生物聚合物食品包装中的刺激响应润湿性：机制、表征与应用

《Food Packaging and Shelf Life》：Stimuli-responsive wettability in biopolymer food packaging: Mechanisms, characterization, and applications

　　

摘要

可生物降解聚合物中的刺激响应性润湿性转变构成了智能食品包装的一种新兴设计原则，具有实时质量监测和主动保鲜功能的潜力。本综述考察了生物聚合物基质中响应性疏水 - 亲水转变的潜在机制，包括温度驱动的低临界溶解温度 (LCST) 和高临界溶解温度 (UCST) 相变、pH 敏感电离以及水分激活的构象开关。功能应用评估涵盖三个领域：使用联用比色 - 润湿性指示剂进行变质检测、触发释放以实现抗菌和抗氧化保鲜，以及用于延长保质期的自适应屏障系统。全文区分了已证明的系统与提议或概念性设计。评估了表征方法学（如掠入射小角 X 射线散射 (GISAXS)、动态接触角测量和计算建模）解决纳米尺度界面动力学的能力及其在食品相关系统中的当前局限性。商业转化仍受限于成本可扩展性、法规碎片化以及在真实食品储存和食品基质条件下验证不足。本综述指出了具体的证据缺口，包括可逆性、触发特异性以及定量经济建模，并提出研究优先级以推动响应性润湿性概念向工业可行的智能包装发展。

引言

全球食品行业面临减少每年产生的 13 亿吨食物浪费的日益增大的压力，同时确保整个复杂供应链中的产品安全和质量 (Abuzar 等，2024)。虽然传统包装已演变为使用传感器和响应材料主动监测和通信食品状况的智能系统，但创新包装技术在成本效益、可持续性和消费者可及性方面存在问题 (Wang 等，2022, Wu 等，2024) 图 1。因此，需要将多种功能结合到有效系统中的新解决方案。

下一代包装解决方案的核心是表面特性工程化的根本转变。刺激响应性润湿性——包装表面可逆地改变其拒水或亲水特性的能力——使材料能够主动感知与食品变质相关的环境变化。通过在可生物降解聚合物基质中战略性地整合疏水畴，这些系统将被动屏障转化为能够实时质量监测和自适应保鲜的智能界面。表面疏水性不再被视为静态特性，而是被视为在食品应用中创建刺激响应界面的动态机制。疏水切换的理念通过实现润湿行为的可逆变化，允许直观的触觉和视觉反馈。这种现象由温度、pH 或水分等环境因素激活，区别于需要外部工具或专业技术的传统指示剂 (Iqbal 等，2019, Xue 等，2024)。这种自适应功能允许创建既能识别变质迹象、调节渗透性，又能根据当前食品状况激活活性物质释放的包装材料 (Lin 等，2022)。

在可生物降解聚合物基质中整合响应性疏水性能满足了双重使命：环境可持续性和功能增强 (Kang 等，2021; J. Zhang 等，2023a, Zhang 等，2023b)。与常规塑料包装不同，这些生物基系统提供末端可生物降解性，同时实现此前仅能通过合成聚合物或电子传感器实现的复杂传感和释放能力。

尽管取得了进展，关于这些系统在实际食品储存环境中的功能及其与当前包装系统的集成，仍存在相关的知识缺口。本综述考察了水响应智能食品包装这一新兴领域，综合了当前对刺激响应生物聚合物界面的理解及其在智能包装系统、控释机制以及下一代食品包装技术商业前景中的应用。

进行了结构化的文献检索和证据评估，以识别关于生物聚合物食品包装材料中刺激响应性润湿性的研究。在 Scopus、Web of Science 核心合集和 PubMed 中进行了检索，查找 2015 年至 2025 年间发表的记录。基础方法学参考文献（例如表征技术）和早于 2015 年的具有典范意义的机制定义研究，在与主搜索窗口无关的情况下，若直接相关则予以保留。使用 EndNote 进行参考文献管理和去重。检索词涵盖四个概念：生物聚合物材料、润湿性行为、刺激响应性和食品包装应用。应用了以下检索表达式：("刺激响应性" OR "智能" OR "可切换" OR "自适应") AND ("润湿性" OR "接触角" OR "疏水 - 亲水转变") AND ("生物聚合物" OR "壳聚糖" OR "纤维素" OR "海藻酸盐" OR "淀粉" OR "聚乳酸" OR 其他命名的生物聚合物) AND ("食品包装" OR "活性包装" OR "智能包装")。额外搜索将单独的 stimuli（温度、pH、水分、湿度、光、酶活性）与润湿相关术语结合。

合格研究包括经同行评审的、关于与食品包装应用相关的可生物降解或生物聚合物集成包装材料的英文研究文章。提供直接润湿性测量（接触角、表面能或液滴行为）的研究被归类为主要证据来源。报告相关但不同现象（包括溶胀、渗透性、颜色变化或释放行为）而没有直接润湿性测量的研究，仅在相关于机制或背景讨论时保留，并明确标识为间接或相关证据，而非润湿性证据。食品包装领域之外的研究仅在其润湿机制可直接迁移至生物聚合物包装时纳入，并标识为概念性或支持性证据。涉及纯合成、无可生物降解性且与生物聚合物无关的材料、仅报告单一静态接触角而无环境诱导转变、缺乏足够方法学细节或未经同行评审的研究被排除。

根据这些标准筛选标题、摘要和全文。使用预设标准评估证据质量，包括是否有对照组、报告的测量条件（液体类型、液滴体积、温度、湿度、重复次数）、刺激前后的直接测量、展示的可逆性，以及来自互补表征的机制支持。当原作者报告时，记录了 ASTM D7334 或 ISO 15989 的引用。

每项研究被归类为三种证据类别之一：直接证明的响应性润湿性（定义刺激前后的定量测量）、间接或相关证据（报告接触角差异、溶胀、渗透性或结构变化而未建立可逆转变）或概念性或提议的应用（合理或外部证明的机制但无实验验证的包装功能）。此分类在本综述中一致应用，包括在表 1 中，以区分直接润湿性证据与相关现象（如比色响应、溶胀、渗透性变化和控释）。

章节摘要

生物聚合物基质中的刺激响应性润湿性机制

向智能食品包装的范式转变需要复杂的材料系统，能够自主响应环境，同时保持可生物降解性和食品安全合规性 (Wang 等，2021)。根据 X. Huang 等 (2023a, Huang 等，2023b)，包装设计和材料创新代表了减少供应链中食物浪费的真实机会，同时人们生活方式的改变增加了对高品质、新鲜、最小加

通过润湿性转变进行变质检测

变质检测是开发用于变质检测的智能包装系统的关键机制 (Huang 等，2014, Li 等，2015)。变质过程中产生的挥发性胺、乳酸、二氧化碳、乙醇和微生物代谢物改变了局部化学环境，并影响为可调润湿性而设计的生物聚合物的表面润湿行为 (Lin 等，2018)。

嵌入花青素指示剂的壳聚糖薄膜表现出 pH 依赖性颜色变化以及

响应界面的多尺度表征

表征刺激响应性润湿性需要涉及静态和动态润湿行为、转变动力学以及在监管相关条件下可重复性的方法 (图 7)。三类方法主导了当前实践：掠入射小角 X 射线散射 (GISAXS)、动态接触角分析和计算建模。

商业前景与挑战

响应性润湿性包装的商业部署需要同时解决制造成本、法规合规性和消费者接受度。

根据 Venkatesan 等 (2025)，高性能响应聚合物和纳米颗粒载体比常规材料成本更高，且与高通量加工的兼容性较差，这激发了人们对疏水改性淀粉、壳聚糖和纤维素作为可扩展、低成本替代品的兴趣，这些材料具有

结论与未来展望

本综述评估了刺激响应性润湿性转变在生物聚合物中的作用，将其作为集成质量监测和主动保鲜的智能食品包装的基础设计原则。由 pH、温度和水分变化触发的受控润湿转变，被提议用于使包装材料能够感知、适应并响应食品质量的变化。然而，支持这一能力跨越整个

作者贡献声明 (CRediT)

Di Zhang： 验证、监督、概念化。Lingqin Shen： 验证、概念化。Maurizio Battino： 形式分析。Jaroslav Katona： 验证、方法论。Dragi?a Savic： 调查研究。Milica Balaban： 软件。Efakor Beloved Ahlivia： 写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿。Xiaobo Zou： 项目管理、资金获取。Xiaodong Zhai： 数据整理。

利益冲突声明

作者声明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会影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到国家重点研发计划 (2024YFE0117000)、镇江市科技计划 (GJ2024001) 和国家重点研发计划 (2025YFE0211700) 的财政支持。本工作在塞尔维亚共和国科学、技术与创新部框架下，于与中国科学研究合作项目中得到支持，拨款题为“基于水果皮渣的食品可持续活性包装开发”。

Efakor Beloved Ahlivia|Xiaodong Zhai|Xiaobo Zou|Jaroslav Katona|Maurizio Battino|Milica Balaban|Dragi?a Savic|Lingqin Shen|Di Zhang

江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013，中国