31%和31.37%），NF1–NF3因纳米颗粒增强结构完整性、限制水分和微生物进入而降解较慢。第三周NF0、NF1和NF2降解率接近（39.62–42.12%），NF3最低（31.45%）。第四周NF1降解率最高达64.00 ± 1.72%，显著高于其他配方；NF0、NF2和NF3分别为48.48%、52.32%和45.95%。低含量纳米颗粒在初期保护薄膜，但长期土壤暴露引起水解、溶胀和微生物定殖，促进NF1快速碎裂；高含量纳米颗粒（NF2、NF3）形成致密基质，在掩埋阶段保持结构稳定从而减缓降解。所有配方4周重量损失45.95–64.00%，证实其可生物降解性。

**迁移测试**

在食品模拟液中，NF0钙迁移量最高（5.09 ± 0.24 μg mL^?1），随纳米颗粒含量增加逐渐降至NF3的3.19 ± 0.25 μg mL^?1，归因于Ca²⁺与海藻酸盐结合增强及聚合物-纳米颗粒相互作用抑制其释放。镁和锌的迁移量从NF1到NF3持续增加，但NF3中锌最大迁移量为3.35 ± 0.21 μg mL^?1，远低于欧盟食品接触材料法规规定的特定迁移限（SML）5 mg kg^?1。钙和镁为膳食矿物质，法规未设特定迁移限，前提是不影响食品质量和消费者安全。低离子释放表明薄膜基质完整性良好，仅允许有限的离子扩散，符合活性可降解食品包装材料要求。

**讨论与结论**

讨论部分指出，ZnO@MgONPs与壳聚糖协同作用赋予薄膜优异的抗菌和抗氧化功能，而CaCl₂交联强化了结构稳定性。纳米颗粒的引入在初期延缓生物降解，但长期仍可降解，实现了使用期内力学强度与环境降解之间的平衡。金属离子迁移量符合法规标准，证明其安全性。研究结论强调，含有双金属ZnO@MgO纳米颗粒和氯化钙的海藻酸钠-壳聚糖纳米薄膜被成功制备为可生物降解食品包装材料；薄膜组分间及与无机相间存在强相互作用，其力学性能和热稳定性优于纯海藻酸钠膜；较高壳聚糖含量赋予薄膜更致密的结构和更好的综合性能；所开发的纳米薄膜表现出良好的生物安全性，抗菌和抗氧化活性随纳米颗粒及壳聚糖含量增加而增强，其中NF3性能最优；所有薄膜均满足食品接触材料安全要求，且具有可控降解和低金属迁移特性。这些发现表明，所制备的纳米薄膜有望作为高效活性包装体系，改善食品安全、延长货架期，并对微生物污染和氧化变质提供多重防护。