《Food Hydrocolloids》：Bioactive Nanocomposite-Reinforced Biopolymer Films for Multifunctional Food Packaging
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•基于 KGM 与 QNC-ZnO 的多功能包装薄膜。•多组分协同增强力学和阻隔性能。•同时提高拉伸强度和伸长率。•抗菌率高达 99.75%（大肠杆菌）和 99.99%（金黄色葡萄球菌）。•对跃变型和非跃变型水果均具有有效保鲜作用。引言鉴于对全球食品安全和环境污染的担忧日益增
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基于 KGM 与 QNC-ZnO 的多功能包装薄膜。
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多组分协同增强力学和阻隔性能。
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同时提高拉伸强度和伸长率。
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抗菌率高达 99.75%（大肠杆菌）和 99.99%（金黄色葡萄球菌）。
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对跃变型和非跃变型水果均具有有效保鲜作用。
引言
鉴于对全球食品安全和环境污染的担忧日益增加，设计可生物降解的创新食品包装材料已成为食品科学领域的主要研究重点。尽管传统的石油基塑料包装材料，包括聚乙烯和聚丙烯，因其不可生物降解性导致了普遍的白色污染问题（Baishya 等，2025）。此外，现有的包装材料往往缺乏抗菌和透性等功能特性，这限制了它们在食品保鲜中的应用（Xin 等，2026）。在此背景下，天然多糖基材料因其丰富的资源、可生物降解性和良好的成膜能力而引起了广泛关注。其中，魔芋葡甘露聚糖（KGM）是一种源自天然的多糖，由 D-甘露糖和 D-葡萄糖通过 β-1,4 糖苷键连接而成。由于其优异的生物相容性和可生物降解性，该材料被认为是一种极具前景的生物基包装选择（Hu 等，2025；Ran & Yang，2022）。然而，其分子链上丰富的亲水性羟基导致分子间相互作用较弱。这些相互作用限制了材料的性能，从而限制了 KGM 的实际应用。具体而言，KGM 基薄膜通常表现出较差的机械性能、较低的热稳定性和高潮敏感性（C. Wu 等，2019）。此外，天然 KGM 的分子骨架由中性糖通过 β-1,4-糖苷键连接而成，缺乏阳离子杀菌基团（如季铵基团）和抗氧化酚羟基部分。因此，纯 KGM 薄膜表现出可忽略不计的本征抗菌活性（X. Du 等，2013；Y. Ni 等，2021）和较弱的抗氧化能力（H. Wang，Yuan 等，2024）。这种功能缺陷严重限制了它们在食品包装应用中提供主动保护的能力。因此，针对 KGM 基材料进行针对性改性对于克服这些局限性并增强其在先进食品包装中的应用至关重要。
构建基于 KGM 的纳米复合薄膜已成为一种可行的策略，通过引入纳米级填料和增强内部相互作用来克服 KGM 的固有缺陷。目前的方法主要分为两类：化学改性和物理共混。化学处理，如脱乙酰基化（P. Wang 等，2026）、羧甲基化（Cai & Zhang，2021）和单宁改性（Verni 等，2025），有助于调节分子结构并增强分子间相互作用，从而提高材料性能。另一方面，物理共混策略涉及引入功能性添加剂和优化加工技术。例如，含有二氢杨梅素（DMY）的 KGM 基薄膜表现出增强的热稳定性和增加的抗菌活性（Xie 等，2021）。同时，微流控吹纺技术实现了薄膜的快速制备并延长了切块水果的货架期（Lin 等，2025）。
基于这些策略，引入纳米复合材料已被证实是一种增强 KGM 基薄膜整体性能的优越方法。通过整合如氧化锌（ZnO）（Santhosh & Sarkar，2022；R. Wang 等，2023）、几丁质纳米晶（Cadavid 等，2025；Singh & Dutta，2020）和细菌纤维素纳米纤维（Acharya 等，2025；Yang 等，2023）等纳米填料，可以同时进行增强机械强度并引入功能特性。其中，纤维素纳米纤维（CNC）因其巨大的表面积、卓越的机械强度和良好的相容性而广泛用作增强剂。然而，纯 CNC 存在表面功能性有限、容易团聚和界面相容性不足的问题。这些局限性限制了它们在复合体系中的增强效率和协同效应（H. Du 等，2019）。为了克服这些局限性，季铵化改性已成为一种特别有效的策略（Ge 等，2024；Q.-Y. Ni 等，2024）。研究表明，季铵化纳米纤维素对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出优异的抗菌性能，并在消毒剂配方应用中显示出巨大潜力（Huang，2023）。然而，季铵化纤维素纳米纤维（QNC）和其他单填充体系的功能性相对有限，这限制了它们在食品包装应用中提供多功能性能的能力。为了解决这一瓶颈，研究人员开始探索多种纳米填料的协同效应。其中，氧化锌（ZnO）纳米材料因其天然的抗菌效果和优异的生物相容性而在食品包装领域受到越来越多的研究。ZnO 已被广泛应用于光催化（Asadpour 等，2022；Ong 等，2018）、气体传感（Guo 等，2022；Shrisha 等，2023）和生物医学（Mu 等，2025；Y. Wang 等，2024）等不同领域，并最近被引入食品包装系统。此外，通过表面改性或与材料杂化的策略，可以进一步增强 ZnO 的协同效应。例如，功能化或多组分整合可以显著提高抗菌性能（Foophow 等，2025；Na & Kang，2025）。
在本工作中，通过引入季铵化纳米纤维素（QNC）和氧化锌（ZnO）杂化纳米填料，制备了基于 KGM 的纳米复合薄膜。对制备的薄膜进行了全面分析，重点研究其微观结构特征、机械性能、疏水特性、可生物降解性和抗菌能力。通过番茄保鲜实验评估了它们在食品包装中的实际应用潜力。通过引入 QNC 和 ZnO 杂化纳米填料实现的界面协同效应和多尺度结构调控，为开发高性能、多功能 KGM 基食品包装材料提供了一种有效策略。
章节摘录
材料
本研究使用了分析级化学品和试剂，以及由实验室去离子系统产生的去离子水。魔芋葡甘露聚糖购自 Ron's Reagent Co., Ltd.（中国上海）。纤维素纳米晶（CNC）购自湖州山士新材料科技有限公司（中国湖州）。六水硝酸锌由上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）提供。六亚甲基四胺（HMTA）
QNC-ZnO 的表征
如图 1B 所示，FTIR 光谱在 3342 cm-1处显示出一个特征峰，该峰归因于 O-H 伸缩振动。2910 cm-1处的吸收峰对应于多糖骨架的脂肪族 C-H 伸缩振动。在 1654 cm-1处观察到的峰与分子间氢键相互作用有关。此外，1033 cm-1处的特征带归因于多糖中糖苷键的 C-O-C 伸缩振动
结论
在本研究中，制备了掺入 QNC 和 ZnO 的 KGM 基复合薄膜，获得了一种性能增强的多功能体系。拉伸强度和断裂伸长率分别达到 139.6 MPa 和 21.7%。同时，水蒸气透过率降至 78.2 g·m-2·day-1，伴随水接触角增加至 88.6°，表明阻隔性能得到改善。复合薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出抗菌活性，且
CRediT 作者贡献声明
郑磊：监督，调研，经费获取，构思。王璐：写作 – 审阅与编辑，监督，软件，资源，项目管理，方法论，经费获取，数据管理，构思，写作 – 原稿撰写。吴利军：软件，方法论，形式分析，数据管理。韩晓莉：写作 – 原稿撰写，形式分析，数据管理，调研，验证，可视化
未引用参考文献
Wang 等，2024；Wang 等，2024；Wang 等，2024。
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（32530084，U23A20265）、安徽省自然科学基金（2408085MC072）和中央高校基本科研业务费（PA2025GDGP0026）的支持。
韩晓莉|吴利军|王璐|郑磊
