背景
包装对于通过防止微生物污染以及氧气、水分和光线等环境因素来保持食品质量至关重要。聚合物由于其多功能性、低成本和易于加工而被广泛用于食品包装。在过去的几十年里，可生物降解聚合物薄膜得到了广泛开发，无论是通过使用天然衍生的聚合物，还是通过化学改性传统聚合物以增强其环境降解性。这些进展提高了包装的可持续性，并减少了与聚合物使用相关的环境影响。最近，将聚集诱导发射（AIE）发光体集成到可生物降解聚合物薄膜中进一步实现了多种功能，包括实时监测食品腐败。
聚集诱导发光的基础及其与食品包装的相关性
聚集诱导发射（AIE）是一种现象，某些分子（从金属纳米簇到天然存在的类黄酮如表没食子儿茶素没食子酸酯和山奈酚）在聚集时表现出显著的发光增强。与在固态经常经历聚集引起猝灭（ACQ）的传统发光体不同，AIE发光体在聚集时显示增强的荧光，并表现出良好的光稳定性。这使AIE发光体在实际应用中更具优势，因为它确保了在长时间光照下可靠和持久的性能。
实际上，使用AIE材料能够将传感功能整合到食品包装薄膜中。此外，一些AIE发光体（例如，小檗碱和槲皮素）含有芳香部分和/或酚羟基。这使它们能够吸收特定波长的紫外（UV）光，以提高食品包装系统的紫外屏蔽性能。许多从自然界获得的AIE材料还表现出各种生物活性，从抗氧化能力到抗菌特性。例如，掺入自组装小檗碱-肉桂酸纳米颗粒的AIE活性包装薄膜表现出显著的机械强度，并对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有很强的抗菌活性，AIE效应通过活性氧（ROS）的产生有助于增强抗菌性能。
制造AIE活性食品包装薄膜的策略
在大多数报道的研究中，AIE发光体是通过在薄膜生产之前将其与成膜溶液混合而掺入可生物降解聚合物薄膜中的。这种方法与溶液浇铸工艺兼容。另一种方法是熔融挤出。与溶液浇铸相比，熔融挤出提供了一种连续且无溶剂的薄膜生产方法。然而，熔融挤出中较高的加工温度可能导致热敏性AIE发光体的热猝灭或降解。
除了直接掺入包装薄膜外，AIE发光体也可以嵌入单独的标签中，然后附着在食品包装上用于传感目的。这种方法避免了损害包装薄膜的机械强度、阻隔性能和透明度。
在智能食品包装中的应用
动物源性易腐食品的包装
海鲜是极易受微生物生长和生化降解影响的动物源性食品之一。因此，能够实时监测新鲜度的包装策略具有重要意义。例如，虾被包装在由可生物降解聚乳酸（PLA）制成的托盘内，并用含有基于H+DQ2标签的聚（己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯）（PBAT）薄膜密封，以监测腐败情况。该指示剂对生物胺具有高灵敏度。更近期地，杨等人通过将小檗碱与β-环糊精包封的甜菜碱一起掺入玉米直链淀粉框架中，创建了一种能够双比色和荧光检测生物胺的智能包装薄膜。
除了直接使用掺有AIE发光体的薄膜外，负载AIE活性探针的标签也已用于食品包装。一个很好的例子是使用由AIE活性聚合物构建的标签，该聚合物通过结合刺激响应性聚甲基丙烯酸（PMAA）和AIE活性分子四苯基乙烯（TPE）制备，并沉积在滤纸上，以罗丹明B（RhB）作为内参。
除了海鲜，AIE也已应用于禽类产品的智能包装。例如，自组装小檗碱-肉桂酸纳米颗粒（BC NPs）被用作AIE发光体来包装新鲜鸡肉。BC NPs还可以作为光敏剂，聚集增强了它们的激发态寿命和荧光量子产率。在光激发下，这些纳米颗粒将能量转移给分子氧，产生ROS。这使薄膜具有抗菌特性。
植物源性易腐食品的包装
烘焙产品是高度易腐的植物源性食品，因其水分含量高且易受微生物生长和陈化影响。有效的包装对于延长保质期和减少食物浪费至关重要。例如，AIE活性槲皮素负载的PVA薄膜被用于包装烘焙产品。当该薄膜应用于新购买的油条和馒头时，观察到了AIE响应；然而，油条的荧光增强尤为明显。这部分是因为在油条制备过程中使用了含铝膨松剂。残留的Al3+离子可以被薄膜检测到，导致观察到的AIE增强。
除了包装烘焙产品，该薄膜还作为涂层应用于各种水果产品（即香蕉和苹果片）。涂覆后，苹果片在两小时后仍保持视觉新鲜，没有明显的褐变；而未涂覆的切片则迅速出现与酶促氧化相关的特征性棕色变色。涂层延缓水果腐败的能力归因于其抗菌和抗氧化活性。
性能优化与实际考量
AIE发光体的颜色和味道特性值得仔细考虑。某些发光体，包括核黄素和槲皮素，在掺入时会给食品包装薄膜带来颜色，可能降低包装的视觉吸引力和透明度。此外，一些AIE发光体，如槲皮素，具有天然的苦味。如果这些化合物迁移到食品中，可能会改变其感官特性并对消费者接受度产生负面影响。重要的是，并非所有AIE发光体都适合人类食用。从监管角度来看，掺入食品包装薄膜的AIE发光体将受现有食品接触物质框架的管辖。
除了上述要点，将AIE发光体掺入可生物降解聚合物薄膜会显著影响薄膜性能。例如，添加的发光体可能改变薄膜的机械、阻隔和热特性。发光体的浓度在决定薄膜的光学性能方面也起着关键作用。过度负载可能导致超出最佳水平的聚集，从而降低荧光效率、损害透明度或对机械完整性产生负面影响。相反，掺入不足可能导致次优的AIE发射，限制薄膜的功能效用。
虽然本文的重点是AIE，但还有另一种相关但机制不同的现象也涉及聚集时的发射增强，值得注意。它被称为簇发光，发生在含有富电子或杂原子部分（如羧酸盐、酰胺和胺基）的聚合物中。这些基团可以通过空间相互作用，导致可见光区域的发射。与AIE发光体类似，簇发光聚合物的一个特性是它们在低浓度溶液中不发光。只有在分子聚集时才会出现发射。
这种方法的可行性在一项先前的研究中得到证实，其中包装薄膜由纤维素衍生物制造。该衍生物通过纤维素的羟丙基化和甲基化，然后在极性非质子溶剂中进行酯交换反应合成。紫外-可见分析表明，所有薄膜都是光学透明的，在可见光谱（400-700纳米）范围内透光率约为60-85%，同时表现出对UVA（320-400纳米，长波）和UVB（280-320纳米，短波）区域的紫外阻断能力。因此，这些薄膜显著减少了紫外线透射，并有助于减轻紫外线引起的包装食品降解。此外，用于薄膜制造的纤维素衍生物的浓度和分子量与薄膜的发光强度呈正相关，并且影响它们的润湿性和渗透性。这种浓度和分子量依赖的发光调节赋予薄膜自指示能力，使其光学响应能够反映其阻隔性能。
与上述纤维素衍生物类似，淀粉也被用于生产表现出簇发光的智能食品包装薄膜。来自不同植物来源（例如荸荠、玉米和马铃薯）的淀粉薄膜的簇发光特性各不相同。这归因于淀粉固有特性（如分子量、支化度、直链淀粉与支链淀粉的比例）的差异，这些特性影响了分子缠结，从而影响了簇发光。这些薄膜展示了指示其阻隔特性和检测包装冷冻食品解冻的双重能力。
结论与展望
在过去的几十年里，大量研究证明了将AIE发光体掺入可生物降解聚合物薄膜用于智能食品包装的实际可行性和潜力。AIE发光体独特的光学特性允许灵敏地检测环境变化或食品腐败，使消费者和制造商能够更有效地监控产品新鲜度。此外，薄膜可调的机械、热和阻隔特性为针对特定食品产品定制包装材料提供了机会，确保保护和功能性。
尽管有这些有希望的特性，一些挑战仍然存在，需要进一步研究。例如，必须仔细控制AIE发光体的最佳负载量，以保持高荧光效率和理想的薄膜性能（如透明度、柔韧性和机械强度）。发光体潜在迁移到食品基质中，以及对味道或气味的可能影响，也需要仔细考虑，以确保消费者安全和可接受性。此外，迄今为止报道的大多数AIE活性食品包装薄膜仍处于概念验证阶段，通常使用实验室规模的方法（如溶液浇铸或小面积涂覆）制造。因此，它们的工业就绪度仍然有限，因为解决大规模生产、连续加工或集成到现有包装生产线中的系统研究基本上缺乏。从可扩展性的角度来看，关键挑战包括AIE发光体在高温过程（如熔融挤出）中的热和化学稳定性、在聚合物基质内保持均匀分散和可控聚集，以及在挤出或层压过程中光学响应的再现性。在未来几十年，通过在工业相关条件下进行以过程为导向的研究来解决这些挑战，对于实现AIE基智能食品包装薄膜的广泛商业应用至关重要。
尽管如此，现有文献提供了一个坚实的基础，强调了将AIE发光体集成到可生物降解聚合物薄膜中的可行性。这些材料提供的功能性能、适应性和感官反馈的结合，使它们成为下一代食品包装解决方案的极具潜力的候选者。虽然需要进一步的优化和系统研究来解决当前的局限性，但此类薄膜的总体前景是乐观的。随着将表现出ACQ的传统发光体转化为AIE发光体的可能性——正如通过用烷基链连接的双螺芴树枝状分子修饰ACQ分子的2,3,4,5,6-五(9H-咔唑-9-基)苄腈核心而成功实现的那样——预计将继续出现更多适用于食品相关应用的新型AIE发光体。AIE概念预计在增强食品安全、质量监控和消费者对包装产品的信心方面具有相当大的未来潜力。
