《International Journal of Biological Macromolecules》：Preparation and preservation performance study of chitosan-gelatin bilayer composite film with excellent mechanical properties and biodegradability
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基于虾壳提取的壳聚糖与明胶通过层叠法构建的双层复合薄膜，外层添加蒙脱土增强机械性能，内层负载茶油提升抗氧化能力，成功解决生物质薄膜机械强度不足和抗氧化性弱的问题，草莓保鲜期延长至11天且完全降解周期仅10天。
马润芳|余琼芬|李明|詹丹雅|孙胜楠|丁美迪|姜芬|宋志豪|王志金|舒磊|姚慧
云南省师范大学太阳能研究所，中国云南省昆明市，650500
摘要
基于生物质的材料通常具有很强的亲水性，导致其制备的薄膜机械强度和保鲜性能不佳。这些限制阻碍了它们在食品包装中的应用。本研究报道了一种具有增强机械强度和抗氧化性能的可降解薄膜，可用于食品保鲜。通过碱法脱乙酰化从虾壳中提取壳聚糖，然后与明胶结合，并使用柠檬酸作为交联剂制备薄膜。通过层层浇铸法制备了双层复合薄膜，将山茶油加入抗氧化层，将蒙脱石（MMT）加入增强层。结果表明，多组分协同设计策略（山茶油-蒙脱石-壳聚糖-明胶）显著提高了薄膜的性能。在MMT与壳聚糖的质量比为1:1时，复合薄膜的断裂伸长率为386%，接触角为106.93°，DPPH自由基清除效率为99.85%。与聚乙烯薄膜相比，该壳聚糖-明胶双层复合薄膜可将草莓的保质期从3天延长至11天。此外，这种复合薄膜在土壤中可在10天内完全降解。总之，本研究不仅实现了生物质废弃物（如虾壳和蟹壳）的再利用，还开发出一种新型的可降解活性包装材料。
引言
水果和蔬菜的采后变质由四个相互关联的过程引起：维持代谢活动的好氧呼吸、由蒸腾作用导致的水分损失、处理过程中的机械损伤以及微生物增殖[1]。食品包装可以保护农产品免受外部环境因素的影响，从而延缓其变质并减少浪费[2]。由于人们对食品安全和环境可持续性的关注日益增加，关于可降解和可食用包装材料的研究迅速发展[3]。基于天然生物聚合物的薄膜已成为保鲜科学的研究重点，为不可降解塑料提供了环保替代品[4]。
由于天然生物聚合物资源丰富、成本低廉、无毒、可再生且可食用，它们越来越多地被用作初级包装材料[5]。壳聚糖是一种从甲壳类动物和昆虫外骨骼中提取的线性阳离子多糖，具有出色的生物相容性、可降解性、成膜能力以及固有的抗菌和抗氧化活性。这些特性使其在食品包装、化妆品和生物医学领域具有广泛应用前景[6]。在酸性条件下，壳聚糖中的氨基发生质子化，生成带正电荷的阳离子，这些阳离子通过抑制酶活性、阻断细胞内物质运输和破坏微生物膜通透性发挥抗菌作用[7]。然而，其较差的机械性能和阻隔性能限制了其实际应用，可以通过混合、交联或纳米复合技术来解决这些问题[5]。
壳聚糖/明胶复合薄膜具有更好的机械强度、柔韧性和生物活性。明胶是一种两性聚电解质生物聚合物，具有优异的成膜能力、生物相容性、可降解性和加工性能[8]，但受高湿度影响较大，抗菌活性较弱[9]。壳聚糖的等电点（pH 6.5）高于明胶（pH 4.7）。在弱酸性溶液中，这两种聚合物通过氢键和静电相互作用形成稳定的聚电解质复合物[10]。柠檬酸是一种天然来源、低成本且环保的交联剂，既能增强风味又能作为防腐剂，广泛用于提高生物聚合物薄膜的性能[11]。
尽管在优化生物聚合物复合薄膜方面取得了显著进展，但抗氧化活性不足和机械性能不佳仍然是关键瓶颈[12]。活性包装通过将植物精油和纳米粒子等功能性成分引入包装材料中，能有效抑制微生物生长，提高保鲜效果，确保食品安全并延长保质期，因此成为食品包装领域的研究热点[13]。高等人开发了一种含有金银花提取物、蒙脱石（MMT）和壳聚糖的复合薄膜，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果超过98%[14]。牛等人将没食子酸引入壳聚糖/明胶薄膜中用于猪肉保鲜，使DPPH和ABTS自由基清除率分别达到93.1%和94.1%，保质期延长了221.73%，达到5天。这些结果展示了其在活性食品包装中的潜力[15]。
作为安全且可食用的抗氧化剂，山茶油在活性包装研究中受到广泛关注，但其高挥发性、强烈气味和较差的稳定性限制了其实际应用[16]。乳化技术可以将疏水性植物精油融入亲水性聚合物基质中，减少刺鼻气味并提高薄膜的疏水性和抗氧化性能[17]。蒙脱石（MMT）是一种层状纳米粘土，通过增强机械强度、阻隔性能和抗氧化性来改善聚合物薄膜的性能[18]。
尽管近期研究取得了进展，但仍存在一些局限性。M. El Mouzahim等人制备的壳聚糖/高岭石-无花果叶提取物薄膜能有效保鲜苹果并延缓氧化，但他们的研究中未进行生物安全性和迁移量评估[19]。李等人将香兰素衍生物引入壳聚糖薄膜中，使DPPH和ABTS自由基清除率分别达到82.2%和99.39%，保质期延长至6天，但薄膜的整体机械性能未见改善[20]。朱等人开发的单层壳聚糖/玉米醇溶蛋白薄膜将鱼类保质期延长了14天，但最大EAB仅为36.38%，柔韧性不足，无法实际应用[21]。
本研究针对基于生物质的包装材料存在的机械强度不足和抗氧化性能不佳的问题，开发了一种完全基于生物材料的绿色双层薄膜，提供了一种可行的技术解决方案。通过碱法脱乙酰化从虾壳中提取壳聚糖，并使用柠檬酸作为pH调节剂与明胶交联，通过层层浇铸法制备双层结构。在保护层中添加蒙脱石以增强机械强度和阻隔性能，在功能层中添加山茶油以赋予抗氧化活性。这种策略产生了新型的完全基于生物材料的双层系统，旨在协同提高可降解性和保鲜性能。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和热重分析（TGA）对薄膜的微观结构、晶体结构、化学成分和热稳定性进行了表征。通过DPPH自由基清除实验量化了抗氧化活性，并通过新鲜草莓验证了其实际保鲜效果。此外，还通过土壤埋藏实验评估了其生物降解动力学。
材料提取和双层复合薄膜制备
虾壳采集自云南省昆明市呈贡区。其他化学试剂的详细信息见补充材料。
壳聚糖的提取过程分为四个步骤：（1）脱盐、（2）脱蛋白、（3）脱色和（4）碱法脱乙酰化[22]。虾壳的处理步骤如下：
(1)。脱盐：将壳粉在30°C下用2 M HCl搅拌24小时进行脱盐（固液分离）
复合薄膜形态特征分析
采用扫描电子显微镜（SEM）结合能量分散X射线光谱（EDS）对复合薄膜的表面和截面进行微观结构和元素分布分析，以阐明其宏观性能的微观基础。如图3所示，薄膜表面均匀无裂纹或孔洞，截面分析也证实没有分层现象。
结论
本研究针对基于生物质的薄膜的缺点进行了改进，包括机械性能不足、抗氧化活性弱和保鲜效果不佳。通过简单的层层浇铸方法和多组分协同设计策略，制备出了一种完全基于生物材料的薄膜。该薄膜表现出优异的机械性能、抗氧化活性和可降解性。具体而言，CGOM1薄膜的EAB达到了386%，接触角为
CRediT作者贡献声明
马润芳：撰写——初稿撰写，概念构思。
余琼芬：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。
李明：撰写——审稿与编辑。
詹丹雅：数据分析，概念构思。
孙胜楠：概念构思。
丁美迪：数据分析。
姜芬：数据可视化。
宋志豪：软件处理。
王志金：数据分析。
舒磊：实验研究。
姚慧：数据管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本手稿的研究结果。
致谢
本研究得到了云南省基础研究重点项目（202501AS070002）的支持。
