传统的塑料包装通常是不可生物降解的，对环境问题有重大影响，包括塑料污染、微塑料污染以及在生产中使用有毒化学品，因此迫切需求可生物降解和可持续包装。除了可持续性之外，还出现了智能包装技术，旨在通过响应内部环境变化来延长保质期或监控食品质量。目前的研究表明，乳清中的主要蛋白质 β-乳球蛋白可以转化为淀粉样蛋白原纤维（AM），为开发具有优异机械性能的可生物降解塑料提供了平台。
本文提出了一种基于淀粉样原纤维（AM）和红萝卜花青素（RRA）的新型智能包装概念，以有效监测食品变色引起的变质。蛋白质纳米原纤维生物膜由乳清蛋白开发而成，乳清蛋白用 RRA功能化，使所得薄膜具有先进的监测能力。全面的表征，包括pH响应性、水蒸气渗透性、热和机械测试以及比色响应，证明了AM/RRA薄膜与基于乳清单体结构单元的对照薄膜相比的优越性。此外，这些薄膜具有很高的抗菌和抗氧化活性，增强了它们对高效食品包装的适用性。通过整合来自乳清和天然花青素的生物基材料，本研究提出了一种可生物降解、可持续且具有成本效益的智能包装解决方案，为食品保鲜领域的环保创新做出了贡献。
图1.从萝卜皮中制备染料提取物的工艺示意图，基于乳清纳米原纤维的生物膜，并将其功能化为智能包装薄膜。
首先在酸性乙醇溶液中提取RRA 色素（步骤 1），并将乳清蛋白转化为增材制造（步骤 2）。这些纳米纤维随后与聚乙烯醇（PVA） 和甘油结合作为增塑剂，通过溶剂浇铸产生生物膜。该生物膜最终用 RRA 功能化以实现其监测能力（步骤 3）。最后一步是在混合增材制造包装薄膜上涂覆用于虾变质的 AM/RRA 传感器薄膜（第 4 步）。
图2.RRA 溶液的 pH 响应。
提取的RRA在2-12的pH值范围内表现出明显的颜色变化。图 2b 中的原子力显微镜图像进一步证实了染料掺入后AM的结构完整性，因此在单独的AM（i）和与RRA杂交的AM（ii）之间没有观察到明显的差异。在40 °C以下，花色苷没有热降解，含有AM的样品表现出比染料水溶液明显更好的花色苷保存。花青素在低 pH 值下最稳定，这与 AM 制备和薄膜流延的条件一致。FT-IR光谱证实了两个样品中都形成了 AM。
图3. 生物薄膜的表征。
包含RRA的基于蛋白质的传感器的视觉外观。所有薄膜的厚度都是均匀的，尺寸为 ≈52 ± 1.7 μm。图3c所示的水蒸气渗透性结果显示，Mono/RRA 薄膜与其他三个样品之间存在显着差异。Mono/RRA 对水蒸气的渗透性最高，因此不太适合用作包装材料。这可能归因于两种乳清单体的亲水性和花青素，它们共同放大了这种效果。图3d中的透光率测量值表明，两种彩色薄膜在≈500 nm 处的透射率较低。然而，总体趋势仍然一致，由于乳清的不透明性质，略微向左偏移，这导致 Mono/RRA 薄膜的透射率降低。与其他薄膜相比，AM/RRA 薄膜具有优异的物理性能，包括最大应力、最大应变和杨氏模量（图 3e-g）。
图4.pH 敏感智能传感器。
对于食品包装中的应用，pH敏感薄膜设计为圆形，并附着在更大的生物塑料薄膜上。最后将传感器与薄膜集成。
图5.对虾变质的颜色反应及抗氧化活性测定。
薄膜的抗氧化实验表明，增材制造薄膜通常比单体薄膜表现出更高的清除活性，通过添加花青素染料进一步增强。由非结构化形式的单个蛋白质组成的单体膜与抗氧化剂的相互作用水平不同。它们的结合位点比AM少，导致总体清除率较低，然而，用 RRA 制备的薄膜显示出略高的抗氧化活性，这表明即使结构组织或反应性基团的存在微小差异也可以增强薄膜的自由基清除能力。这强调了分子相互作用在决定抗氧化效率方面的重要性。
本文推出了一种可持续的、可生物降解的智能包装解决方案，该解决方案源自淀粉样蛋白原纤维和红萝卜花青素，能够监测海鲜变质。这些薄膜表现出强烈的 pH 响应，随着 pH 值的增加，从黄酮阳离子（pH 值为 2 时的红色）转变为各种颜色状态，有效地模拟了腐烂的海鲜并确认了包装表明新鲜度的能力。这些薄膜的食物变质传感特性与虾包装的实际情况进行了基准测试，在室温和 4 °C 下，可以通过简单的传感器颜色变化来跟踪食物随时间的变化。与基于单体的对照膜相比，蛋白质转化为AM大大增强了薄膜的性能。此外，这些薄膜还表现出很高的抗氧化和抗菌活性，凸显了它们作为智能包装解决方案的潜力，通过环境响应来延长保质期和改善质量监控。
近期，该研究成果以“Sustainable Smart Packaging from Protein Nanofibrils”为题发表于学术期刊《Advanced Materials》，论文第一作者为Mohammad Peydayesh，通讯作者为苏黎世联邦理工学院的Raffaele Mezzenga。
撰稿人：佘 雨
审稿人：王 晟
论文全文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/adma.202414658
抗菌抗污材料前沿
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