蛋白质基与复合生物聚合物薄膜及涂层在可持续食品包装中的研究进展：综述

《Journal of Natural Fibers》：Protein-Based and Composite Biopolymer Films and Coatings for Sustainable Food Packaging: A Review

　　

市场对合成包装材料可持续替代品日益增长的需求，促使研究人员对环保型蛋白质基薄膜与涂层的关注度不断提升。这些可生物降解材料来源于植物蛋白、动物蛋白及微生物蛋白等多种可再生资源，为减轻环境负担提供了极具前景的解决方案。本综述对蛋白质基薄膜与涂层进行了全面概述，特别聚焦于活性成分的引入以增强其功能特性。文章围绕这些材料在食品包装与保鲜中的性能表现，系统讨论了其物理、机械及微生物学属性。物理特性方面，研究人员结合蛋白质结构及组成，探讨了材料对水分、氧气及气体的阻隔能力；机械特性方面，通过评估抗拉强度（Tensile Strength, TS）与柔韧性等指标，确定了薄膜在不同工业应用场景中的耐久性与适用性。此外，本综述还深入分析了微生物学特性，尤其关注抗菌剂、抗氧化剂及生物活性化合物的整合策略，以延长食品货架期并提升食品安全性。通过梳理近年来的研究进展与面临的挑战，本文阐明了蛋白质基薄膜与涂层作为环境可持续包装解决方案的巨大潜力，并指出了未来优化其功能性与可规模化生产的研究方向。

引言

随着合成包装材料的广泛使用，消费者对健康与环境可持续性的关注日益增强。传统塑料基包装材料不可生物降解，在其生命周期中伴随温室气体（如CO₂和CH₄）的排放，加剧了气候变化问题，并在环境中持续累积，凸显了开发可生物降解替代品的紧迫性。近年来，学术界与工业界将研究重心转向以植物和动物为基础的可再生原料。可食用薄膜与涂层因其可生物降解性，不仅能有效利用食品工业副产物、提升加工系统经济效益，还被认为是一种延长各类食品货架期的先进技术。与常规塑料包装相比，可食用薄膜与涂层在环境兼容性、化学安全性及消费者接受度方面均表现出优势，其降解过程通过微生物酶促作用完成，最终产物为CO₂、CH₄、水及生物质。全球生物塑料市场在2025年估值约为184亿美元，预计至2033年将达到约674亿美元，2026至2033年间的复合年增长率（Compound Annual Growth Rate, CAGR）约为17.6%。在此背景下，研究人员致力于改善可生物降解薄膜的机械、物理及物理化学性能，以使其达到与合成包装材料相当的性能水平。

蛋白质基薄膜与涂层

蛋白质是一类可为球状或纤维状的生物聚合物。其包装相关理化性质取决于氨基酸序列，而不同聚合物链之间的共价键可增强聚合物结构并促进薄膜成型。蛋白质分子结构（尤其是α-螺旋和β-折叠等二级结构组分的折叠与展开）决定了其凝胶形成能力。此外，蛋白质具有良好的成膜潜力、热稳定性以及较低的油水结合能力，使其成为开发可生物降解薄膜与涂层的理想候选材料。通过引入活性化合物，蛋白质基薄膜与涂层的技术功能特性可得到进一步提升。

薄膜与涂层的常用制备技术

溶液浇铸法（Solution Casting Method）是实验室规模制备蛋白质基可食用薄膜最广泛使用的方法，包含三个主要步骤：聚合物溶解、成膜溶液浇铸以及控制干燥以获得固态薄膜。制备过程中，生物聚合物首先溶解于适宜溶剂（通常为水相体系），并常添加甘油和山梨糖醇等增塑剂以改善柔韧性与机械完整性。成膜基材类型显著影响薄膜的均匀性、剥离性及表面特性，常用基材包括聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）板（利于均匀干燥与脱模）、玻璃板（提供高表面光滑度）、硅胶模具（适合厚膜或多层膜制备）以及亚克力或塑料板。

挤出法（Extrusion Method）是商业化层面主要的聚合物加工技术之一，可改变材料结构并改善其理化性质。挤出工艺通常分为进料区、压缩区和计量区三个区域，分别实现物料输送、压缩熔融以及均化与排出。此方法使用少量溶剂，因此被称为干法工艺。温度、应变和混合物密度在捏合区中逐步增加，机械能与热能共同参与成膜。螺杆转速对薄膜的均匀性、剪切速率和剪切应力具有显著影响，升高转速会降低扭矩值。

涂覆技术（Coating）取决于待涂覆食品的性质、表面特性及涂覆目的。涂覆溶液在食品表面的应用伴随黏附过程，涉及涂层与食品表面之间的分布。常用方法包括喷涂法（Spraying）、浸渍法（Dipping）和流化床涂覆法（Fluidized-bed Coating）。喷涂法通过喷嘴形成液滴并分散于食品表面；浸渍法包含浸没、沉积和溶剂蒸发三个步骤；流化床涂覆法则适用于低密度、小尺寸的干燥颗粒。

蛋白质基薄膜与涂层的物理特性

厚度（Thickness）：蛋白质基薄膜的厚度通常在0.001至0.19 mm之间，取决于蛋白来源、配方和加工条件。成膜溶液的固含量是决定厚度的主要因素之一。鱼肌原纤维蛋白（Fish Myofibrillar Protein, FMP）薄膜经甘油-山梨糖醇增塑后厚度极薄（0.012–0.013 mm），而酪蛋白基薄膜因分子聚集和强网络结构表现出最高厚度（可达0.19 mm）。乳清分离蛋白（Whey Protein Isolate, WPI）薄膜厚度范围为0.010–0.090 mm，添加迷迭香精油后因总固形物增加及疏水相互作用增强，厚度增至0.020–0.148 mm。薄膜厚度还受涂覆溶液黏度、表面张力和密度等理化性质的调控，浸渍法通常产生比浇铸法或喷涂法更厚的涂层。

颜色（Color）：颜色是可食用薄膜与包装材料的重要品质属性，常用Hunter Lab色度系统评价，以L*（亮度）、a*（红/绿）和b*（黄/蓝）表示。蛋白质薄膜的颜色参数范围为L*（0.027–94.30）、a*（?4.87–14.22）和b*（?15.13–38.38）。植物提取物的加入会显著降低a*值；纳米颗粒因团聚导致光散射增加而降低透明度；增塑剂类型对颜色的影响大于其浓度。

光透射率（Light Transmission）：蛋白质基薄膜因含有芳香族氨基酸而对紫外线（Ultraviolet, UV）具有优异的阻隔性能。乳清蛋白浓缩物-纳米晶纤维素（Whey Protein Concentrate–Nanocrystalline Cellulose, WPC–NCC）复合膜在转谷氨酰胺酶（Transglutaminase, TGase）作用下透射率升高；大豆蛋白的添加可显著降低280 nm处的UV透射率。脂质液滴及精油颜色组分也会影响光透射率。

透明度（Transparency）：透明度直接影响消费者接受度。蛋白质基薄膜通常呈浅色至淡黄色，透明度受到蛋白来源与类型、微观结构、加工条件以及纳米颗粒和精油等添加剂的影响。明胶膜因来源（牛、猪、鱼）不同而透明度各异。蒸汽高压处理可促进玉米醇溶蛋白（Zein）由α-螺旋向β-折叠转变，从而提高透明度。壳聚糖纳米颗粒和肉桂精油则会降低透明度。

水蒸气透过率（Water Vapor Permeability, WVP）：蛋白质薄膜的WVP范围为0.97×10^?6 g·m/m²·s·Pa至9.47×10^?9 g·m/m²·s·Pa。松针提取物（Pine Needle Extract, PNE）在5–10%浓度下可使WVP降低超过18%，归因于酚类化合物促进蛋白质基质中分子间相互作用，形成更致密的膜结构。转谷氨酰胺酶催化蛋白质分子间共价交联，可显著降低壳聚糖-藜麦蛋白膜的WVP。然而，蛋白质及增塑剂的高亲水性使蛋白质薄膜通常被认为是较差的水蒸气阻隔材料。

氧气透过率（Oxygen Permeability）：外界氧气进入食品会严重影响食品品质与货架期，导致脂质氧化和维生素损失。大豆蛋白与聚乙烯共挤出制备的单层及多层膜可大幅降低氧气透过率。添加15%（w/w蛋白）蒙脱土（Montmorillonite, MMT）的WPI薄膜在甘油和山梨糖醇增塑后氧气透过率分别降低91%和84%。贮存期间，多肽链共价与非共价相互作用的变化进一步降低了氧气透过率。蛋白质薄膜在CO₂透过方面同样表现出色。

机械特性：抗拉强度与断裂伸长率

蛋白质基薄膜的抗拉强度（Tensile Strength, TS）范围为0.3至104.48 MPa，断裂伸长率（Elongation at Break, EAB）范围为0.16%至305.90%。一般而言，蛋白质基薄膜因分子间存在广泛的氢键、疏水相互作用及二硫键交联，其抗拉强度和机械完整性优于大多数多糖基薄膜。升高蛋白质浓度、加工温度和碱性条件可提升抗拉强度，而增塑剂浓度增加则导致抗拉强度下降、断裂伸长率升高。增塑剂类型（甘油、山梨糖醇、聚乙二醇、蔗糖）及其比例对机械性能具有显著影响，其中甘油使延伸率增幅最大而抗拉强度降幅最大。胶原蛋白因其三股螺旋结构中普遍存在的氢键而具有极高的抗拉强度，但过度交联会导致脆性增加。转谷氨酰胺酶催化的交联反应可提高乳清蛋白膜的平均抗拉强度，多层膜较单层膜在抗拉强度和断裂伸长率方面均有所改善。

蛋白质基薄膜与涂层的抗菌活性

蛋白质基薄膜中可引入多种天然来源抗菌剂，包括细菌素、乙二胺四乙酸（Ethylene Diamine Tetraacetic Acid, EDTA）、酸化剂、抗菌酶、植物提取物、精油（Essential Oils, EOs）及金属纳米颗粒（Nanoparticles, NPs）等。精油通过攻击磷脂双分子层、干扰酶系统和破坏细菌遗传物质等多种机制发挥抗菌作用。纳米颗粒（如氧化锌纳米颗粒ZnONPs、纳米银和二氧化钛TiO₂）不仅具有广谱抗菌活性，还可增强薄膜的阻隔性能。含多酚的可食用薄膜兼具防腐和减少食源性疾病的功能。研究表明，含苯甲酸的薄膜对大肠杆菌（Escherichia coli）抑菌圈直径最大（11.76 mm），含乳酸的薄膜最小（10.44 mm）。乳清分离蛋白膜负载肉桂精油可抑制单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、大肠杆菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）的生长。

蛋白质基包装材料的应用

农业领域：鲜切果蔬极易腐烂，蛋白质基可食用涂层在保鲜方面展现出巨大潜力。乳清蛋白涂层在油炸过程中可作为有效的水分和油脂阻隔层，降低鸡肉片的吸油量。酪蛋白基涂层因感官性能优异、营养价值高且保护性屏障特性良好而备受关注。将植物提取物、精油、多酚、壳聚糖纳米颗粒或抗菌剂等生物活性化合物引入可食用涂层，可有效延缓微生物腐败、抑制食源性病原菌并延长新鲜果蔬的货架期。

肉类货架期延长：明胶、乳清蛋白和玉米醇溶蛋白是食品工业中常用的三种蛋白。玉米醇溶蛋白因疏水性较高可形成强韧柔韧的薄膜，但在干燥环境中性能下降是其局限。含墨角藻（Fucus vesiculosus L.）乙醇提取物的乳清蛋白膜可抑制包装禽肉中的脂质氧化至少25天。壳聚糖与Z. multiflora精油的组合使鸡胸肉在4°C条件下贮藏20天。百里香或牛至精油（3%）掺入大豆蛋白涂层可在14天内抑制牛肉片中大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的生长。电纺玉米醇溶蛋白纳米纤维网封装百里酚/γ-环糊精包合物可有效抑制肉制品中细菌生长。

微胶囊化（Microencapsulation）：微胶囊化技术已成为提升蛋白质基可食用薄膜功能性的重要策略。该技术不仅能保护益生菌和生物活性化合物免受加工及胃肠消化的影响，还可实现活性成分在包装材料中的受控释放。蛋白质因其优异的成膜性、生物相容性和可降解性被广泛用作壁材，包括乳清蛋白、酪蛋白、明胶、大豆分离蛋白（Soy Protein Isolate, SPI）、豌豆蛋白及谷物蛋白等。封装后的抗菌剂、抗氧化剂、精油、天然提取物和酶可嵌入蛋白质基薄膜，实现持续释放，从而增强微生物抑制、延缓脂质氧化并延长包装食品的货架期。

未来展望

在环境问题日益严峻和促进可生物降解材料的监管政策推动下，从传统石油基塑料向可持续食品包装的转型预计将加速。未来研究应聚焦于提高蛋白质基薄膜的机械强度、耐水性、气体阻隔性及长期稳定性，以满足商业化食品包装的要求。纳米复合结构、多层系统、生物活性配方及新型交联策略的开发有望在保持可降解性的同时提升薄膜性能。另一重要方向是集成智能与活性包装功能（抗菌、抗氧化、新鲜度监测及腐败指示系统），以延长货架期、提高食品安全性并减少食品浪费。从工业角度看，成功商业化不仅取决于材料性能的改善，还需开发中试规模加工设备，实现连续浇铸、涂布、干燥、层压及卷对卷生产。此外，应制定关于生物降解性、食品安全性、迁移行为、感官接受度及货架期性能的标准化评价方案，并开展全面的生命周期评估和技术经济分析。

结论

文献调研表明，合成聚合物在食品及非食品领域仍占主导地位，但由于其潜在有毒分析物释放和不可降解性，研究重心已转向蛋白质基薄膜。此类材料以易得性、可再生性、理化特性稳定及优异的成膜性能成为极具价值的替代选择。通过改性，蛋白质基生物聚合物可满足多样化食品包装材料的需求。生物基智能活性包装材料在食品保鲜中发挥着关键作用：交联剂、增塑剂和抗菌剂等活性物质以不同方式改善包装材料的功能特性，而添加指示剂制备的智能活性包装材料有助于食品安全监控。纳米颗粒的引入以及分子结构调控以实现受控释放和传质的新型技术的发展，已对新型生物材料的制备与性能产生深远影响。纳米复合薄膜的开发可为精确设计具有所需功能特性的包装材料提供契机，利用具有抗菌和抗氧化特性的天然活性物质在贮藏期维持食品品质并延长货架期。然而，仍有许多领域有待进一步研究，以提升蛋白质基可食用薄膜与涂层的商业化性能。