大连工业大学在纤维素基智能保鲜包装材料与应用研究取得系列进展

展源 2025-07-16

大连工业大学杜健/王海松在纤维素基智能保鲜包装材料与应用研究取得系列进展

●在全球面临食品损耗严重与塑料污染加剧的背景下，绿色智能包装为保障食品安全与实现可持续发展提供了重要支撑。植物纤维作为天然多糖的重要代表，具有良好的可再生性、生物可降解性和环境友好性，被视为石油基塑料的理想替代材料。结合智能指示与活性保鲜功能的新型植物纤维基包装，不仅可实现对食品新鲜度的实时监测与信息可视化，还能通过阻隔、缓释抗菌、抗氧化等功能延长食品保质期，减少浪费，提升安全性。然而，植物纤维材料普遍存在亲水性强、阻隔性差、活性物释放与腐败速率不匹配等系列问题，限制了其在高湿度、冷链运输等实际场景中的应用。因此，亟需通过界面结构调控、功能因子负载及智能响应设计等多重策略，赋予其优异的抗水、强度与新鲜度指示等功能，以构建兼具绿色化、功能性、易应用的智能活性保鲜包装新体系，促进食品包装产业高质量发展。

近期，大连工业大学生物基纤维材料与化学品团队杜健副教授、王海松教授针对纤维素基包装材料高度亲水性、机械强度弱、阻隔性低、缓释与腐败速率不匹配以及显色不稳定等瓶颈问题展开研究并取得了一系列进展。研究利用三重交联策略构筑的高阻隔复合膜，可以显著延长肉类食品的保鲜期；利用纳米纤维素-壳聚糖-香草醛多重交联协同策略制备的抗水高阻隔高机械强度活性保鲜包装膜，可以有效延长水果的货架期；开发的适用于高湿环境中的智能指示标签，可以实现水产品贮藏过程中可视化的新鲜度监测。相关成果先后发表于Chemical Engineering Journal (2025, 519, 165002)、Food Hydrocolloids (2025, 163, 111146)、Food Packaging and Shelf Life (2025, 49, 101524)和Chemical Engineering Journal (2025, 520, 165750)等国际学术期刊。

成果介绍

针对传统纤维材料在高湿条件下性能退化的问题，本团队提出了一种基于链距缩短的交联策略，显著提升了复合膜的综合性能（图1）。该策略通过构建共价键与非共价作用协同交联网络，有效增强了材料的抗水性与机械强度。实验结果表明，改性后的复合膜在湿润环境中的强度较传统膜提升了约35%，并能在相对湿度高达90%的条件下保持良好的结构和性能稳定。此外，多重交联还显著提高了膜材料表面的疏水性，水接触角在1秒和60秒时分别达到71.97°和68.48°（图2）。

图1. 基于链距缩短的交联策略提高膜材料性能的机理

图2. 复合膜展现出优异的抗水性与结构稳定性示意图

此外，研究团队通过将壳聚糖（CS）、纤维素纳米纤维（CNF）、香草醛（VA）和钙离子（Ca²⁺）交联，成功制备出一种兼具高耐久性与优异抗水溶性的智能包装材料（图3）。该材料通过席夫碱反应、金属离子配位和氢键作用构建了多重交联网络，有效增强了膜材料的稳定性，提升了其在高湿环境下的抗溶解性，克服了传统壳聚糖膜易吸湿溶胀的缺陷。同时，该复合膜不仅具有很好的阻隔性，还可以缓慢释放包埋的香草醛等天然抗菌活性物质，减缓果实呼吸代谢和成熟过程并抑制腐败，从而延长草莓等水果的货架期7天以下（图4）。

图3. 通过多重交联策略制备高阻隔及高抗水溶的复合膜

图4. 多重交联策略制备的复合膜延长草莓货架期的应用及机理

为了进一步提高植物纤维基材料的功能扩大其应用范围，团队创新性地提出了“里应外合”策略制备纤维素/阴离子聚丙烯酰胺（APAM）/花青素（Anth）/壳聚糖（CS）智能指示标签（图5）。带负电的APAM嵌入纤维素网络形成“内部”结构，通过静电作用与外部带正电的CS层紧密结合，形成稳定致密的复合网络结构，从而有效限制了活性物的迁移，增强了材料的结构完整性与物理性能，智能标签的湿强度由0.185 MPa显著提升至12.795 MPa，花青素释放率则从70.89%降低至19.14%。此外，该标签对挥发性氨气具有优异的响应性能，可通过颜色变化实现对虾类等易腐食品新鲜度的可视化、实时监测。指示系统创新与智能手机的RGB图像分析平台相结合，实现了便捷、直观的颜色精准识别和新鲜度监测（图6）。

图5. 基于“里应外合”策略智能指示标签的设计理念和应用

图6. CAAC4用于虾产品新鲜度监测的实际应用测试

最后，课题组对近几年关于活性食品包装智能控释材料的设计、机理及应用进行了系统总结，综述了活性包装中纳米载体控释系统的结构–功能关系及其释放动力学模型，首次将“激发阶段–速控阶段”两步释放机制与Fick扩散模型、半经验模型等多尺度动力学模型相结合建立活性包装系统（图7）。该综述对包括纳米纤维、纳米乳液、金属-有机框架（MOFs）等在内的六类典型载体的孔径特性、表面电荷分布及生物相容性进行了系统比较，明确了不同载体在负载与释放活性物质方面的优势与局限。探讨了面向多场景需求的按需释放型活性薄膜产品的发展趋势和应用潜力，为推动绿色智能包装材料的高效、精准化设计提供了理论基础和技术支撑。