综述：活性食品包装中纳米材料与生物降解的进展

《Current Opinion in Food Science》：What progress has been made in nanomaterials and biodegradation for active food packaging?

　　

活性食品包装在食品保护、货架期延长和质量保存中发挥着关键作用。自纳米技术问世以来，纳米材料已被纳入活性包装中，以提供功能性并增强机械和光学性能。与此同时，可生物降解的可再生生物质衍生聚合物越来越多地被用作包装基质，以减少环境影响。然而，纳米材料的加入可能会影响生物可降解性、毒性和整体安全性。大多数研究仍仅通过重量损失或CO₂释放来评估生物可降解性，尽管在土壤或水中的生物降解可能引发更广泛的影响，如微生物失调、生物冠（biocorona）形成、生态毒性（ecotoxicity）、发芽问题以及植物吸收或积累。因此，必须仔细评估这些方面，以确保含有纳米材料的包装不仅在使用期间有效，而且在生物降解过程中安全且影响最小。

**引言（Introduction）**
食品包装是与整个食品链相关的全球重要产业。近年来，旨在产品保护的活性包装使用增加。同时，传统塑料的替代也受到关注，主要由于海洋塑料污染，每年有超过400万吨管理不当的塑料进入海洋。在此背景下，可再生材料如天然聚合物作为开发活性、环保和可生物降解包装的多功能选择受到越来越多的关注。生物基聚合物，包括纤维素、淀粉、生物基聚乙烯、生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇（PVA）、聚乳酸（PLA）、藻酸盐、果胶、甲壳素和壳聚糖，已以其天然、化学改性或纳米结构形式进行研究，单独或与其他组分结合以增强功能特性。纳米材料（nanomaterials）因其高长径比和丰富的活性表面位点而被广泛加入可再生材料中以实现活性包装，显著提升这些生物聚合物基质的性能，尤其是抗菌活性。纳米材料通常定义为尺寸在1至100 nm范围内的材料，至少有一个维度处于纳米尺度。然而，在块体系统中，并非所有颗粒都具有相同尺寸，其物理化学性质以及环境、健康和安全方面不仅取决于尺寸，还取决于精确的形状和组成。文献表明，各种有机和无机纳米材料——如纳米颗粒（nanoparticles）、纳米管（nanotubes）、纳米粘土（nanoclays）、氧化石墨烯（graphene oxide）和纳米乳液（nanoemulsions）——可增强可再生包装材料的性能。虽然它们提供抗氧化和抗菌功能，但可能改变生物降解、影响生物可利用性，并迁移到土壤、水或人体中，因此在使用前需进行主动生命周期评估。鉴于该主题的重要性以及食品包装和纳米技术领域研究的增长，本综述总结并提供了对这些领域整合的最新研究的批判性视角，突出了在活性食品包装中使用纳米材料与其生物降解相关的进展和挑战，基于材料生命周期思维框架。

**研究设计（Study design）**
为开展本研究，使用术语“纳米技术（nanotechnology）”、“纳米材料（nanomaterial）”、“可再生材料（renewable material）”、“活性包装（active packaging）”和“食品包装（food packaging）”（单数和复数形式）在Web of Science核心合集中检索论文。所有检索到的文章首先按出版年份筛选，仅选择过去五年内发表的，随后通过标题、摘要和科学相关性确定其是否适合纳入本综述。

**活性包装：概念与功能（Active packaging: Concept and functionality）**
与传统包装不同，活性包装通过释放（如二氧化碳、抗氧化剂和抗菌化合物）或吸收（如氧气、乙烯、水分和自由基）物质，同时调节新鲜食品的生理过程，与包装食品或其周围环境相互作用，从而增强食品安全和质量。已有多项研究开发具有抗菌和抗氧化特性的活性包装，主要使用非石油基材料结合植物提取物、精油、天然增塑剂和纳米材料。含铁纳米颗粒（iron nanoparticles）的聚丙交酯薄膜在4°C储存6周的奶酪中表现出抗真菌活性，抑制了包装内表面、产品表面和奶酪基质中的真菌生长。同样，纤维素纳米晶体（CNC）和甲基丙烯酰胺改性CNC作为纳米填料加入醋酸纤维素和聚氯乙烯纳米复合材料中时显示出抗菌活性。基于藻酸盐、明胶和其他生物聚合物基质的活性包装系统也被研究，特别是用于抗菌和抗氧化应用。将纳米材料加入聚合物基质已被广泛探索作为赋予包装材料功能特性的策略。

**应用于活性包装的纳米材料（Nanomaterials applied to active packaging）**
尽管活性包装非常有吸引力，但传统基质常常因气体和氧气阻隔性能低、抗菌和抗氧化活性有限或缺失、以及机械性能差而无法满足食品包装要求。近年来，通过将纳米材料加入原始活性包装基质或将其用作包装基质本身（如纳米纤维素和纳米甲壳素）克服了这些挑战。由于其高表面积，这些材料表现出有前景的特征，包括易于功能化、曲折扩散路径以及与微生物细胞和聚合物基质的强相互作用，从而提高了活性包装对气体、水分和微生物污染的抵抗力。纳米材料可根据多种特征分类，包括尺寸、来源、化学性质、孔径和潜在毒性。基于化学性质，纳米材料可分为三类：有机、无机和杂化。有机纳米材料通常是聚合物基的，来源于天然或合成大分子，典型包括树枝状大分子、脂质体、纳米凝胶、纳米球、纳米胶囊、纳米纤维和聚合物纳米颗粒。无机纳米材料由无机元素或化合物组成，包括金属（如金、银）、金属氧化物（如氧化锌、二氧化钛）、陶瓷、半导体和碳基纳米材料（如富勒烯、碳纳米管、碳纳米纤维、碳量子点、石墨烯）。有机和无机杂化纳米材料定义为具有亚微米尺度的有机和无机材料的混合物。
将纳米材料加入活性包装中可增强活性效果，相比传统系统。纳米材料既可以作为活性剂本身——如金属、金属氧化物、纳米乳液、纳米粘土——也可以作为载体——如碳基、聚合物基和纤维素基纳米材料。纳米材料的活性通常归因于多种机制，包括产生或与活性氧物种（ROS）相互作用、破坏微生物细胞膜以及与细胞内成分（如蛋白质和DNA）相互作用。此外，当用作载体时，纳米材料可以保护生物活性化合物免于降解并实现其逐渐和受控释放，从而增强其在包装系统中的稳定性和有效性。
表1总结了关于纳米材料使用的选定研究，重点关注其功能特性及其对生物可降解性的影响。从该表可以看出，存在一种趋势，即使用纳米材料主要是为了实现针对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌活性。然而，这些材料的加入往往会影响生物可降解性，根据纳米材料类型、聚合物基质、生物降解环境和参与过程的生物体等因素，减慢或增加重量损失。此外，该表还显示生物降解过程可能与其他参数相关，如种子发芽和土壤性质。表1中回顾了多种聚合物基质与纳米材料的组合，例如聚乳酸（PLA）与CNC或木质素纳米颗粒（LNPs）的薄膜在18天内100%崩解，但重量损失率取决于薄膜结构和纳米复合材料类型；淀粉与银纳米颗粒（AgNPs）的薄膜在91天内重量损失率低于不含纳米颗粒的薄膜，且种子发芽受纳米颗粒生产方式影响；甲基纤维素/壳聚糖纳米纤维（ChNF）与ZnO-NPs的薄膜在30天内崩解超过90%，但纳米颗粒降低了重量损失率；壳聚糖/羟丙基纤维素（HPC）与CuO-NPs的薄膜重量损失率比不含纳米颗粒的低37倍；聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯（PBAT）与CuO-NPs和纤维素纳米纤维（CNF）的薄膜在4周内崩解90%，且崩解速率随纳米颗粒浓度增加而增加；聚羟基丁酸酯（PHB）与Ag和ZnO-NPs的薄膜，不含纳米复合材料时崩解率最低（45%），加入纳米颗粒后最高达74.3%；聚乳酸/聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)（PLA/PHBV）与石墨烯纳米复合材料（GNC）和/或碳纳米管（CNTs）的薄膜，纳米复合材料增加崩解率，150天后约40%；淀粉-壳聚糖木薯粘液与ZnO-NPs的薄膜15天后重量损失100%（不含纳米颗粒为95.7%），且对种子发芽和植物生长无显著影响；聚苯胺/聚乳酸与TiO₂或六方氮化硼（h-BN）的薄膜，重量损失率随纳米材料添加而变化；藻酸钠/聚乙烯醇/蜂蜜与ZnO-NPs的薄膜28天后重量损失从68%降至45%。
除表1总结的研究外，基于精油的纳米乳液已被加入聚合物薄膜基质中以开发抗菌系统。含有反式肉桂醛（trans-cinnamaldehyde）纳米乳液的果胶/乙基纤维素多层薄膜在8°C储存10天后，将碎牛肉中的微生物计数降低超过95%。同样，含有香芹油纳米乳液的壳聚糖基涂层在25°C储存7天后，使香蕉中的嗜温菌减少50%，同时丙二醛水平降低，表明脂质过氧化减少，超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性增加，提示通过ROS清除增强抗氧化防御。含金属和金属氧化物纳米颗粒的食品包装薄膜也已成为开发活性包装的关键策略。将ZnO纳米颗粒加入肉桂醛-明胶薄膜中产生了双功能包装，对革兰氏阳性菌和阴性菌均具有抗菌活性，且抗氧化活性增强，细胞活力测定表明该系统在评估条件下保持生物相容性。纳米材料也被用于调节新鲜食品的呼吸速率和质量保存。铜-壳聚糖纳米颗粒在室温下储存21天的番茄中降低了呼吸速率，并保持了更高的果实硬度，主要由于在番茄表面形成纳米网络，作为所有可能开口的潜在屏障，控制微生物感染、水分流失、气体交换/呼吸速率，然而该系统的生物降解研究仍然缺乏。
纳米纤维素在食品工业中被广泛研究为纳米纤维（CNF）和纳米晶体（CNC）。一项研究将CNF与木质素纳米颗粒（LNPs）结合生产抗氧化和抗菌活性包装薄膜。LNP的加入显著增强了抗氧化活性，归因于木质素的酚羟基及其还原和稳定自由基的能力。在23°C储存仅两天后，商用塑料包装中的覆盆子出现霉菌生长，而CNF或CNF-LNP薄膜中的覆盆子未观察到霉菌。值得注意的是，LNPs预计在水环境中保持完整，这种持久性引发了对水生生物和生态系统潜在毒性的担忧。另一项研究通过静电复合阳离子纳米纤维素纤维（CCNF）和天然橡胶乳胶制备多功能纸包装。除了改善的阻隔性能外，涂覆有CCNF顶层的纸张对大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌表现出显著的杀菌活性，归因于阳离子层与细菌膜之间的静电相互作用。
不同脱乙酰度的脱乙酰甲壳素纳米纤维通过浇铸法生产薄膜。脱乙酰度越高，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性越强。细菌与脱乙酰甲壳素之间的静电相互作用导致膜破裂，引起细菌细胞内容物外流而死亡。未观察到甲壳素纳米纤维的细胞毒性。壳聚糖-CNC复合薄膜表现出强杀菌和杀真菌活性，尤其在10–25 wt% CNC时实现完全微生物灭活。这种抗菌性能归因于刚性棒状CNC颗粒破坏微生物细胞膜、促进质子化（阳离子）壳聚糖与细胞相互作用的协同机制。薄膜在4°C储存14天的鸡肉包装中有效延迟了假单胞菌和肠杆菌科细菌的生长。需强调，在将可再生材料科学、食品科学和纳米技术整合以利用各种纳米材料开发活性食品包装方面已取得重大进展，这些纳米材料作为添加剂、基质或两者结合，改善了功能特性（主要是抗菌性能）。然而，当这些系统进行生物降解时，基质中的活性化合物可能与环境生物群相互作用，可能造成不利影响，如生物体积累、植物生长变化、微生物选择等，取决于材料及其特性。抗菌活性是影响生物降解最重要的特性之一，因为微生物在此过程中发挥核心作用。因此，该领域的下一个关键步骤是加深对这些材料末期特征和环境影响的理解，特别关注材料生物降解对环境的更深入影响。

**基于纳米材料的包装的可持续性与生物可降解性（Sustainability and biodegradability of nanomaterials-based packages）**
除了对可再生材料的需求外，活性包装还必须符合生物可降解性和安全性原则，契合“同一个健康”（One Health）概念，该概念促进环境、人类和动物健康的整合。随着活性包装系统复杂性的增加，评估其完全生物可降解性及其环境影响变得更加困难。传统方法如随时间变化的重量损失（表1）已不再足够。例如，抗菌剂可能通过改变微生物群落动态（特定群体的过度表达或抑制）对土壤微生物群产生不利影响。此外，周围环境的特征在生物降解过程中起着根本作用，该过程与材料的特性和降解发生的环境条件密切相关。
当纳米复合材料与环境接触时，生物降解主要通过微生物作用发生；然而，某些组分可能抵抗或快速降解，有时释放出更有毒的化合物。此外，这些降解化合物或已存在于薄膜基质中的纳米化合物（如纳米颗粒、纳米球）与环境中的物质相互作用，完全改变其毒性，这一现象称为生物冠（biocorona）形成。因此，仅测量生物降解速率是不够的，需要多学科努力来追踪整个生物降解过程并评估对环境、动物和人类健康的影响。
其他领域已建立的方法也应被纳入这些研究。例如，水生毒性可使用成熟的模型进行评估，如微甲壳类动物（如水蚤、Thamnocephalus platyurus和卤虫）和其他水生生物（如斑马鱼和普通小球藻）。土壤和陆地效应也可通过植物试验评估，如种子发芽、根生长、细胞毒性/基因毒性和生理应激反应，以及使用陆地生物如赤子爱胜蚓、黄粉虫、蜡螟和白符跳。此外，土壤微生物群落的变化可使用分子技术如16S rRNA测序进行研究。这些方法代表有价值的测试，可使用从活性包装系统在水生或土壤条件下收集的降解产物进行。此类评估能够更现实地预测生态系统影响，而不仅仅是评估CO₂生成（这也很重要）。然而，同时应用所有这些策略可能成本高昂且不总是具有策略性。因此，建议除了评估CO₂生成外，至少包括一项标准化水生毒性试验或一项陆地/植物基测试，以有效评估生物降解影响。此外，当相关时，应考虑微生物群落的量化或群落变化的评估，因为它们在生物降解过程中起核心作用。高级测试策略，如使用先进光谱学、色谱-质谱联用及其他分析技术提取和鉴定生物降解中间体/碎片以及残留在环境中的不可生物降解包装组分，也根据材料推荐使用。因此，根据材料特性和预期的最终处置场景选择最合适的测试至关重要，确保评估现实地代表末期条件。
含有纳米纤维素的淀粉薄膜改善了土壤水分和持水能力，对植物生长至关重要。它们增加了土壤呼吸和总有机碳与氮，表明薄膜分解，同时水溶性有机碳释放减少，土壤pH基本不变。一项相关研究评估了淀粉、淀粉+纳米纤维素和淀粉+纳米纤维素+茶提取物薄膜，揭示了不同的土壤生物降解曲线，纯淀粉薄膜观察到更高的微生物活性，而其他配方活性较低。这些发现印证了本综述提出的观点，因为茶提取物以其抗菌特性而闻名，可能降低微生物活性。重要的是，这些结果强调仅靠重量损失分析不足以完全解释生物降解过程，因为材料可能达到相似的整体生物降解水平（如100%），同时对环境产生不同影响。
除分解环境的变化外，薄膜生物降解速率可影响降解介质中释放组分的浓度。一项关于抗氧化PVA基基质的研究表明，聚乙烯醇（PVA）薄膜对NH₄⁺（0.335 mg L^-1 day^-1）和H₂PO₄^-（0.269 mg L^-1 day^-1）离子具有较高的肥料释放速率。相比之下，含有PVA、硫酸盐木质素和LNPs的薄膜显示出较低的释放速率，可能由于木质素的抗菌特性导致微生物活性降低。为进一步评估这些材料的环境影响，将这些薄膜用作番茄栽培的地膜，观察到了作物性能的差异。
活性包装生物降解对土壤的影响至关重要，但同样重要的是研究其对其他环境因子的影响，如昆虫（陆地动物中最多样化的群体，是重要的蛋白质来源）和水生生物。尽管一些纳米材料（如纳米颗粒）已知会积累或对水生生物（包括鱼类和甲壳类）造成损害，但这些薄膜的生物降解行为仍不清楚。这是因为降解后，纳米材料可能残留在土壤中或通过雨水等自然现象淋溶到其他土壤分区或水体中。在该循环的最后一步，纳米材料可能通过作物和水生生物积累后与人类和动物接触。在此背景下，对这些材料进行有效的生命周期研究至关重要，特别是在“同一个健康”概念框架内，该概念在活性食品包装纳米材料的设计中整合多学科方法，旨在不仅为人类健康，也为更广泛的环境和生态系统健康实现活性食品包装的安全开发，并推进“安全与可持续设计”（Safe and Sustainable by Design, SSbD）概念。SSbD强调从材料开发的早期阶段就整合安全性和可持续性考虑。该方法要求预见并解决材料在整个生命周期中对健康、环境、社会和经济可能产生的影响。遵循该方法，Brunelli等人开发了一种嵌入多组分纳米材料（膨润土纳米粘土和丁香精油）的低密度聚乙烯（LDPE）薄膜。进行了材料物理化学表征、化学前体的潜在危害筛选、体外毒性测试以及通过迁移测试对工人安全和消费者安全的评估。结果表明，可以在实现预期包装功能的同时最小化对消费者和工人的影响，从而满足活性食品包装的SSbD概念。

**结论与展望（Conclusions and perspectives）**
总之，在纳米技术与可再生材料之间建立联系已显示出在食品包装行业（尤其是活性包装）中的巨大应用潜力。在含有可再生聚合物的活性食品包装中加入纳米材料以赋予活性特性方面已取得重大进展，这些活性特性是活性包装概念的核心，对延长食品货架期和保持质量至关重要。然而，这些系统的使用也可能在废弃后加速活性纳米材料向环境释放，对生态系统构成潜在风险。展望未来，关键挑战包括开发在短时间内完全可生物降解的活性包装系统，以及至关重要的是，全面理解与其释放和生物降解相关的影响。解决这一问题需要遵循“同一个健康”和SSbD框架，这不仅涉及量化材料重量损失，还包括评估对土壤生态系统、动物健康和潜在人体暴露的更广泛后果。尽管对这些问题的关注日益增加，但支持此类整合评估的标准化协议和稳健分析方法在该领域仍然有限。然而，来自其他领域的方法（如已建立的土壤和水生系统生态毒性测试）可为此目的进行改造。因此，应用这些方法工具代表活性包装技术可持续发展的关键且具有挑战性的前沿。