《International Journal of Biological Macromolecules》：Fabrication of cellulose-Ca 2+Zn 2+ crosslinked films enhnaced with biosurfactant: A sustainable replacement for conventional plastics
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纤维素薄膜通过添加生物表面活性剂（BS）改善性能，采用ZnCl?溶解和CaCl?交联工艺，1.25% BS薄膜展现最佳效果：拉伸强度1.05 N/mm2，水分蒸腾量24.3 ± 2.1 g/m2·day，含水量20.4 ± 1.3%，透光率81.14 ± 0.94%。结构分析显示BS与纤维素羟基通过磷酸、氮基团作用形成均匀纳米纤维网络，且降解速度加快，适用于可降解包装。
阿尼莎·班贾（Anisha Bhanja）| 施拉达·布伊亚（Shraddha Bhuiya）| 约瑟夫·塞尔文（Joseph Selvin）| 乔治·塞格尔·基兰（George Seghal Kiran）
印度本地治里大学食品科学与技术系，本地治里，605014
摘要
基于纤维素的薄膜作为环保替代品正逐渐受到欢迎，但其高亲水性导致其防潮性能较差，阻隔性能也有所下降。将生物表面活性剂（BS）掺入这些薄膜中是一种有效改性的方法，可以改善其表面特性和阻隔性能。在本研究中，采用ZnCl?辅助溶解和CaCl?介导交联的方法制备了纤维素薄膜，并随后加入了浓度为0.6%和1.25%的BS MS48。含有1.25% BS的薄膜表现出更好的性能：拉伸强度更高（1.05 N/mm2），水蒸气透过率更低（24.3 ± 2.1 g/m2/天），水分含量更低（20.4 ± 1.3%），透明度也有所提高（81.14 ± 0.94%）。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察发现，纤维素薄膜具有皱褶且结构不规则，而添加了BS的薄膜则显示出清晰均匀的纤维网络。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，BS通过纤维素中的羟基与BS中的磷酸基团和氮基团相互作用而与纤维素结合。利用FE-SEM、XPS、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱（Raman Spectroscopy）进行的结构研究表明，BS-纤维素薄膜具有均匀的纤维网络，并且结晶度发生了变化。BS薄膜的降解速度比纯纤维素薄膜更快，这表明BS的引入增强了其生物降解性。在对香菜叶进行的包装实验中，发现添加了BS的纤维素薄膜减少了重量损失并提高了防潮性能。因此，这种新型BS纤维素薄膜可以作为塑料薄膜的环保替代品。
引言
食品行业的快速发展推动了对包装材料的高需求。大多数传统的石油基塑料不可生物降解，对环境、水生系统和空气质量构成严重威胁[1]。由于过度使用合成聚合物基包装材料所带来的环境问题，人们对可生物降解聚合物的研究日益增多[2]。仅食品包装行业每年就消耗超过1亿吨的塑料基包装材料[3]。多年来，基于纤维素的生物包装材料因其无毒、可生物降解、环保和长期可持续性而成为研究热点[4]。纤维素是传统石油基材料的理想替代品。微晶纤维素粉末因其优异的性能（如热稳定性、乳液稳定性、机械性能提升和透明度的改善）而被广泛用于包装材料的制备[5]。纤维素强烈的分子内氢键和高结晶度使其难以溶于大多数溶剂。氯化锌（ZnCl?）无毒、经济实惠且可回收，是有效的纤维素溶解剂；而氯化钙（CaCl?）则能破坏纤维素中的氢键，帮助形成纳米纤维网络[6][7]。
许多研究探讨了将各种化合物（如增塑剂和纳米粘土）掺入聚合物混合物及其薄膜中的效果。甘油、山梨醇等增塑剂可提高薄膜的柔韧性、降低脆性并增强其亲水性[4]。表面活性剂在薄膜制备中也有应用，它们能降低聚合物混合物的表面张力，从而改善薄膜的柔韧性和疏水性[8]。经过表面活性剂改性的微纤化纤维素可提升生物基包装薄膜的阻隔性能[9]。生物表面活性剂（BS）是由微生物产生的表面活性剂，能够降低界面张力，同时起到稳定剂和乳化剂的作用。低分子量的BS主要包含甘油脂、脂肪酸和脂肽，能有效降低表面和界面张力[10]。高分子量且HLB（亲水-疏水平衡）较低的BS能增强薄膜的柔韧性并具有抗菌活性；而合成表面活性剂虽然能提高拉伸强度、不透明度和水溶性，但会降低亲水性和水蒸气透过率[11]。
Bacillus velezensis产生的脂肽在不影响薄膜关键性能的前提下，提升了壳聚糖-纳米纤维素薄膜的抗菌性能，并提高了薄膜的耐用性[12]。另一项研究显示，将脂肽提取物加入聚乙烯醇薄膜中后，薄膜的厚度、拉伸强度和硬度均有所增加，这归因于脂肽与聚合物基质的强相互作用以及其对腐败微生物的抗菌效果[13]。多项最新研究也证实了BS能提高多糖基薄膜和可食用涂层的抗菌效果[14][15][16]。总体而言，这些研究表明脂肽作为生物包装薄膜的功能性添加剂具有巨大潜力，有助于延长易腐食品的保质期。尽管已有这些进展，但关于脂肽在纤维素基包装材料中的应用及其对薄膜性能的影响仍需进一步研究。因此，本研究重点开发了一种含有BS的新型纤维素微晶薄膜，并对其物理、结构和机械性能进行了评估。
材料
本研究使用了纤维素微晶粉末（pH 5.0–7.5，纯度98%，CAS-9004-34-6）、ZnCl?（分子量136.29）、无水CaCl?（分子量110.98）、来自Bacillus licheniformis的MS48生物表面活性剂以及甘油（分子量92.09）。
Ca2?-Zn2?-纤维素离子溶液的制备
离子溶液的制备方法参考了Xu等人（2016年）的研究，并进行了一些修改[7]。具体步骤为：首先将1.5%（w/v）的纤维素微晶粉末分散在蒸馏水中制成浓纤维素糊状物，然后加入68%（w/w）的ZnCl?和3.34%的CaCl?。
ZnCl?和BS在纤维素纳米纤维网络形成中的作用
溶液转变为凝胶的过程证实了离子间的相互作用和凝胶化现象。随后向聚合物混合物中加入不同浓度的BS（0.6%、1.25%、1.87%和2.5%），并将制备的薄膜与纯纤维素薄膜进行对比。肉眼观察发现，含有0.6%和1.25% BS的复合薄膜更加柔韧、光滑且有光泽，且无裂纹；当BS浓度达到1.87%和2.5%时，薄膜的性能进一步提升。
结论
本研究显示了BS对纤维素薄膜性能的积极影响。结果表明，在所有测试配方中，基于BS的CFB3薄膜表现出最佳的阻隔性能（水蒸气透过率24.3 ± 2.1 g/m2·天）和更高的拉伸强度（1.05 N/mm2），证明了其适用于包装应用。相比之下，纯纤维素薄膜的水蒸气透过率、水分含量和溶解度较高，表明其防潮性能较差。
作者贡献声明
阿尼莎·班贾（Anisha Bhanja）：撰写初稿及方法论部分。施拉达·布伊亚（Shraddha Bhuiya）：审稿与编辑、数据分析。约瑟夫·塞尔文（Joseph Selvin）：数据验证与概念构建。乔治·塞格尔·基兰（George Seghal Kiran）：研究指导与整体设计。
资金支持
作者感谢印度医学研究委员会提供的研究资金支持。
未引用参考文献
[38], [39]
利益冲突声明
作者声明在本研究中不存在任何利益冲突。
