论文摘要

本研究旨在开发一种可生物降解的活性薄膜，以应对石油基塑料带来的环境与健康挑战，同时满足食品保鲜的迫切需求。通过溶剂浇铸法制备了负载赖氨酸改性核桃花黑色素（L-WFM）和氧化锌（ZnO）的壳聚糖（CS）基复合薄膜（CS/ZnO/L-WFM）。采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、热重 - 差示扫描量热法（TG-DSC）、X 射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对薄膜的官能团、热稳定性、晶体结构和表面形貌进行表征，并测定其物理性能、阻隔性能、抗氧化性能和抗菌性能，进而评估其在冷藏猪肉保鲜中的应用效果。结果表明，ZnO 和 L-WFM 主要通过氢键作用嵌入 CS 基质中，这些相互作用有效使薄膜表面形貌更光滑致密，同时显著提升了壳聚糖基薄膜的热稳定性和结晶度。在所有配方中，添加 0.02% L-WFM 的 CS/ZnO/L-WFM-2 薄膜在机械强度、耐水性、紫外阻隔性、抗氧化性能（DPPH 自由基清除率为 77.36%，ABTS 自由基清除率为 75.08%）和抗菌性能方面达到最佳平衡；而将 L-WFM 添加量进一步提高至 0.03%（CS/ZnO/L-WFM-3）时，由于界面相互作用和功能效能达到饱和，未产生显著的额外提升。此外，该优化薄膜还具有优异的生物降解性，能有效延缓冷藏猪肉中微生物的生长以及脂质和蛋白质的氧化，将其货架期延长了 5 天。综上所述，本研究制备的 CS/ZnO/L-WFM-2 多功能可生物降解包装薄膜在肉类保鲜和环境可持续性方面具有广阔的应用前景。

研究背景

石油基塑料在农业和食品包装领域应用广泛，但其难生物降解的特性导致生态环境累积污染，对生物群落和人类健康构成严重威胁，而天然多糖生物聚合物因具备生物降解性、优良成膜性和生物相容性，成为传统石油基包装材料的理想替代品。壳聚糖作为极具潜力的食品保鲜成膜基质，虽自身具有抗菌活性，但纯壳聚糖薄膜存在机械强度不足、亲水性强、氧气和紫外光阻隔性能差等固有缺陷，限制了其在新鲜猪肉等高度易腐食品保鲜中的实际应用，因此需通过与其他天然生物聚合物共混以优化其性能。新鲜猪肉作为典型的高度易腐肉类产品，在冷藏储存期间易因微生物生长、脂质氧化和蛋白质氧化三大相互关联的因素发生品质劣变，这就要求食品包装薄膜需同时具备优异的抗氧化和抗菌活性，以延缓食品氧化并抑制微生物增殖。氧化锌纳米颗粒（ZnO）被监管机构认定为一般公认安全物质（GRAS），具有强效抗菌活性且能提升生物聚合物薄膜的机械性能和防潮阻隔性能；而实验室前期制备的赖氨酸改性核桃花黑色素（L-WFM）则具备良好的稳定性、溶解性以及抗氧化、抗菌等功能活性，是潜在的天然功能性包装填料。然而，将 ZnO 与 L-WFM 协同整合到壳聚糖基质中，同时针对猪肉腐败关键路径发挥作用的相关研究尚未深入开展，基于此，本研究推测将具有优异紫外屏蔽和抗氧化能力的 L-WFM 与具备强效抗菌活性的 ZnO 融入壳聚糖基质，可协同制备出性能优于单一组分复合薄膜的多功能复合材料，为肉类保鲜提供新型可降解活性包装解决方案。

图文赏析

图 1 壳聚糖（CS）、壳聚糖 / 氧化锌（CS/ZnO）、壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 1（CS/ZnO/L-WFM-1）、壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 2（CS/ZnO/L-WFM-2）及壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 3（CS/ZnO/L-WFM-3）复合膜的衰减全反射傅里叶变换红外光谱（A）、差示扫描量热曲线（B）、热重曲线（C）和 X 射线衍射图谱（D）

图 2 壳聚糖（CS）、壳聚糖 / 氧化锌（CS/ZnO）、壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 1（CS/ZnO/L-WFM-1）、壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 2（CS/ZnO/L-WFM-2）及壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 3（CS/ZnO/L-WFM-3）复合膜在 500 倍和 1000 倍放大倍数下的扫描电子显微镜（SEM）图像

图 3 壳聚糖（CS）、壳聚糖 / 氧化锌（CS/ZnO）、壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 1（CS/ZnO/L-WFM-1）、壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 2（CS/ZnO/L-WFM-2）及壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 3（CS/ZnO/L-WFM-3）复合膜的物理性能：（A）外观、（B）厚度、（C）拉伸强度、（D）断裂伸长率、（E）含水率、（F）水溶性、（G）水接触角、（H）水蒸气透过率、（I）氧气透过率、（J）紫外 - 可见透光率（注：数据以平均值 ± 标准误差表示，n=3；同一指标柱形图上方不同小写字母表示差异显著，P<0.05）

图 4 壳聚糖基复合膜的抗氧化和抗菌性能评估：（A）对 DPPH 和 ABTS 自由基的清除能力；（B）对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果（以抑菌圈直径表示）（注：所有定量数据以平均值 ± 标准误差表示，n=3；同一检测项目中，标注不同小写字母的平均值差异显著，P<0.05，采用邓肯多重范围检验）

图 5 壳聚糖（CS）、壳聚糖 / 氧化锌（CS/ZnO）、壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 1（CS/ZnO/L-WFM-1）、壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 2（CS/ZnO/L-WFM-2）及壳聚糖 / 氧化锌 / 赖氨酸改性核桃花黑色素 - 3（CS/ZnO/L-WFM-3）复合膜在土壤中的降解率及外观照片

研究结论

本研究成功构建了一种基于壳聚糖（CS）、氧化锌（ZnO）和赖氨酸改性核桃花黑色素（L-WFM）的新型三元复合活性包装膜。该复合膜通过氢键作用形成致密网络，显著提升了薄膜的热稳定性、结晶度、阻隔性能和机械强度。其中，L-WFM 的最优添加量为 0.02%（质量体积比），此比例下薄膜展现出优异的紫外屏蔽性能、抗氧化性能（DPPH 自由基清除率为 77.36%，ABTS 自由基清除率为 75.08%）和抗菌性能。将该优化薄膜应用于冷藏猪肉保鲜时，能有效抑制微生物生长，延缓脂质和蛋白质氧化，使猪肉货架期延长 5 天。综上，本研究的核心创新点在于首次开发了 CS/ZnO/L-WFM 三元复合体系，为将农业副产物转化为高性能、全生物降解的活性包装材料提供了切实可行的策略。未来研究应重点阐明包装 - 食品界面处活性成分的释放动力学，并探索该体系在其他易腐食品中的适用性，为其工业化应用和智能化设计奠定基础。

通讯作者

狄建兵：山西农业大学食品科学与工程学院副教授。

王愈：山西农业大学食品科学与工程学院教授，博士生导师。主要研究方向： 植物功能物质挖掘与产品开发和果蔬贮藏保鲜物流与加工。

资助基金

本研究得到山西省重点研发计划（202102140601017） 以及山西农业大学地方合作项目左权核桃产业研究院项目（XDHZZQY2024–01） 的资助。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2026.110071