用于淀粉基功能膜的植物提取物：分类、膜设计、应用与挑战——综述

《International Journal of Biological Macromolecules》：Plant extracts for starch-based functional films: Categories, film design, applications, and challenges—A review

　　

提取物的化学性质决定了淀粉基体中的相容性与功能表现。载体设计控制生物活性成分的稳定、保留与释放。特定食品的腐败途径决定了最佳薄膜形态。迁移行为、感官品质与规模化加工限制了实际转化。

引言

食品包装在保护产品免受机械损伤、水分转移、微生物污染、氧化变质以及储存和运输期间品质劣变方面发挥着关键作用[1]，[2]。传统石油基塑料仍是该领域的主导材料，因为它们兼具低密度、低成本、光学透明性、热封性能以及工业加工兼容性。然而，其环境成本越来越难以忽视，包括持久性微塑料污染、在填埋场和自然环境中的积累以及回收效率低下[3]，[4]，[5]。这些担忧加速了对生物基包装材料的研究兴趣，这类材料能够在支持食品保鲜的同时不加剧塑料废弃物负担[6]，[7]，[8]。

淀粉已作为一种最有前景的可再生食品包装薄膜聚合物而脱颖而出，因其储量丰富、成本低廉、可生物降解，且可从玉米[9]、马铃薯[10]、木薯[11]和山药[12]等植物来源广泛获取。此外，淀粉可通过糊化和增塑进行加工，并通过浇铸、挤出、热压和吹膜转化为薄膜，为包装材料制造提供了相当大的灵活性[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。然而，天然淀粉薄膜几乎无法直接替代石油基塑料。它们本质上具有亲水性，在低增塑剂含量下脆性大，易发生回生，且对水蒸气的阻隔性差[7]。其性能还取决于直链淀粉/支链淀粉比率、植物来源、相对湿度、储存历史等因素。为克服这些局限性，已开发了多种淀粉基体系，包括淀粉/聚乙烯醇（PVA）[18]、淀粉/壳聚糖[19]、淀粉/聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）[7]，[20]、淀粉/线性低密度聚乙烯（LLDPE）[21]等。这些体系可以改善机械强度、柔韧性、可加工性和耐水性。

然而，仅改善机械性能不足以满足现代食品体系的需求。微生物腐败、脂质氧化、酶促褐变、水分流失、挥发性胺的形成以及新鲜度评估的不确定性仍然是食品浪费的主要贡献因素。功能包装通过将活性或智能功能融入包装体系来应对这些挑战。活性薄膜释放、保留或固定抗菌剂和抗氧化剂[22]，[23]，而智能薄膜通过可见的颜色变化、光学响应或其他可测量信号来指示品质变化[6]，[24]。植物提取物可通过酚类、黄酮类、生物碱和花青素等化合物提供抗菌、抗氧化、阻隔和显色功能[14]，[25]，[26]。其天然来源也回应了消费者对天然成分的需求。

为了全面概述该领域，本综述中讨论的文献主要根据其直接与含植物提取物的淀粉基功能薄膜的相关性、对该领域发展的科学贡献以及支持机理或应用导向讨论的价值进行筛选。与淀粉基功能薄膜无关或超出本综述范围的研究被排除在外。本综述考虑的文献未限定于特定发表时期，允许在必要时纳入较早的代表性研究以支持关于提取物类别、薄膜设计策略、功能机理和食品应用的讨论。

为可视化近期研究趋势，于2026年5月25日从Web of Science核心合集中检索了一个独立数据集，覆盖2022年至2026年的出版物，使用的主题检索式为：TS =（（"starch film*" OR "starch-based film*" OR "starch based film*" OR "starch composite film*" OR "thermoplastic starch film*"）AND（（"essential oil*" OR "volatile compound*" OR "plant volatile*"）OR（"plant extract*" OR "natural extract*" OR "phenolic extract*" OR polyphenol* OR phenolic* OR flavonoid*）OR（"natural pigment*" OR anthocyanin* OR curcumin*））。检索得到298篇出版物，全部直接导入VOSviewer（版本1.6.20，荷兰莱顿大学科学与技术研究中心）构建关键词共现网络，未在出版物层面进行进一步人工排除。采用全部关键词作为分析单位，使用完全计数法进行共现分析，最低出现频率阈值为5。在满足该阈值的关键词中，使用词表文件合并同义词和拼写或术语变体。随后排除一般的、非信息性的或与主题无关的关键词，构建最终网络。网络使用关联强度方法进行标准化。如图1所示，淀粉基薄膜常与精油、天然色素、酚类化合物、抗氧化活性和抗菌活性相关联。这些关键词关联表明，植物提取物已被广泛研究作为活性和智能淀粉基食品包装薄膜中的功能组分。

植物提取物在淀粉基薄膜中的功能不仅由其生物活性决定，还受其与薄膜基体的相容性和目标食品体系的影响。精油可表现出强烈的抗菌活性；然而，其挥发性、疏水性、热敏感性和通常强烈的香气可能限制其在淀粉基薄膜中的掺入和保留[27]。非挥发性富含酚类/黄酮类的提取物可增强抗氧化能力和紫外屏蔽性能，但也会使薄膜变暗、降低光学透明度、改变拉伸性能或与淀粉网络发生过度相互作用[28]。天然色素如花青素、甜菜碱色素和姜黄素可为新鲜度监测提供直观的显色响应，但其颜色稳定性受光照、氧气、pH、水分、共色素化及基体极性的强烈影响[24]，[29]，[30]。在应用层面，在琼脂扩散试验或与食品模拟物中观察到的薄膜性能不一定能转化为真实食品中的表现。这是因为肉、鱼、水果、面包和蘑菇在水分活度、脂质分配、顶空组成、表面化学和感官要求方面存在显著差异[31]，[32]。

近期综述主要关注淀粉基功能包装的单一方面，如活性和智能薄膜、负载精油的体系、酚类相互作用、花青素指示剂或特定食品应用[14]，[25]，[26]，[27]，[28]，[33]，[34]，[35]。相比之下，本综述采用了一种整合框架，将提取物分类、淀粉-提取物相互作用、薄膜与释放设计、食品应用及工业转化联系起来。首先总结精油和其他挥发性化合物、非挥发性提取物及天然色素在淀粉基功能薄膜中的掺入。然后考察淀粉基体作为递送和稳定平台，重点关注基体-提取物相互作用、不稳定生物活性化合物的保护以及释放行为的调控。最后讨论食品应用以及安全性、感官品质、法规要求、商业化挑战和工业实施。总体而言，本综述旨在支持开发在加工过程中保持稳定并在真实食品中有效发挥作用的淀粉基薄膜，同时考虑消费者期望和工业实施前景。

章节摘要

淀粉基薄膜中使用的植物提取物类别

掺入淀粉基薄膜中的植物提取物可大致分为三类：精油和其他挥发性化合物、非挥发性富含酚类和黄酮类的提取物，以及天然色素（表1）。精油通常具有疏水性和挥发性[26]，[27]，而非挥发性富含酚类和黄酮类的提取物通常挥发性较低但可与多糖网络强烈相互作用[28]，[36]。天然色素可提供显色信号……

淀粉基基体作为植物提取物的载体

一旦选定提取物类别，薄膜性能在很大程度上由淀粉基载体决定。淀粉基体不是惰性支撑物，而是调控提取物分散、保留、分子迁移性、光学响应、机械行为和迁移[2]，[26]，[28]。因此，薄膜设计应被视为一个结构-功能问题。同一种提取物在疏水体系中可能表现出持久活性，或在包装顶空中过度释放……

负载植物提取物的淀粉基薄膜在食品体系中的应用

薄膜性能在干烘焙食品、高水分肉类、高脂食品和形状不规则的水果之间有所不同。这些差异反映了水分活度、表面性质、呼吸作用、顶空条件、储存温度和香气敏感度方面的变化[21]，[26]，[32]。从这个角度来看，负载植物提取物的淀粉薄膜可组织为三种实用应用形态：直接接触薄膜或涂层，用于递送相对非挥发的酚类和其他……

安全性、法规、感官品质与商业化挑战

负载植物提取物的淀粉包装在实际应用前仍面临若干反复出现的障碍。如表2所总结，这些包括精油的挥发性和感官影响、淀粉薄膜的湿度敏感性、色素不稳定性、加工相关性有限以及在真实食品中验证不足。

植物提取物的植物来源并不消除进行严格安全评估的需要。尽管某些精油和酚类化合物已被批准作为……

未来展望

未来研究应超越经验性的配方筛选，转向预测性和应用导向的设计。这一转变需要植物提取物的标准化表征，包括其主要标志化合物、活性成分含量、提取条件和批次间变异。缺乏这些信息时，从一个提取物批次获得的组成-结构-功能关系可能无法转移到另一批次。对于活性薄膜，数学模型……

结论

植物提取物可赋予淀粉基薄膜抗菌活性、抗氧化能力或新鲜度指示功能。然而，其实际价值取决于提取物与淀粉基体设计之间的相容性。精油和其他挥发性化合物是有效的抗菌剂，但其应用需要仔细控制挥发性和感官影响。富含酚类的提取物可提供抗氧化和光阻隔益处，但它们也可能改变……

CRediT作者贡献声明

Shan Gao：撰写—审阅与编辑，撰写—原始草稿，可视化，方法论，调查研究，概念化。Yuntong Wu：撰写—审阅与编辑，撰写—原始草稿，验证，调查研究。Junjie Zhang：软件，调查研究。Hanxue Hou：撰写—审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，经费获取，概念化。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在本文准备过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI，美国加州旧金山）来提高稿件的可读性和语言水平。使用此工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对稿件内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了泰山产业领军人才计划和国家自然科学基金委（项目编号22678340）的支持。

Shan Gao|Yuntong Wu|Junjie Zhang|Hanxue Hou