一、研究摘要

在食品包装领域，随着消费者对食品品质、安全以及环保关注度的不断攀升，食品包装行业正经历深刻变革。传统包装材料的弊端逐渐凸显，可食用且可生物降解的包装材料成为研究的焦点。基于树胶的静电纺纳米纤维（G-ENFs）凭借生物相容性好、成本低、无毒等优势崭露头角，符合可持续发展目标，为解决食品包装现存问题带来新的思路，在食品包装领域展现出广阔的应用前景。

二、G-ENFs 的制备策略

2.1 树胶的特性

树胶作为亲水性碳水化合物聚合物，具有独特的结构和理化性质。从化学结构看，它由单糖单元经糖苷键相连，形成高相对分子质量的聚合物 。这种结构赋予树胶特殊的溶解性，它不溶于油及常见有机溶剂，却能在水中溶解或吸水膨胀，形成浓稠溶液或凝胶。水解时，树胶会分解为阿拉伯糖、半乳糖等糖类。树胶还具备化学惰性、成本低廉、生物相容性佳和无毒等优点，使其在食品工业中广泛用作胶凝、增稠、乳化和稳定剂，在食品包装领域也极具应用价值。

2.2 制备方法

制备纯 G-ENFs 时，树胶的结构组成对其性能影响重大（图 1）。然而，纯 G-ENFs 存在诸多不足，如加工性欠佳，在实际生产中难以成型；纤维形成能力弱，无法满足特定的包装需求；亲水性过高，导致对水分敏感；功能有限，不能很好地适应复杂的食品包装环境；机械强度不足，易破损；热稳定性差，在一定温度下性能会发生变化。为克服这些问题，研究人员常将其他（生物）聚合物与树胶混合。像多糖、蛋白质等天然生物大分子，具有生物相容性、可生物降解性以及生物互溶性等优势，被广泛应用于静电纺丝过程。同时，生物活性化合物（如精油、花青素）和纳米颗粒的加入，能显著改善 G-ENFs 的物理、机械、抗氧化和抗菌性能 ，使其更符合食品包装的多样化需求。

三、G-ENFs 的类型及性能特点

3.1 树胶 - 多糖共混 ENFs

多糖因其安全、可生物降解、无毒且生物相容性好等特点，常与树胶共混制备 ENFs。壳聚糖是其中的典型代表，它不仅具有良好的生物降解性、无毒害性，还具备纤维形成能力和纳米结构属性，拥有抗菌、抗病毒等多种功能 。当壳聚糖与 κ- 卡拉胶共混时，能有效改善 κ- 卡拉胶亲水性强、机械性能差和热稳定性低的问题。研究显示，将 κ-CAR/CS 按 1:2 的质量比溶解在乙醇 / 乙酸 / 蒸馏水的溶剂中制备的纺丝溶液，添加 Malva sylvestris 提取物（MSE）后，虽然纤维直径有所增加，但热分解稳定性得到提升，同时水蒸气透过率（WVP）、氧气透过率（OTR）、水溶性（WS）和水分含量（MC）等物理性能也发生了显著变化 。

纤维素作为自然界中最丰富的天然生物聚合物，具有可再生、成本低等优势。羧甲基纤维素（CMC）作为纤维素的衍生物，能与树胶通过氢键相互作用，提升共混物的性能。例如，PL 与 CMC 共混时，二者形成的氢键改善了各自的可纺性和纤维形成能力，制备出的 PL/CMC ENFs 在添加茶多酚（TP）后，纤维形态均匀光滑，平均纤维直径在 80 - 200nm 之间 。

淀粉是常见的多糖资源，由 α-1,4 - 和 α-1,6 - 连接的葡萄糖单元组成，其直链淀粉和支链淀粉的比例影响着自身的物理化学性质。较高的直链淀粉含量有助于提高薄膜的强度和降低透气性 。淀粉常作为可再生生物聚合物用于静电纺丝，与树胶混合后可有效封装活性添加剂。如辛烯基琥珀酸酐（OSA）改性淀粉（OSS）与 PL 共混，能形成安全、无毒的 “绿色” ENFs，且对肉桂精油（CEO）具有较高的负载能力和抗菌效果 。

果胶是植物细胞壁和果皮中的天然水溶性聚合物，具有良好的成膜性、生物相容性和可生物降解性。果胶与树胶共混可用于实时监测肉类新鲜度。研究发现，GG 和果胶溶解在蒸馏水中并加载 Papaver rhoeas 提取物（PRE），同时添加纤维素纳米晶体（CNC）作为增强纳米填料，制备的 GG/PE@PRE ENFs 能通过颜色变化有效监测肉类新鲜度 。

3.2 树胶 - 蛋白质共混 ENFs

蛋白质基生物聚合物在食品和生物医学领域应用广泛，但因其复杂的二级和三级结构，在静电纺丝过程中可纺性较差。将天然树胶加入蛋白质溶液，能改善材料的可纺性和加工性。

明胶是一种常见的蛋白质，具有可食用、动物源、FDA 批准、成本效益高、可生物降解和生物相容性好等优点 。然而，纯明胶 ENFs 存在水溶性高、拉伸强度低和热稳定性差的问题。研究人员将明胶与 PL 共混，利用二者之间的相互作用，制备出具有良好性能的 ENFs。例如，在开发用于封装香芹酚 /γ- 环糊精包合物（CRV@γCD IC）的 ENFs 时，GE/PL 和 GE/PL/CRV@γCD IC ENFs 都呈现出均匀、光滑和均质的结构，且具有自立性和柔韧性 。

玉米醇溶蛋白（ZE）是一种低成本、可再生的植物基醇溶性蛋白质，具有多种优良特性，但基于 ZE 的 ENFs 存在溶解快、拉伸性能差的问题。将 ZE 与 PL 共混可改善这些问题。研究表明，在制备香芹酮负载的 ZE/PL 混合 ENFs 时，随着 PL 含量的增加，ENFs 的结构更加均匀，平均纤维直径减小，拉伸强度和杨氏模量增加，而断裂伸长率降低 。

此外，苋菜蛋白分离物（API）、大豆蛋白分离物（SPI）、豌豆蛋白分离物（PPI）和乳清蛋白分离物（WPI）等蛋白质也可与树胶共混制备 ENFs。如 API 与 PL 共混制备 ENFs 时，不同的共混比例和 CUR 的添加会影响纺丝溶液的粘度、表面张力和电导率，进而影响 ENFs 的形态和性能 。PPI 因其成本效益高、氨基酸平衡等优点，在食品包装领域具有潜力。与 PL 共混时，高 PL 浓度能促进分子缠结，有利于细 ENFs 的形成 。WPI 作为奶酪的副产物，具有功能性、营养性和高氨基酸含量等优势，但因其球状结构，静电纺丝难度较大。与 PL 共混后，通过二者之间的相互作用，可制备出连续、均匀且无珠的 ENFs 。

3.3 树胶 - 合成聚合物共混纳米纤维

合成聚合物与树胶共混可有效改善生物材料的可纺性和机械性能。聚环氧乙烷（PEO）是一种安全、水溶性好且可生物降解的聚合物，与树胶具有良好的相容性。PEO 的醚基与树胶结构中的功能活性基团（如羟基或氨基）能形成强氢键，增强树胶链的柔韧性，提高纺丝性能和纳米纤维的均匀性 。例如，在制备 SA 和 PEO 共混的 ENFs 并加载 phlorotannin（Ph）时，当 SA:PEO:Ph 的比例为 50:50:10 时，溶液的粘度和电导率达到优化，有利于制备细 ENFs 。

聚乳酸（PLA）具有良好的生物相容性、可生物降解性、制备工艺简单、成本低、化学和热稳定性好以及高孔隙率等优点 。PLA 常与不同树胶共混，产生协同效应。如 KGM 的可纺性较差，制备的包装薄膜存在拉伸性能弱和亲水性高的问题。将 PLA 以 10:1（v/v）的比例加入 KGM 溶液中，通过微流体吹纺（MBS）制备 KGM/PLA 纤维薄膜，并加载香芹酚（CV），能有效改善其性能 。

聚乙烯醇（PVA）是一种合成的可生物降解聚合物，具有高极性，在静电纺丝过程中具有良好的机械和热性能 。PL 是一种微生物多糖胶，生物相容性和可生物降解性良好，但成本较高。将 PL 与 PVA 共混，可降低成本并增强性能。例如，制备 PL/PVA NFs 并掺入百里酚负载的卟啉金属 - 有机框架纳米颗粒（THY@PCN - 224 NPs），可用于抗菌食品包装 。

四、G-ENFs 的功能特性

4.1 抗氧化作用

食品成分的氧化是导致包装食品变质的关键因素之一，会显著缩短食品的保质期。为解决这一问题，在 G-ENFs 中添加抗氧化剂成为重要手段。常见的抗氧化剂包括精油、多酚类提取物等。评估包装材料抗氧化活性的方法主要有 DPPH 和 ABTS + 自由基清除实验，其中 DPPH 的应用更为广泛 。

蜂胶提取物含有大量生物活性成分，如多酚、香豆素和倍半萜醌，具有很强的抗氧化和抗菌性能。在 GE/OXG ENFs 中添加 5%、12.5% 和 20%（wt）的蜂胶提取物，其 DPPH・清除率可达 75% 左右 。茶多酚（TPP）含有丰富的羟基官能团，能提供氢原子阻断氧化链反应。在 PVA 和 KGM 中添加不同浓度的 TPP，其 DPPH・值随浓度增加而升高 。

精油富含多种功能性生物活性成分，如萜烯、醛类、萜烯酮、脂肪醇、黄酮类和酚类等，具有良好的抗氧化性能。不同的精油种类、含量以及薄膜制备条件都会影响 G-ENFs 的抗氧化活性。例如，在桃胶 / PEO NFs 中添加不同超声处理水平的山苍子精油（LCEOs），其 DPPH 值在 25.87% - 44.01% 之间变化 。

此外，为增强功能剂的稳定性和控制其释放，常将某些多酚类物质或精油与环糊精（CDs）形成主客体包合物。如香芹酚与 γCD 形成的包合物（CRV@γCD），加载到 GE/PL ENFs 中后，其抗氧化活性显著提高，50% 抑制（IC50）值为 692μg/mL，抗氧化活性高达 100% 。

4.2 抗菌作用

抗菌性能是食品包装系统的重要功能之一。在 G-ENFs 中添加抗菌添加剂，如精油、酚类丰富的植物提取物、纳米颗粒等，可有效抑制食品中病原菌和腐败微生物的生长，延长食品保质期 。

研究中常以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为革兰氏阴性和革兰氏阳性食源性病原体的代表，评估 G-ENFs 的抗菌性能（图 2）。例如，在 PG/PEO 中添加 LCEO 或 ε- 聚赖氨酸，在 PLA/GG 中添加 TEO，在 GE/OXG 中添加蜂胶等，都能有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长 。

除了常见病原菌，G-ENFs 对其他细菌、霉菌和真菌也有抑制作用。如在 GG/AG 中添加 SPE，对李斯特菌属有抗菌作用；OSS-PL ENFs 与肉桂精油结合，对黄曲霉有抑制作用 。

近年来，随着消费者对健康的关注，含有益生菌的活性抗菌包装系统成为研究热点。益生菌作为有益微生物，不仅具有抗菌活性，还对人体健康有益。将益生菌掺入 G-ENFs 中，可提高其生物可及性和功能性能。例如，在 GE-SA 纤维中掺入益生菌，对副溶血性弧菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌都有显著的抑菌效果 。

五、G-ENFs 在食品包装中的应用

5.1 活性包装

G-ENFs 在活性包装领域应用广泛，能有效保持食品的新鲜度和品质。以水果保鲜为例，抗菌的 PL/PVA NFs 与 THY@TP 配合使用，能显著减少葡萄和草莓上大肠杆菌（~99%）和金黄色葡萄球菌（~98%）的生长，在光照下对水果具有长效保鲜作用 （图 3）。TP@KGM/PVA ENFs 用于包装香蕉时，能作为自由基清除剂减少氧化反应，限制水果的新陈代谢和气体交换，延缓香蕉的成熟和软化过程，降低重量损失 。

在渔业产品包装方面，未添加活性成分的 PL/CMCS/PEO 包装生鱼，在冷藏过程中 TVB-N、TBRA 和 TVC 含量迅速增加，而加载 nisin 的 PL/CMCS/PEO 纤维能显著降低这些指标，有效延长鱼的保质期 。

在肉类保鲜中，添加 LB@CM 的 AG/PL 基质对新鲜牛肉中的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有抑制作用，能提高牛肉的安全质量 。KGM-g - 聚（丙烯酸）/PVA - 柠檬精油垫（LEO@KGM-g-PAA/PVA）可延长冷藏猪肉的保质期 。

5.2 智能包装

G-ENFs 作为智能包装材料，可通过颜色变化监测食品的新鲜度和安全性。智能 pH 或新鲜度指示垫的颜色会随食品的 pH 值或新鲜度变化而改变，为消费者提供直观的新鲜度信息。

在海鲜产品监测方面，GE/XG 与黑醋栗提取物（BBE）制成的指示垫用于监测太平洋白虾的新鲜度，随着虾的变质，指示垫颜色从白色变为灰色，最终变为深紫色 。PL/PVA ENFs 与杨梅果渣提取物制成的指示标签，可通过颜色变化评估南美白对虾的新鲜度，颜色从粉红色变为灰紫色再变为绿色，反映了虾的 pH 值和挥发性胺的变化 （图 5）。

对于肉类产品，多种基于 G-ENFs 的指示材料可用于监测新鲜度。如 RDE@CS/AG 用于监测鸡肉新鲜度，颜色从白色变为卡其色；Alizarin@SA/PVA 用于监测猪肉新鲜度，颜色从黄色变为紫色；TPE@PS/GG 用于监测羊肉新鲜度，颜色从白色变为紫红色 。

此外，在牛奶保鲜中，由氧化海藻酸钠（OSA）交联的 CMCS 加载酢浆草花青素（OTA）作为传感层，以及芳樟醇封装在 GE/ZE ENFs 作为抗菌活性层组成的双层垫，不仅具有抗菌和抗氧化性能，还能通过颜色变化（从草绿色变为浅棕色）监测牛奶的变质 。

六、G-ENFs 面临的挑战

6.1 性能局限性

天然树胶存在一些固有局限性，给 G-ENFs 的应用带来挑战。其水分含量通常超过 10%，在生产过程中易受微生物污染，尽管可通过适当处理和添加添加剂缓解，但仍需关注 。树胶的化学组成受采集的天然材料、环境条件、地理位置和物种差异等因素影响，成分波动较大。

纯 G-ENFs 的性能也有待提升，其质地相对较脆，弹性较低，气体阻隔性能一般，热稳定性差，对水敏感，水蒸气透过率较高，这些缺点限制了其在工业中的广泛应用 。虽然通过与其他材料共混或添加添加剂可改善部分性能，但可能会对其他性能产生负面影响，如透明度、透气性、热稳定性或机械强度等，因此需要进一步优化配方和制备工艺 。

6.2 安全问题

包装材料与食品之间的相互作用复杂，受多种因素影响，选择合适的包装材料对保障食品质量、安全和保质期至关重要 。在评估包装材料时，需考虑其对食品风味、颜色和微生物活性的影响 。在开发食品包装系统时，要综合分析聚合物类型、制备方法、聚合物与食品的比例等因素，以了解食品与包装之间的相互作用程度 。

6.3 可扩展性

G-ENFs 在实验室规模的制备已取得一定成果，但实现大规模生产仍面临诸多障碍。在生产过程中，精确控制 G-ENFs 的物理化学性质颇具挑战，这是确保产品质量一致性的关键。为改善 G-ENFs 的性能，常将各类（生物）聚合物融入树胶溶液，虽然这在一定程度上提升了其性能，但也增加了生产的复杂性。此外，开发有效的改性方法以优化树胶溶液的功能特性时，需综合考虑效率、精度和可扩展性 。化学改性可创造出结构和性能更优的树胶衍生物，但反应条件的控制和产物的纯化较为复杂。

七、结论与展望

G-ENFs 在食品包装领域展现出显著的优势和潜力。其较大的比表面积、良好的机械和热性能，以及对紫外线、水和其他气体的优异阻隔性能，使其成为传统包装材料的理想替代品 。同时，G-ENFs 的可生物降解性有助于解决环境问题，符合可持续发展的要求 。在食品包装应用中，G-ENFs 能有效提升食品的稳定性和质量，通过添加活性成分，可赋予包装抗菌、抗氧化等功能，延长食品的保质期 。

然而，G-ENFs 目前仍面临一些挑战。在性能方面，需要进一步优化其物理化学性质，提高其综合性能，以满足不同食品包装的需求 。安全问题也不容忽视，必须深入研究包装材料与食品之间的相互作用，确保其对人体健康和环境无害 。在可扩展性上，要突破大规模生产的技术瓶颈，降低生产成本，提高生产效率，保证产品质量的一致性 。随着研究的不断深入和技术的持续进步，G-ENFs 有望成为食品包装领域的重要材料，为食品行业的发展和可持续发展做出更大的贡献。

文献来源：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.138717