从生物活性化学到包装功能：可持续食品包装的结构-相互作用-释放框架

《Food Chemistry》：From bioactive chemistry to packaging function: a structure-interaction-release framework for sustainable food packaging

　　

活性生物材料提供抗氧化、抗菌和传感包装功能。薄膜性能由活性生物体与聚合物之间的分子相互作用决定。结构-功能关系决定力学、阻隔和光学性能。功能增强引入了活性、稳定性和薄膜完整性之间的权衡。先进的包埋和控释策略提高了稳定性和功能性。

引言

食品安全与质量是当今全球化食品供应链中最为关键的关注点之一，它直接影响公共卫生、粮食安全、国际贸易和可持续发展（Yar, Ibeogu, Adnan 等，2025年）。由于人口需求不断增加、气候变化和复杂的供应网络，确保食品保持安全、营养且无污染是一项日益严峻的挑战（Bansal 等，2023年；Ibeogu, Bako, Alnadari 等，2024年；Yar, Ibeogu, Regmi 等，2025年）。根据世界卫生组织（WHO）的数据，全球每年有近6亿人因食用受污染的食品而患病，42万人因食源性疾病死亡，其中许多发生在低收入和中等收入国家（Subedi 等，2025年）。致病细菌（例如沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌和大肠杆菌）、病毒、寄生虫、化学残留物、重金属和真菌毒素是常见的罪魁祸首（Rugji 等，2025年）。在食品供应链的各个阶段检测和消除这些危害的复杂性增加了挑战，尤其是在易腐和高风险食品类别中，如肉类、海鲜和乳制品（Yar, Ibeogu, Adnan 等，2025年）。食品安全与质量问题正日益受到消费者、行业和监管机构的关注。质量涵盖感官特征，如风味、质地、外观、营养价值、新鲜度和保质期。现代消费者要求食品质量高、添加剂少、保鲜期长且环境可持续。然而，由于收获后损失、不当储存条件、微生物腐败和供应链延误，从农场到餐桌保持质量的一致性非常困难（Yar, Ibeogu, Adnan 等，2025年）。对最小加工产品和清洁标签产品日益增长的需求进一步使保鲜和包装策略复杂化。

可持续包装在现代食品系统中变得越来越重要，这源于环境关切、消费者意识和监管压力（Thapliyal 等，2024年）。传统石油基包装材料造成污染、微塑料积累和温室气体排放，同时主要作为被动屏障发挥作用，对食品劣变响应能力有限（Alnadari, Al-Dalali, Nasiru 等，2023年；Ibeogu, Bako, Alnadari 等，2024年；Sallam 等，2025年）。全球范围内，只有约9%的塑料废物被回收，而近80%被倾倒、填埋或释放到环境中，估计每年有4至12百万吨进入海洋。如果当前的生产和消费趋势持续下去，到2050年累积的塑料垃圾可能达到约120亿吨，凸显了传统线性包装系统的局限性（Reis 等，2017年）。相比之下，基于可再生、可生物降解或可回收材料的可持续包装可以减轻环境影响，同时支持食品保鲜并减少食品浪费。结合主动或智能功能后，这些系统可以进一步抑制微生物生长、延缓氧化、延长保质期并提供食品新鲜度信息（Ibeogu 等，2025年；Yar, Ibeogu, Adnan 等，2025年）。最新的发展展示了向多功能系统的转变；例如，由橙皮衍生的碳点与玫瑰茄花青素结合，已被纳入明胶/果胶薄膜中，提供抗氧化、抗菌、紫外阻隔和新鲜度指示功能，同时对农业副产品进行增值利用（Sadeghi 等，2025年）。这些发展凸显了可持续包装通过整合材料功能来解决包装废物和食品质量损失问题的潜力。

现代食品供应链比以往任何时候都更加全球化、复杂化和延伸化。为从农场到餐桌保持食品安全与质量，包装必须提供对抗生物、化学和物理危害的充分保护（Ibeogu, Bako, Yar 等，2024年）。然而，这种保护不能再以牺牲环境可持续性为代价。可持续包装通过使用可再生、可生物降解或可回收材料来解决这一问题，这些材料在保持甚至增强食品保鲜和安全的同时减少环境影响（Singh 等，2025年）。可持续包装的主要功能之一是其在减少食品浪费方面的作用，这也是全球食品系统中的另一项关键挑战（Alnadari, Al-Dalali, Nasiru 等，2023年）。可持续包装，特别是与主动和智能功能结合时，可以通过延长保质期、抑制微生物生长和提供食品新鲜度与安全的实时信息来帮助减少腐败（Ibeogu 等，2025年；Yar, Ibeogu, Adnan 等，2025年）。这种双重作用——保护食品同时减少浪费——使可持续包装成为促进环境和食品系统可持续性的不可或缺的工具。

尽管研究取得了相当大的进展，但功能性包装的有效设计所需远不止将活性生物物质纳入聚合物基质中（Adeyeye & Sankarganesh，2026年）。需要全面理解活性生物化学、基质架构、分子迁移性、释放行为和食品环境，才能预测一种看似有活性的材料是否会保持稳定、在食品-包装界面变得可用，并最终提供可衡量的保鲜效益。现有的综述文章经常阐述使用了哪些材料以及它们提供什么功能，但相对较少关注将"为什么活性生物体与特定基质相互作用"、"该相互作用如何重组基质"、"由此产生的结构如何控制保留和释放"以及"释放如何决定实际食品功效"联系起来的连续因果链。

为解决这一差距，本综述提出了一种活性生物体-基质-结构-释放-功能（BMSRF）框架，该框架将证据组织在五个相互关联的层次上：(i) 活性生物化学，(ii) 活性生物体与基质的相互作用及由此产生的结构组织，(iii) 保留和释放行为，(iv) 功能功效，以及 (v) 食品保鲜效果。该框架并非将这些因素视为独立的特性，而是将它们视为一个连接的因果路径，其中一个层次的变化可以传播到后续层次。这种方法使得能够使用共同的机制基础来比较化学和生物学上多样化的系统，并为识别不同活性生物包装技术之间可迁移的设计规则提供了基础。

章节片段

可持续功能性包装薄膜

主动型、智能型和生物基材料处于创新和可持续食品包装技术的前沿。在本综述中，"可持续功能性薄膜"这一术语作为通用的总称类别，涵盖生物基材料（来源于可再生生物质的聚合物）、可生物降解薄膜（能够被微生物分解的材料）和生物聚合物薄膜（专门由多糖、蛋白质或脂质组成的薄膜）。主动材料旨在相互作用

可持续包装的功能材料

本节讨论的活性生物类别在化学组成、生物活性、分子大小、极性和稳定性方面存在显著差异；然而，它们的包装性能可以通过一个共同的分子特性、基质相互作用、结构后果、保留/释放行为和功能功效的序列来解释。将这一序列应用于不同的活性生物类别使得综述能够超越特定材料的描述

活性生物包装技术的定量比较评估

对活性生物包装技术进行有意义的比较，需要超越固有抗菌或抗氧化活性的存在或大小进行评估。使用表3中呈现的BMSRF框架，基于腐败驱动的活性生物包装策略选择。在BMSRF框架内，技术性能应至少跨越六个相互关联的维度进行评估：微生物减少、保质期延长、材料功能性、加工要求、食品基质……

食品级主动材料作为传统抗生素方法的替代方案

食品级主动材料为传统基于抗生素的抗菌策略提供了一种潜在的互补方法，通过使抗菌活性在食品包装界面局部化，在某些情况下实现受控的抗菌活性（Farrukh 等，2025年；Zavi?i? 等，2023年）。与通常通过特定细胞靶点起作用、并可能通过靶点修饰、酶失活、渗透性改变、外排、生物膜形成和水平传递选择耐药性的抗生素不同……

结构-功能-释放关系与设计权衡

本节构成了综述的核心部分。分析不是将基质相互作用、协同效应和权衡视为独立的观察，而是将分子相互作用与基质架构、传输行为、功能可用性和保鲜功效联系起来。因此，重点是因果关系和可迁移的设计原则，而非孤立的材料特定发现。

活性生物化学与基质化学的匹配

活性生物的选择应从化学相容性而非仅从活性开始。极性、电荷、氢键能力、疏水性、分子大小和官能团反应性应与相应的基质特征相匹配（Budala 等，2026年）。目标是实现足够的分散和保留，同时避免将活性生物固定到食品-包装界面的可用性不足的程度。

为劣变过程设计释放动力学

受控释放应……

未来方向

可持续活性生物包装的未来应由BMSRF框架指导，重点在于控制从活性生物纳入到可预测的食品保鲜性能的转变。以下优先事项因此围绕稳定化、受控传输、多功能性、响应性和预测性设计进行组织，而非围绕单独的技术。

结论

活性生物材料在可持续食品包装中的纳入已实现了具有抗菌、抗氧化、酶活性、益生菌和智能能力的多功能系统。然而，本综述综合的证据表明，固有生物活性本身不足以预测包装性能。本综述的主要贡献是活性生物体-基质-结构-释放-功能（BMSRF）框架，该框架将活性生物化学与……联系起来

CRediT作者贡献声明

Muhammad Shahar Yar：撰写——原稿、方法论、概念化。Faiza Rehman：撰写——原稿、概念化。Ahmed Elnagar：可视化、调查。Abisikha Regmi：可视化。Muhammad Bilal：可视化。Hafiz Muhammad Mubeen：调查。Isaiah Henry Ibeogu：可视化、调查。Hadiza Kabir Bako：可视化。Fawze Alnadari：可视化。Chunbao Li：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念化。

未引用参考文献

Zhang, Huang, Tao and Wang, 2026

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Chunbao Li 报告了由南京农业大学提供的资助。Chunbao Li 报告了与南京农业大学的关系，其中包括：雇佣关系。如果有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由中国农业农村部和中国财政部（CARS-34）以及广东省科学技术厅（2023B0202020002）资助。

Muhammad Shahar Yar | Faiza Rehman | Ahmed Elnagar | Abisikha Regmi | Muhammad Bilal | Hafiz Muhammad Mubeen | Isaiah Henry Ibeogu | Hadiza Kabir Bako | Fawze Alnadari | Chunbao Li