近日，南京農業大學黃明教授團隊在中科院一區

LWT-Food Science and Technology

雜志（IF 6.0）上發表最新成果，標題為“ Optimization and characterization of modified starch-chitosan composite films incorporated with

Gongju

extract ”。南京農業大學Yang Xinyi為第一作者，黃明教授為通信作者。

1 引 言

塑料包裝因優異的阻隔性和機械特性被廣泛使用，但其難以降解的特性導致嚴重的環境問題，同時合成食品添加劑可能帶來健康風險。因此，基于天然高分子材料并負載植物提取物的可降解活性包裝材料成為研究熱點。天然植物提取物富含酚類、黃酮類等生物活性物質，兼具安全性和功能性，在抗氧化、抗菌方面表現優異，可替代傳統合成添加劑。

貢菊作為藥食同源植物，其提取物（chrysanthemum extract，CE）抗氧化和抗菌活性顯著。然而，CE在活性包裝中的應用尚未被充分研究。殼聚糖（chitosan，CS）是一種可生物降解的多糖，具有成膜性和廣譜抑菌性，常作為活性包裝材料。但單一材料性能有限，通常需與其他材料復合。改性淀粉如乙酰化己二酸雙淀粉（acetylated distarch adipate，ADA）因成膜性好、穩定性高，在包裝領域具有潛力，但ADA與CS復合膜的研究較少。

本研究篩選了杭白菊提取物（Hangbaiju extract，HE）、貢菊提取物（Gongju extract，GE）和金絲皇菊提取物（Jinsihuangju extract，JE），基于抗氧化和抗菌活性選擇GE作為添加劑。通過響應面法（response surface methodology，RSM）優化ADA/CS/GE復合膜的配方，以功能活性、阻隔特性和機械特性為響應變量，并通過傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）、掃描電鏡（scanning electron microscopy，SEM）、X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）等技術表征膜的結構和特性，旨在開發一種高性能的天然活性包裝材料。

2 結果與討論

2.1 實驗設計與模型優化

采用響應面法中的Box-Behnken設計優化復合膜配方，以ADA含量（A，% m/V）、CS含量（B，% m/V）和GE添加量（C，% m/V）為自變量，考察1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除率、抑菌圈直徑（diameter of inhibition zone，DIZ）、水蒸氣透過率（water vapor permeability，WVP）、抗拉強度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EAB）共5 項響應值。方差分析表明，所有模型均顯著（P＜0.05），決定系數（R2）為0.8672～0.9819，失擬檢驗不顯著（P＞0.05），說明模型擬合良好，可用于預測響應值。

DPPH自由基清除率隨GE添加量增加呈先升后降趨勢，最大值對應GE含量1.3%（m/V）。DIZ隨CS添加量增加而增大，隨GE添加量增加呈拋物線型變化，最優GE添加量為1.25%（m/V）。WVP隨ADA/CS含量增加先降后升，低含量聚合物通過氫鍵形成致密網絡降低WVP，高含量則因親水性基團增多導致WVP上升。TS隨CS添加量增加而增大，因CS的NH3＋基團與ADA的—OH形成氫鍵；GE的添加則因破壞聚合物有序結構導致TS下降。EAB隨聚合物含量增加而降低，GE通過干擾鏈段纏結提高膜的柔韌性，EAB隨GE添加量增加而上升。

2.2 復合膜的最佳配方

軟件對5 個響應變量進行優化以確定性能增強的成膜配方。本研究中，將WVP最小化，同時最大化DPPH、DIZ、TS和EAB。預測的最佳配方為2.00%（m/V）ADA、1.30%（m/V）CS和1.25%（m/V）GE。相應的預測響應值為：DPPH自由基清除率為94.90%，DIZ為17.55 mm，WVP為0.80×10－11 g?s－1?m－1?Pa－1，TS為5.32 MPa，EAB為132.13%。為驗證模型的準確性，將預測響應值與實際實驗值進行比較，結果表明預測結果與實驗結果吻合良好。

2.3 流變學特性

復合膜溶液表現為假塑性流體，剪切速率增加時黏度下降。CS的加入顯著提高溶液黏度（從ADA的0.102 Pa?s?升至CS的1.435 Pa?s?），因其分子鏈含大量極性基團，形成復雜網絡結構；GE的—OH基團削弱鏈段纏結，使黏度降至0.277 Pa?s?，改善溶液流動性。動態流變顯示，儲能模量始終大于損耗模量，表明溶液以彈性為主，成膜過程中可形成穩定凝膠網絡。

2.4 微觀結構與相互作用

SEM：純ADA膜表面光滑，CS膜因結晶形成粗糙結構；ADA/CS膜表面略粗糙，顯示聚合物間相互作用；ADA/CS/GE膜表面平整均勻，GE均勻分散未形成團聚，證實相容性良好。

FTIR：ADA/CS復合膜在3282 cm－1（O—H/N—H伸縮振動）和1644 cm－1（酰胺I帶）的峰位偏移，表明ADA與CS通過氫鍵結合；GE加入后，3286 cm－1和1656 cm－1峰位進一步偏移，顯示多酚羥基與CS氨基形成新氫鍵。

XRD：ADA膜在2θ＝17.3°、19.8°、21.9°處顯示典型A-型結晶峰；ADA/CS膜中A-型峰消失，出現20.4°和28.0°的新峰，表明聚合物間相互作用導致結晶結構重構；GE的加入使衍射峰強度降低，結晶度下降，歸因于多酚干擾淀粉鏈有序排列。

2.5 熱穩定性

ADA/CS膜的吸熱峰溫度（91.4、221.9 ℃）高于純CS膜（81.4、210.0 ℃），表明復合后熱穩定性提升；GE的加入使峰溫略微下降（87.8、201.8 ℃），因多酚與聚合物作用削弱了基質熱穩定性，但降幅在可接受范圍內。

2.6 膜形成機制

復合膜形成過程中，CS在乙酸溶液中質子化形成NH3＋，與ADA的—OH通過氫鍵交聯，形成致密網絡結構，增強阻隔性和機械強度。GE的多酚類成分通過氫鍵嵌入聚合物網絡，雖輕微破壞有序結構導致TS下降，但顯著提升抗氧化和抗菌活性，并通過紫外吸收基團賦予膜光保護功能。

2.7 紫外-可見光譜

紫外-可見光譜光阻隔能力是活性包裝材料的關鍵特性，可保護食品營養和感官品質，減少脂質氧化產生的異味和有害物質。純ADA膜、CS膜及ADA/CS復合膜在紫外區（200～400 nm）和可見光區（400～800 nm）均具有高透光率，因其缺乏苯環、共軛結構等紫外吸收基團。相比之下，摻入GE的ADA/CS/GE膜透光率顯著降低，紫外區透光率接近0%，這歸因于GE中蘆丁、芹菜素等黃酮類化合物的苯環和共軛體系對特定波長光的吸收作用，同時GE填充膜基質間隙進一步阻礙光透過。盡管GE使膜在可見光區透光率下降、透明度降低，但其顯著提升的紫外阻隔特性使其適用于光敏食品的包裝保護。

2.8 復合膜功能活性分析

抗氧化活性：GE的添加顯著提升復合膜的DPPH自由基和2,2′-聯氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)，ABTS）陽離子自由基清除能力，最優配方下DPPH自由基清除率達92.87%，ABTS清除率接近90%。這歸因于GE中豐富的多酚（如綠原酸）和黃酮類化合物（如蘆丁），其酚羥基可作為電子供體淬滅自由基。純CS膜因殘留氨基基團表現出一定抗氧化性，但顯著低于GE復合膜。

抗菌活性：ADA/CS/GE 膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均表現出抑菌活性，DIZ分別為 17.6 mm和18.3 mm。CS的抗菌機制主要通過氨基與細菌細胞膜相互作用，增加通透性；GE 中的萜類和酚酸類成分可破壞細菌膜結構，二者協同增強抗菌效果。革蘭氏陽性菌（如金葡菌）因細胞壁較厚，抑菌效果略弱于革蘭氏陰性菌（如大腸桿菌）。

3 結 論

本研究以ADA和CS為基材，GE為活性添加劑制備活性包裝膜，通過RSM優化得出最佳配方為2%（

m

V

）ADA、1.3%（

m

V

）CS和1.25%（

m

V

）GE。結果表明，ADA與CS的交聯相互作用可改善膜的阻隔特性，GE則增強膜的柔韌性，將紫外透射率降至約5%，使抗氧化活性超過90%，抗菌活性顯著提高。流變學、SEM、FTIR和XRD分析證實聚合物基質與添加劑之間具有良好的相容性，且觀察到其之間存在氫鍵。總體而言，本研究系統地研究了摻入GE的ADA和CS的最佳配方，表明所制備的膜在活性包裝應用中具有巨大潛力。

Fig. 1. Response surface plots.

Fig. 2. The rheological behavior of the film solutions. Steady rheological curve (A, B), dynamic rheological curve (C).

Fig. 3. Surface morphology (A), FTIR (B), and XRD (C) of films.

Fig. 4. DSC (A), light transmittance (B), antioxidant activity (C, D), and antimicrobial activity (E, F) of films. The results are shown as means ± standard deviations (

n

= 3). Different letters showed significant differences among the samples (

P

< 0.05).

Fig. 5. The schematic diagram of the film formation mechanism.

專家介紹

黃明教授

南京農業大學食品科學技術學院

南京農業大學教授、博士生導師、黃教授品牌創始人。國家重點研發計劃首席科學家，兼任國家肉雞產業技術體系執行專家組成員、國際標準化組織（ISO/TC34/SC6）工作組專家、全國屠宰加工標準技術委員會委員、全國畜牧業標準化技術委員會委員，《Food Science of Animal Products》和《肉類研究》科學主編，國家禽肉加工技術研發專業中心主任、國家肉雞產業技術體系溧水綜合試驗站站長、江蘇省畜禽產品加工工程技術研究中心主任、南京肉制品加工產業創新中心主任等。

主持“十四五”國家重點研發計劃項目，國家自然科學基金、江蘇省重點研發計劃等國家和省部級課題30余項。在國內外學術刊物上發表論文200余篇，主參編著作9 部，制修訂標準13 項，獲授權專利30余件。創立的產學研一體化技術轉化模式入選中國高校產學研合作十大優秀案例。以第一完成人獲神農中華農業科技獎一等獎，全國農牧漁業豐收獎農業技術推廣貢獻獎，中國輕工業聯合會科技進步獎一等獎，全國商業科技進步獎特等獎，南京市市長質量獎等6 項。以主要完成人獲國家科技進步獎二等獎等國家和省部級獎勵5 項。

入選國家萬人計劃領軍人才、國家神農領軍英才、泰山產業創新領軍人才、南京市科技頂尖專家等人才計劃。獲全國農村創業創新優秀帶頭人，教育部全國萬名優秀創新創業導師，江蘇省“送科技下鄉促農民增收”優秀科技特派員等榮譽稱號。

實習編輯：張慶芬；責編：張睿梅

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為貫徹落實《中共中央國務院關于全面推進美麗中國建設的意見》《關于建設美麗中國先行區的實施意見》和“健康中國2030”國家戰略，全面加強農業農村生態環境保護，推進美麗鄉村建設，加快農產品加工與儲運產業發展，實現食品產業在生產方式、技術創新、環境保護等方面的全面升級。由 中國工程院主辦， 中國工程院環境與輕紡工程學部、北京食品科學研究院、湖南省農業科學院、岳麓山工業創新中心承辦， 國際食品科技聯盟（IUFoST）、國際谷物科技協會（ICC）、湖南省食品科學技術學會、洞庭實驗室、湖南省農產品加工與質量安全研究所、中國食品雜志社、中國工程院Engineering編輯部、湖南大學、湖南農業大學、中南林業科技大學、長沙理工大學、湘潭大學、湖南中醫藥大學協辦的“ 2025年中國工程院工程科技學術研討會—推進美麗鄉村建設-加快農產品加工與儲運產業發展暨第十二屆食品科學國際年會”，將于2025年8月8-10日在中國 湖南 長沙召開。

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