《International Journal of Biological Macromolecules》：Nanomaterial-reinforced biodegradable guar gum/gelatin composite films for shelf-life extension of perishable fruits
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摘要易腐水果由于采后易受质量劣化的影响，保质期较短。实施适当的保鲜措施是保持水果品质、提高市场价值的有效策略。然而，传统聚乙烯薄膜不仅功能有限，还对白色污染有显著贡献。因此，多功能生物活性复合薄膜的开发日益受到关注。本研究采用溶液浇铸法制备了瓜尔胶-明胶复合薄膜，并用肉桂醛改
摘要
易腐水果由于采后易受质量劣化的影响，保质期较短。实施适当的保鲜措施是保持水果品质、提高市场价值的有效策略。然而，传统聚乙烯薄膜不仅功能有限，还对白色污染有显著贡献。因此，多功能生物活性复合薄膜的开发日益受到关注。本研究采用溶液浇铸法制备了瓜尔胶-明胶复合薄膜，并用肉桂醛改性ZnO纳米粒子（Cin-m-ZnO NPs）进行增强。结构表征表明，将Cin-m-ZnO NPs引入瓜尔胶-明胶基质中形成复合薄膜，有效改善了其阻隔性能、力学强度和抗菌活性。具体而言，含有7%（w/w，基于瓜尔胶和明胶总重）Cin-m-ZnO（7% Cin-m-Z-GG-G）的复合薄膜对大肠杆菌（Escherichia coli）的抑菌率为92.95%，对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抑菌率为66.18%。土壤降解试验表明，该新型复合薄膜在3周内几乎完全可生物降解。在水果保鲜应用中，7% Cin-m-Z-GG-G薄膜不仅有效降低了桑葚和草莓的腐败指数、失重和软化程度，还保持了其品质，从而分别将这两种水果的保质期延长了6天和4天。因此，这种肉桂醛改性ZnO纳米粒子增强复合薄膜成为一种功能性、环保材料，代表了可持续易腐水果包装的可生物降解替代品。
引言
草莓和桑葚等浆果富含花青素，具有出色的健康益处，因此受到市场的显著青睐。然而，这类水果通常水分含量较高、果皮较薄、呼吸速率较高，采后极易失水、萎蔫、软化、褐变和腐烂，导致经济损失[1]。包装薄膜是一种常用的保鲜方法，可保护水果免受外部有害因素的影响。传统石油基包装材料因其成本低廉和性能稳定而备受青睐，约占塑料包装市场的90%[2]。然而，这些材料难以降解，会造成微塑料污染，且依赖不可再生的化石燃料资源[3]。
对可持续性和功能性水果包装日益增长的需求推动了可降解聚合物的研究，这些聚合物来源于可再生资源，如多糖和蛋白质。瓜尔胶（GG）是一种广泛使用的半乳甘露聚糖多糖，来源于瓜尔豆（Cyamopsis tetragonoloba）。瓜尔胶因其优异的增稠、乳化、稳定和凝胶性能，被广泛应用于食品、医药和农业行业[4]。然而，仅基于GG的薄膜往往存在力学强度低、亲水性强和功能活性不足等局限性[5]。明胶是一种具有优异成膜性的胶原蛋白水解产物，常用于可生物降解包装材料的生产[6]。将GG与明胶混合可通过分子间相互作用改善薄膜的力学完整性和阻隔性能[7]、[8]。然而，瓜尔胶-明胶复合薄膜（GG-G）仍然缺乏足够的抗菌和紫外屏蔽功能，而这些功能对于活性水果保鲜至关重要。
将功能性材料掺入生物聚合物基质中是赋予或增强所需性能的有效策略[9]。ZnO纳米粒子（ZnO NPs）因其优越的特性而引起了显著的研究兴趣，包括优异的热稳定性、低毒性、有效的紫外屏蔽能力和固有的抗菌活性[10]。此外，ZnO NPs被美国食品药品监督管理局认定为"公认安全"（GRAS）[11]。然而，ZnO NPs的高表面能导致其在聚合物基质中团聚，降低了薄膜的均匀性、透明度和功能效果[12]。因此，对ZnO NPs进行表面改性对于改善其分散性和界面相容性至关重要[13]。此外，植物来源的天然成分是提高生物基薄膜性能的另一种常用策略，归因于其优异的安全性和显著的生物活性[14]。
一些研究表明，用天然产物改性ZnO NPs可减少纳米粒子团聚，改善其分散性，并提高改性纳米材料的整体性能[13]、[14]、[15]、[16]。这些策略进一步支持了纳米粒子介导的缓释系统在基于生物聚合物的水果保鲜中的可行性。肉桂醛（Cin）是肉桂油的主要生物活性成分，是一种具有GRAS状态和广谱活性的天然抗菌剂[17]。然而，由于其挥发性和快速释放，将其直接掺入薄膜中受到限制。虽然有机试剂改性ZnO NPs的研究已有报道，但肉桂醛改性ZnO纳米粒子（Cin-m-ZnO）对瓜尔胶-明胶复合薄膜结构-性能关系的具体影响尚未见报道[13]、[14]。
本研究旨在制备一种具有优异抗菌和保鲜性能的可降解复合薄膜。首先，成功制备了Cin-m-ZnO。随后，将改性活性纳米粒子通过溶液浇铸法整合到GG-G复合薄膜中。采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、紫外-可见光谱、水接触角测量和抗菌试验，系统研究了Cin-m-ZnO掺入对复合薄膜物理性能、阻隔性能、光学性能、抗菌性能和生物降解性能的影响。在此基础上，评估了优化复合薄膜对草莓和桑葚的保鲜效果，证实了其作为活性可生物降解水果包装材料的潜力。近期研究还表明，纳米粒子包合物的掺入可以有效提高明胶基复合薄膜的整体性能[18]。
章节摘要
实验材料
瓜尔胶、明胶、ZnO NPs（50 ± 10 nm）、KH550和肉桂醛购自上海麦克林生化科技有限公司（所有试剂均为分析纯）。金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）购自北京林业大学理学院。草莓和桑葚购自中国北京当地超市。
肉桂醛改性ZnO纳米粒子的制备
将KH550（30% w/w，基于ZnO NP重量）在乙醇溶液中水解。随后，加入0.4 g
ZnO纳米粒子的表征
通过一系列表征技术证实了ZnO NPs的成功改性。FTIR分析提供了成功化学接枝的证据：m-ZnO表现出特征性的Si-O-Si和Zn-O-Si振动，而Cin-m-ZnO在1633 cm
?1处显示出C
N伸缩峰和苯环振动，证实了肉桂醛与氨基化ZnO表面之间形成了席夫碱键（图1A）[14]。TGA结果表明KH550的接枝量为
结论
在本研究中，成功制备了用肉桂醛改性ZnO NPs增强的瓜尔胶-明胶基复合薄膜，并研究了其对物理性能、阻隔性能和抗菌性能的影响。结果表明，与对照薄膜相比，添加Cin-m-ZnO NPs增强了紫外屏蔽能力，改善了力学性能，降低了水蒸气透过率（WVP）。同时，显著提高了抗菌性能。此外，复合
缩略词
| 缩略词 | 全称 |
|---|
| Cin-m-Z-GG-G | 肉桂醛改性ZnO-瓜尔胶-明胶 |
| Cin-m-ZnO | 肉桂醛改性ZnO |
| CK | 空白对照 |
| E. coli | Escherichia coli（大肠杆菌） |
| EAB | 断裂伸长率 |
| FTIR | 傅里叶变换红外光谱 |
| GG-G | 瓜尔胶-明胶 |
| GRAS | 公认安全 |
| KH550 | 3-氨丙基三乙氧基硅烷 |
| MC | 水分含量 |
| m-Z-GG-G | 改性ZnO-瓜尔胶-明胶 |
| m-ZnO | 改性ZnO |
| NPs | 纳米粒子 |
| PE | 聚乙烯 |
| ROS | 活性氧 |
| S. aureus | Staphylococcus aureus（金黄色葡萄球菌） |
| SEM | 扫描电子显微镜 |
| TG | 热重分析 |
| TS | |
CRediT作者贡献声明
Zhuoya Liang：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，调查研究，形式分析，数据管理。Yuchao Tang：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，形式分析，数据管理。Hongyan Chen：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资助获取，概念化。
利益冲突声明
作者确认，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能对本研究的结果产生潜在影响。
致谢
本研究得到了新疆维吾尔自治区重点研发项目（2025B04041-002）的资助。
Zhuoya Liang|Yuchao Tang|Hongyan Chen
