作者：徐健 | 王凤仙 | 王世 | 肖曼 | 江芳唐
中国湖北省武汉市湖北工业大学生命与健康科学学院Glyn O. Phillips水胶体研究中心
摘要：
在机械强度、气体阻隔性和快速生物降解性之间取得平衡仍然是可持续食品包装面临的关键挑战。本文开发了一种可生物降解的双层薄膜（约23微米），由亲水性魔芋葡甘露聚糖（KGM）内层和疏水性乙基纤维素（EC）/玉米醇溶蛋白（zein）外层组成，旨在实现单向湿度调节并改善黄瓜的保存效果。通过逐层浇铸法制备了不同EC与zein比例的薄膜。结构分析（FT-IR、XRD、SAXS、SEM）证实了良好的界面相容性和致密的形态，且无分层现象。尽管薄膜厚度很薄，但仍表现出较高的拉伸强度（39.5–48.5 MPa）和适中的断裂伸长率（17.6–31.3%），但玉米醇溶蛋白含量较高时柔韧性有所下降。随着玉米醇溶蛋白的添加，水蒸气透过率降低（2.93–1.63 × 10-11 g·m·m-2·s-1·Pa-1），而亲水侧的透过率较高（高达4.07 × 10-11），表明具有定向传输特性。氧气和二氧化碳的透过率也相应降低（O2P: 1.44–0.61 × 10-12 g·m·m-2·s-1·Pa-1；CO2P: 2.32–1.69 × 10-12 g·m·m-2·s-1·Pa-1），且表面差异可以忽略不计。随着玉米醇溶蛋白含量的增加，密封强度也有所提高（0.017–0.043 N/mm）。土壤埋藏试验表明，含有玉米醇溶蛋白的薄膜生物降解速度更快，20天内重量损失达到了79%，而KGM–EC薄膜仅为54%。在黄瓜储存试验中，KGM–EC60/zein40薄膜减少了重量损失，保持了黄瓜的硬度，并减缓了糖分、酸度和抗坏血酸含量的下降。总体而言，本研究展示了玉米醇溶蛋白在调节双层薄膜性能方面的作用，并为设计薄型、可热封和可生物降解的蔬菜包装薄膜提供了新策略。
引言
与其他新鲜蔬菜一样，黄瓜由于水分活度高和持续的新陈代谢作用，在收获后会迅速变质，导致水分流失和腐烂（Bovi等人，2016年；Chen等人，2024a年）。作为一种非成熟型农产品，黄瓜成熟过程较慢，但其呼吸作用仍受乙烯（成熟激素）的影响（Hurr等人，2009年）。为了减少水分流失并保持采后品质，通常使用塑料薄膜对黄瓜进行包装。然而，这些薄膜虽然能有效阻挡水蒸气传输，但不可生物降解，且可能形成高湿度的微环境，促进微生物生长（Bovi等人，2016年）。为了解决这些问题，出现了具有定向湿度调节功能的可生物降解双层薄膜，这种薄膜由吸湿性内层和疏水性外层组成（Dong等人，2025年；Shan等人，2024年）。然而，现有系统通常依赖于完全水解的聚乙烯醇（PVA，不溶于冷水）和乙基纤维素（EC，不溶于水）等聚合物，这些材料在自然环境中的降解速度较慢，限制了其可持续性（Wang等人，2023年；Zhou等人，2024年）。此外，较厚的薄膜（50–150微米）不仅延长了干燥时间，还阻碍了环境中的分解（Chen等人，2019年；Dong等人，2025年；Shan等人，2024年；Zhang等人，2022年）。因此，迫切需要更薄的双层薄膜，这种薄膜应结合可调的水阻隔外层和可生物降解的吸湿性内层，以实现有效的湿度调节和快速的环境降解。
魔芋葡甘露聚糖（KGM）是一种水溶性、非离子性的多糖，来源于魔芋（Amorphophallus konjac），其分子结构由线性β-1,4连接的D-甘露糖和D-葡萄糖单元组成（摩尔比约为1.6:1），偶尔含有β-1,6分支（Katsuraya等人，2003年）。KGM具有良好的成膜性能、机械强度、快速的高膨胀能力和快速的水诱导分解特性，这些特性使其成为双层薄膜中理想的吸湿性内层（Qin等人，2023年；Xiao等人，2022a年；Xiao等人，2024年）。在本研究中，KGM被用作双层薄膜的吸湿性内层，旨在同时提供良好的机械性能和内部湿度调节功能，并加速使用后的分解。对于疏水性外层，通常使用乙基纤维素（EC），因为它具有良好的防水性和机械强度（Li等人，2015年）。然而，EC对水分的敏感性较低，限制了其生物降解性（Zhou等人，2024年）。为了解决这一问题，研究人员加入了玉米醇溶蛋白，这是一种天然玉米蛋白，含有约50%的疏水性成分和21–26%的亲水性谷氨酰胺基团（Qiao等人，2025年）。玉米醇溶蛋白提高了薄膜的湿度响应性并促进了分解，同时增强了阻隔性能（Romero-Bastida等人，2004年；Wu等人，2025b年）。因此，将EC与玉米醇溶蛋白混合有望制备出兼具功能性和改善生物降解性的疏水性外层。
在本研究中，我们通过开发由亲水性魔芋葡甘露聚糖（KGM）内层和防水性乙基纤维素（EC）/玉米醇溶蛋白（zein）外层组成的薄膜来克服上述局限性。通过调节EC与zein的比例，我们旨在控制外层的疏水性，优化定向湿度调节效果，并提高使用后的分解速度。这些目标旨在验证以下假设：减少薄膜厚度并引入湿度响应性疏水层可以同时改善湿度管理和环境降解性。为了验证这一假设，我们系统地研究了这些薄膜的结构、机械性能、湿气和气体阻隔性能以及生物降解行为，并考察了其在黄瓜储存中的实际应用。本研究的新颖之处在于证明了薄型双层结构能够同时实现高强度、定向湿度调节、有效的气体阻隔性能和快速生物降解性。这些发现突显了KGM–EC/zein双层薄膜作为可持续包装材料的潜力，适用于高水分含量的蔬菜。
材料
魔芋葡甘露聚糖（KGM）购自中国武汉的湖北强生魔芋科技有限公司，纯度≥95%，分子量为1.15 × 106 g/mol，甘露糖与葡萄糖的摩尔比为1.6:1，乙酰含量为2.5%，在1%（w/w）浓度下的粘度为24 Pa·s。乙基纤维素（EC）（乙氧基含量：48.5–49.5%，分子量：5.18 × 104 g/mol，粘度：80–120 mPa·s）购自中国菏泽的山东科源生化有限公司。玉米醇溶蛋白（zein）的纯度≥92%，分子量...
薄膜结构分析
KGM-EC/zein双层薄膜的整体结构主要受外层中EC与zein比例的影响。因此，本研究的FT-IR数据反映了EC/zen薄膜层的特性，因为测量是在反射模式下进行的，红外光束直接照射在每层薄膜的EC/zein表面上。KGM内层的光谱特性是通过纯KGM薄膜的FT-IR分析获得的。
结论
本研究证明，KGM–EC/zein双层薄膜结合了定向湿度调节、优异的机械性能和快速的生物降解性，显示出作为可持续食品包装材料的潜力。这些薄膜具有致密的形态，无分层现象，总厚度仅为约23微米，远低于许多先前报道的双层薄膜（50–150微米）。尽管厚度减小，但它们仍保持了较高的拉伸强度（39.5–48.5 MPa）...
作者贡献声明
徐健：撰写初稿、方法论设计、实验实施、数据整理。王凤仙：方法论设计、实验实施、数据分析、数据分析。江芳唐：数据验证、实验监督、资源协调、数据分析、概念构思。王世：方法论设计、实验实施
利益冲突声明
我们声明与所提交的工作没有任何商业或关联利益冲突。本文的完整内容或任何部分均未在其他地方发表或接受过审稿。
致谢
本研究得到了中山市社会福利与基础研究重点项目（2021B2015）的支持。
