基于可再生zein的生物塑料薄膜，通过嵌入银纳米粒子的酪蛋白纳米复合材料进行增强，用于活性水果包装：性能表征与功能评估

陈国治|赖友仁|林民成|何素春
台北科技大学化学工程与生物技术系，台湾台北10452

**摘要**
本研究旨在合成嵌入银纳米粒子的酪蛋白纳米复合材料（AgNP@CN），并将其掺入玉米醇溶蛋白（ZN）衍生的生物塑料薄膜中，以增强其功能性。研究了AgNP@CN的形状、尺寸/维度、形态、表面电荷和表面化学性质。在制备出AgNP@CN改性的ZN生物塑料薄膜（AgNP@CN-ZN）后，对其进行了表征。结果表明，掺入AgNP@CN显著改善了ZN薄膜的机械性能、热稳定性、表面疏水性和紫外线抗性。此外，AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜的水蒸气阻隔性能与传统塑料相当或更优。在食品包装方面，AgNP@CN-ZN薄膜有效减少了香蕉皮在储存过程中的重量损失和酶促褐变现象。用AgNP@CN-ZN薄膜包裹的香蕉果肉中银含量为5.57×10^-5 mg/kg，远低于特定迁移限值。总体而言，该研究展示了利用纳米粒子-蛋白质复合材料增强生物塑料功能性以应用于可持续包装的可行性。

**1. 引言**
全球对塑料产品的需求持续增长，预计塑料包装行业的年增长率将超过3%（Green.Earth；Ncube, Ude, Ogunmuyiwa, Zulkifli, & Beas, 2021）。一次性塑料设计用于单次使用后丢弃，占塑料废物的很大比例，每年有超过800万吨进入海洋生态系统（Green.Earth；Ncube et al., 2021；Yerramsetti, 2024）。根据联合国环境规划署（UNEP）的估计，每年产生的塑料废物约为4亿吨。预计到2050年，初级塑料的产量可能达到11亿吨。因此，塑料污染已成为一个普遍的全球环境问题，表现为塑料废物在各种生态系统中的积累。这一问题导致陆地和海洋污染、生物多样性丧失，并通过制造、处置和分解过程中的温室气体（GHG）排放加剧气候变化（Sadhu, Garg, & Kumar, 2018）。此外，不可降解的微塑料（通常小于5毫米）由塑料产品降解产生，对人类健康和环境构成重大风险（Shen et al., 2020）。鉴于对塑料污染的日益关注，基于蛋白质的生物塑料被视为传统化石基塑料的绿色可持续替代品，有助于缓解塑料污染问题（Patel, Murali, Choudhary, Purnima, & Pal, 2025）。

基于蛋白质的生物塑料来源于动物和植物资源，如乳清蛋白、酪蛋白、大豆蛋白、面筋和玉米醇溶蛋白，通过减少对化石燃料的依赖、降低环境影响和减少塑料生产的碳足迹，提供了更可持续的选择（Ding et al., 2025；Patel et al., 2025）。由于基于蛋白质的生物塑料在特定环境条件下可降解为无毒物质，其可生物降解性在缓解全球塑料污染方面起着关键作用（Lai, Ho, Yang, Lin, & Wang, 2025；Lin et al., 2025）。不幸的是，由于蛋白质基生物塑料的机械性能较差、气体和水分阻隔性能不佳以及热稳定性和耐水性低，其在包装中的应用受到限制。尽管蛋白质基生物塑料环保且有助于循环经济，但仍需解决与其性能相关的缺点/限制。为应对塑料污染带来的全球挑战，探索功能性填料和增强添加剂以改善蛋白质基生物塑料的性能至关重要。用于蛋白质基生物塑料的功能性填料和增强添加剂包括：(a) 金属纳米粒子，(b) 抗菌剂，(c) 精油乳液，(d) 纤维素纳米晶体，(e) 淀粉样聚集体，(f) 羟基磷灰石，(g) 蒙脱石（Abookleesh, Upadhyay, & Ullah, 2024；Dissanayake, Vidanarachchi, Narvaez-Bravo, Mekonnen, & Bandara, 2025；Lin et al., 2025；Tan, Han, Zhang, Li, & Shang, 2021；S. Yang et al., 2024）。

玉米醇溶蛋白（ZN）是主要的蛋白质成分，在玉米油提取、生物乙醇工业和玉米淀粉湿法加工过程中产生的蛋白质废物和副产品中含量丰富。统计数据显示，全球每年来自谷物行业的蛋白质废物产量超过2.5亿吨（Peydayesh, Bagnani, Soon, & Mezzenga, 2022）。此外，玉米中的ZN比例高于其他蛋白质组分，如菜籽蛋白、米糠蛋白、葵花籽蛋白和大豆蛋白（Peydayesh et al., 2022；J. Zhou et al., 2022）。然而，由于其低水溶性和不平衡的氨基酸组成，ZN主要被视为蛋白质废物或用作动物饲料，而非人类食用营养素。从可持续性的角度来看，作为一种植物基蛋白质，ZN因其较高的整体可持续性、较低的温室气体（GHG）排放和环境影响而成为生物塑料生产的有前景的原料（Lai, Ho, et al., 2025；Peydayesh et al., 2022；J. Zhou et al., 2022）。

目前，越来越多的研究集中在开发基于ZN的功能性材料上，涉及纳米技术、分离工程、生化工程和食品科学等多个领域（Corradini et al., 2014；Lai et al., 2025；Matheus, Castro, Ferreira, Forster-Carneiro, & Colpini, 2025；Paliwal & Palakurthi, 2014）。由于其可生物降解性、生物相容性、成膜性能、可再生性和天然来源的丰富性，ZN被认为是生物塑料开发的潜在候选材料（Chou et al., 2026；Lai, Ho, et al., 2025）。这些优点促进了将ZN作为食品包装材料的想法，并推动了基于ZN的生物塑料作为化石基塑料的可持续替代品的发展。一些基于ZN的包装材料实例包括：(1) ZN淀粉样纤维/壳聚糖生物塑料薄膜（Chou et al., 2026），(2) ZN-TiO2纳米管阵列复合薄膜（Cheng et al., 2024），(3) ZN/阿拉伯胶可食用薄膜（X. Wang et al., 2024），(4) ZN淀粉样纤维/甲基纤维素生物塑料薄膜（Lai, Ho, et al., 2025），(5) ZN和β-环糊精MOFs包装薄膜（L. Yang et al., 2025），(6) 含百里香精油的ZN纳米纤维薄膜（Ansarifar & Moradinezhad, 2021），以及(7) 明胶/ZN纳米纤维薄膜（X. Wu, Liu, He, Liu, & Shao, 2023）。

尽管基于ZN的薄膜具有许多优点，但在食品包装应用中仍存在局限性，包括机械脆性和在薄膜制备过程中对增溶剂和塑化剂的依赖（S. Wang et al., 2023）。最近的研究表明，掺入共蛋白是一种改善ZN薄膜机械性能的替代策略，同时减少增塑剂含量（Erickson, Renzetti, Jurgens, Campanella, & Hamaker, 2014）。一项研究表明，加入麦谷蛋白后，ZN薄膜变得更柔韧且不那么均匀，这归因于ZN和麦谷蛋白之间的自组装差异（Gu & Wang, 2013）。证据表明，向ZN薄膜中添加酪蛋白钠可以提高拉伸强度、热稳定性和表面疏水性以及水蒸气阻隔性能，因为酪蛋白钠与ZN之间具有高兼容性和强烈的协同作用（S. Wang et al., 2023）。另一项研究显示，基于乳清蛋白和ZN的复合薄膜在最终拉伸强度和阻隔性能方面优于仅含乳清蛋白或ZN的薄膜（Ghanbarzadeh & Oromiehi, 2008）。同样，添加ZN后明胶薄膜的耐水性和延展性得到改善，表明明胶和ZN之间的分子内或分子间氢键相互作用增强（Ahammed, Liu, Khin, Yokoyama, & Zhong, 2020）。因此，将ZN与互补的共蛋白结合被视为一种增强方法，以克服其固有的脆性并改善基于ZN的复合薄膜的整体机械、热和阻隔性能。

银纳米粒子（AgNPs）定义为尺寸约为1–100纳米的银材料，因其独特的性质和在反应工程、电化学工程和生物医学工程中的潜在应用而受到广泛关注（Abou El-Nour, Eftaiha, Al-Warthan, & Ammar, 2010；Ravindran, Chandran, & Khan, 2013）。鉴于AgNPs对病原体具有强大的抗菌活性，最近的研究将其作为纳米填料掺入薄膜材料中，以增强活性包装的抗菌性能（Awasthi et al., 2025；Carbone, Donia, Sabbatella, & Antiochia, 2016）。然而，由于其高表面自由能，AgNPs的聚集/团聚导致粒子尺寸增大、热力学稳定性降低、表面积与体积比减小以及表面等离子体共振引起的独特光学性质丧失（Lai, Lai, Wang, Kuo, & Lin, 2022）。此外，实验证据表明，AgNPs的抗菌活性取决于其大小、形状和稳定剂，从而影响AgNPs与微生物细胞之间的相互作用（Bélteky et al., 2021；Zewde, Ambaye, Stubbs III, & Raghavan, 2016）。因此，它们的聚集倾向会减少表面积并影响与微生物细胞的相互作用，最终降低AgNPs的抗菌效果。虽然AgNPs的抗菌性能得到认可，但其潜在的健康风险和向食品基质中的迁移仍是一个主要问题。由于银阳离子的过量释放或AgNPs的迁移可能对人体造成细胞毒性，欧洲食品安全局（EFSA）为食品接触材料中的AgNPs制定了迁移限值（<0.05 mg/kg食品）（Carbone et al., 2016；EFSA Panel on Food Contact Materials et al., 2021）。为此，本研究提出了一种有前景的方法，即将AgNPs嵌入CN载体/支撑物中，以防止AgNPs聚集和迁移至食品中，同时提高其胶体稳定性、生物相容性和功能性（Y.-H. Chen et al., 2021；Huang et al., 2024）。

基于蛋白质的生物塑料因其生物相容性、可生物降解性和可再生性而被认为是环保且可持续的化石基塑料替代品。本研究重点合成了嵌入银纳米粒子的CN纳米复合材料（AgNP@CN），并将其作为功能性填料和增强添加剂用于ZN衍生的生物塑料薄膜。除了研究AgNP@CN掺入对ZN生物塑料薄膜性能的影响外，还评估了将AgNP@CN改性的ZN生物塑料薄膜（AgNP@CN-ZN）作为食品包装材料的可能性。对AgNP@CN进行了表征，然后将其掺入ZN基质中形成生物塑料薄膜。掺入AgNP@CN后，ZN生物塑料薄膜的微观结构变得更加均匀和致密。红外分析显示，AgNP@CN与ZN之间的相互作用为分子间氢键。随着AgNP@CN含量的增加，AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜表现出更高的拉伸强度、断裂伸长率和分解温度，表明其机械性能和热稳定性得到增强。高AgNP@CN含量的生物塑料薄膜具有高表面疏水性、低吸湿性、优异的紫外线抗性和与传统化石基塑料相当的水蒸气阻隔性能。在包装应用中，用AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜包装后，香蕉皮的重量损失和褐变程度得到减少。总体而言，该研究提供了将纳米粒子-蛋白质混合物作为功能性填料来增强ZN衍生生物塑料性能的实例。

**2. 材料与方法**
2.1. 材料
用于合成纳米复合材料的牛乳酪蛋白（CN）钠盐、作为前体的硝酸银（AgNO3）、用于生产生物塑料薄膜的玉米醇溶蛋白（ZN）以及作为增塑剂的聚乙二醇（PEG；平均分子量约为400 g/mol）均购自Sigma-Aldrich（美国）。氢氧化钠（NaOH）和乙醇溶液（95 v/v%）分别来自Nihon Shiyaku（日本）和Echo Chemical Company（台湾）。除非另有说明，本研究中使用的所有化学品和试剂均来自Sigma-Aldrich（美国）。
2.2. 嵌入银纳米粒子的酪蛋白纳米复合材料（AgNP@CN）的制备
制备嵌入银纳米粒子的酪蛋白纳米复合材料（AgNP@CN）的实验步骤如图1A所示。首先，将适量的CN钠盐溶解在0.05 M NaOH溶液中，制备1 wt%的CN溶液。然后，将CN溶液与10 mM AgNO3溶液按3:2的体积比混合。将含有CN和前体硝酸银的溶液在室温下搅拌300 rpm孵育10天。通过溶液颜色从无色变为黄色来验证AgNP@CN的形成。最后，将含Ag@CN的溶液冷冻干燥，所得AgNP@CN粉末储存在室温下。

**图1. 实验步骤示意图：**
(A) 制备嵌入银纳米粒子的CN纳米复合材料（AgNP@CN），
(B) 合成CN改性的ZN生物塑料薄膜（CN-ZN薄膜），
(C) 制备AgNP@CN改性的ZN生物塑料薄膜（AgNP@CN-ZN薄膜）。
2.3. 合成酪蛋白改性的玉米醇溶蛋白生物塑料薄膜（CN-ZN薄膜）
合成CN改性的ZN生物塑料薄膜（CN-ZN薄膜）的实验步骤如图1B所示。20 wt% 的玉米醇溶蛋白（ZN）溶液是通过将适量的ZN粉末溶解在乙醇溶液（60 v/v%）中制备的。接下来，制备了含有ZN和CN的混合溶液，其ZN:CN的质量比为10:0、10:0.3和10:0.6。使用NaOH溶液将pH值调整至11后，向上述溶液中加入增塑剂PEG，然后在65°C下混合2小时。之后，将成膜溶液倒入模具（尺寸：6 cm × 6 cm × 0.7 cm）中，并在室温下静置24小时。最后，将CN-ZN薄膜在50°C下干燥直至溶剂蒸发，然后从模具中取出用于后续实验和应用。具有不同ZN:CN质量比（10:0、10:0.3和10:0.6）的CN-ZN薄膜分别命名为CN-ZN-0、CN-ZN-0.3和CN-ZN-0.6。

2.4. 合成AgNP@CN功能化玉米醇溶蛋白生物塑料薄膜（AgNP@CN-ZN薄膜）
制备AgNP@CN功能化玉米醇溶蛋白生物塑料薄膜（AgNP@CN-ZN薄膜）的实验步骤如图1C所示。准备了含有ZN和AgNP@CN的混合溶液，其质量比为10:0.3和10:0.6。使用NaOH溶液将pH值调整至11后，将溶液与增塑剂PEG混合，并在65°C下搅拌2小时。然后将成膜溶液倒入模具（尺寸：6 cm × 6 cm × 0.7 cm）中，并在室温下静置24小时。最后，将AgNP@CN-ZN薄膜在50°C下干燥直至溶剂蒸发，从模具中取出并用于后续实验。具有不同ZN:AgNP@CN比例（10:0.3和10:0.6）的CN-ZN薄膜分别命名为AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0.6。

2.5. 透射电子显微镜（TEM）
将10 μL含有CN或AgNP@CN的样品溶液滴加到碳稳定的铜网格表面，然后让样品涂层的铜网格静置30秒。接下来，使用1%（w/v）的醋酸铀酰（UA）对铜网格上的CN或AgNP@CN进行负染色。负染色10秒后，将样品涂层的铜网格在室温下干燥30分钟。最后，使用配备Gantan型号782 CCD相机的透射电子显微镜（TEM，H-7650，Hitachi，东京，日本）在75 kV的加速电压下检查并拍摄铜网格表面沉积的CN或AgNP@CN的形态特征。

2.6. 动态光散射（DLS）和ζ-电位测量
将1 mL浓度为30 mg/mL的CN或AgNP@CN溶液移入一次性比色皿（Malvern，DST0012）中，光程为1 cm。为了确定流体动力学尺寸分布、平均流体动力学直径（Dh）和多分散性指数（PDI），使用Zetasizer仪器（Zetasizer Pro，Malvern Panalytical，Westborough，MA，美国）在633 nm的激光波长、173°的散射角和1.33的折射率下进行动态光散射（DLS）分析。对于ζ-电位测量，将1 mL浓度为30 mg/mL的含有CN或AgNP@CN的溶液加入一次性折叠毛细管池（Malvern，DTS1070）中。使用Zetasizer仪器测量CN和AgNP@CN的电泳迁移率，并根据Henry方程计算CN和AgNP@CN的ζ-电位。

2.7. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
首先通过冷冻干燥法对CN和AgNP@CN进行脱水处理。然后，将CN或AgNP@CN与溴化钾（KBr）按1:100的质量比研磨并混合。所得粉末压缩60秒制成片状。最后，使用傅里叶变换红外光谱仪（Spectrum 100，Perkin Elmer，Shelton，CT，美国）在4 cm−1的分辨率、400–4000 cm−1的波数范围内进行8次扫描，以获得CN和AgNP@CN的FTIR光谱。

2.8. 减衰全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）
使用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（JASCO V-6700）分析CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜的功能基团，并相应地获得这些薄膜的ATR-FTIR光谱。ATR-FTIR的操作设置如下：分辨率为4 cm−1，波数范围从750到4000 cm−1，共进行40次扫描。

2.9. 扫描电子显微镜（SEM）
将CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜在50°C下干燥24小时，然后用不锈钢剃须刀片从薄膜上切割出5 mm × 5 mm的样品。接下来，使用离子溅射薄膜沉积系统（E-1010，Hitachi，东京，日本）在样品表面镀上铂。在观察薄膜的表面和内部微观结构之前，将镀铂的薄膜安装在SEM样品架上，使表面和截面朝上。最后，使用扫描电子显微镜（SU8000，Hitachi，东京，日本）在不同放大倍数和15 kV的加速电压下观察并拍摄CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜的微观结构。

2.10. 热重分析（TGA）
将CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜称重并放入铂坩埚中。然后，使用热重分析仪（PYRIS 1，Perkin Elmer，Shelton，CT，美国）检查它们的热稳定性和性质。热重分析在105°C下进行10分钟以去除水分，随后以10°C/min的速率从105°C加热到800°C。

2.11. 通用材料测试（UMT）
根据ASTM D882–18标准测试方法（Bernstein，2021；Lin等人，2025）测定CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜的机械性能。在典型的实验中，使用通用材料测试机（LLOYD，LRX，Poole，英国）以10 mm/min的拉伸速率研究生物塑料薄膜的机械性能。分析CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜的拉伸应力-应变曲线，以确定它们的抗拉强度（MPa）和断裂伸长率（%）。

2.12. 水接触角（WCA）
小心地将10 μL去离子水滴加到生物塑料薄膜表面，并让其平衡15秒，确保水滴达到稳定状态并形成稳定的接触角（Ponomar等人，2022）。调整光圈和焦点后，拍摄水滴沉积在生物塑料薄膜上的图像，并使用LAUDA表面分析仪（LAUDA Scientific，LSA60，美国）根据ASTM D7334–08标准（D-08，2008）测量水接触角（θ）。

2.13. 含水量（MC）
为了测量生物塑料薄膜的含水量，将CN-ZN和AgNP@CN薄膜切成1 cm²（1 cm × 1 cm）的块，并在室温下放置24小时以记录其恒定重量。在105°C下干燥24小时后，测量CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜的干重，并使用公式（1）估算其含水量（Lin等人，2025）。
(1) 含水量% = (wm − wi) / wm × 100
其中wi和wm分别表示在105°C下干燥24小时后的生物塑料薄膜的干重以及在室温下和环境湿度下放置24小时后的生物塑料薄膜的重量。

2.14. 水溶性（WS）和吸水性（WA）
为了评估生物塑料薄膜的水溶性和吸水性，首先将CN-ZN和AgNP@CN样品在50°C下干燥24小时并称重。然后将CN-ZN和AgNP@CN薄膜浸入去离子水中10分钟，收集剩余的薄膜并称重，根据公式（2）计算吸水性（Yeyang Zhang, Nian, Shi, & Hu, 2023）。随后，将剩余的薄膜在50°C下重新干燥以获得其最终干重，使用公式（3）计算生物塑料薄膜的水溶性（Peydayesh, Bagnani, & Mezzenga, 2021）。
(2) 吸水性% = (ww − wd) / wm × 100
(3) 水溶性% = (wd − wr) / wm × 100
其中wd、ws和wr分别表示在50°C下干燥24小时后的生物塑料薄膜的干重、浸水后的湿重以及重新干燥后的干重。

2.15. 水蒸气透过率（WVP）
使用改进的杯法（Lai, Ho等人，2025；Lin等人，2025）检测CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜的水蒸气透过率（WVP）。简要来说，使用游标卡尺测量生物塑料薄膜的厚度，然后将薄膜密封在装有15 mL去离子水的玻璃小瓶上。之后，将密封有生物塑料薄膜的玻璃小瓶存放在25°C下，并监测其重量随时间的变化。最后，使用公式（4）计算生物塑料薄膜的WVP值。
(4) 水蒸气透过率 = w × tA × T × Ps / RHi − RH
其中w（g）、t（m）、A（m²）和T（h）分别表示装有生物塑料薄膜的玻璃小瓶的重量变化、生物塑料薄膜的厚度以及薄膜覆盖的面积；Ps（Pa）、RHi（%）和RHe（%）分别表示饱和水蒸气压力、玻璃小瓶内的相对湿度和环境中的相对湿度。

2.16. 紫外线（UV）抗性
使用UV测试卡研究CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜的紫外线（UV）抗性。首先将生物塑料薄膜切割成“TTU”字母的形状，然后放置在UV测试卡上。之后，用UV光（Analytik Jena UVGL-25，4瓦）在254 nm下照射生物塑料薄膜25分钟。使用ImageJ软件（版本1.54d，Wayne Rasband，National Institute of Health，Bethesda，MD，美国）和RGB颜色模型分析测试卡上的颜色变化程度，以评估生物塑料薄膜的UV抗性。

2.17. 食品包装应用
为了评估使用CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜进行食品包装的可行性，首先用这些薄膜包装香蕉皮，并在室温下储存3天。通过测量储存前后香蕉皮的重量来确定未包装和包装香蕉皮的重量损失。此外，还通过ImageJ软件和CIEL⁎a⁎b⁎颜色空间分析未包装和包装香蕉皮的褐变程度（Lin等人，2025）。使用公式（5）计算总颜色差异（ΔE⁎）。
(5) ΔE∗ = (L2∗ − L1∗) / (2 + a2∗ − a1∗ + b2∗ − b1∗)
其中ΔE∗、L⁎、a⁎和b⁎分别表示总颜色差异、与亮度/暗度相关的颜色坐标、与红色/绿色相关的颜色坐标以及与黄色/蓝色相关的颜色坐标。

2.18. 食品迁移测试
在储存3天后，收集用CN-ZN和AgNP@CN生物塑料薄膜包装和未包装的香蕉果肉。将香蕉果肉研磨并在80°C下干燥24小时。随后，使用微波消化系统（MARS 5，CEM，美国）和10 mL HNO₃在180°C下消化200 mg的干燥香蕉果肉。消化后，将样品稀释至50 mL并用0.45 μm膜过滤器过滤。使用电感耦合等离子体光学发射光谱仪（ICP-OES，PerkinElmer Optima 2000 DV，美国）定量滤液中的Ag浓度。实验程序基于报道的方法（Demirbas & Karsli，2025）进行了修改。

2.19. 统计分析
所有实验数据至少来自三次独立测量（n ≥ 3）。此外，这些实验数据被计算并表示为平均值±标准差（SD）。使用OriginPro 2024和Microsoft Excel进行统计分析，包括计算平均值、SD和p值。除非另有说明，否则使用p值<0.05的学生t检验来确定统计显著性。

3. 结果与讨论
3.1. 银纳米粒子嵌入酪蛋白纳米复合材料（AgNP@CN）的合成与表征
为了表征CN和AgNP@CN的物理化学性质，使用了光谱和显微技术组合来检查它们的光学性质、流体动力学尺寸分布、表面电荷、表面化学和形态特征。先前的研究表明，CN蛋白中的天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）可以作为还原剂和封端剂，诱导银阳离子的还原和AgNPs的形成，最终在AgNP表面提供羧酸和胺官能团（Kolankowski等人，2023；Pryshchepa等人，2019）。图2A显示了CN和AgNP@CN的UV-vis光谱，表明约285 nm处的吸收峰与CN蛋白中的发色团和芳香环（即色氨酸（Trp）、酪氨酸（Tyr）和苯丙氨酸（Phe）有关（Lai, Wang, & Lin, 2024）。在CN溶液中原位还原银离子后，AgNP@CN的紫外-可见光谱中约420纳米处的强吸收峰代表了嵌入CN基质中的AgNPs的特征性局域表面等离子体共振（LSPR），表明合成了直径约为10纳米的球形AgNPs（Lai等人，2024年；Lai等人，2022年）。下载：下载高分辨率图像（413KB）下载：下载全尺寸图像图2。（A）CN和AgNP@CN的紫外-可见光谱；（B）CN和AgNP@CN的傅里叶变换红外（FTIR）光谱；（C）通过动态光散射（DLS）揭示的CN和（D）AgNP@CN的流体动力学尺寸分布；（E）通过透射电子显微镜（TEM）揭示的AgNP@CN的形态特征；（F）负染的AgNP@CN的形态特征。（放大倍数=200k×；刻度尺=100纳米）（G）未染色AgNP@CN纳米复合材料的TEM-EDX元素映射，显示Ag和酪蛋白衍生元素（C、O和N）的分布。如图2B所示，CN的FTIR光谱中出现的约3395厘米^-1的宽峰和约3200厘米^-1的窄峰分别代表OH和NH基团的伸缩振动。CN的FTIR光谱中出现的酰胺I（约1659厘米^-1）、酰胺II（约1535厘米^-1）和酰胺III（约1234厘米^-1）的特征峰与蛋白质主链中CO的伸缩、NH的弯曲和CN的伸缩振动有关（Hsieh、Lai、Lin、Wei和Wang，2025年）。CN的FTIR光谱中还出现了约1450厘米^-1的NO伸缩振动特征峰（Pryshchepa等人，2019年）。一旦形成嵌入CN基质中的AgNPs，与酰胺I、酰胺II和酰胺III相关的峰分别移至约1655厘米^-1、约1542厘米^-1和约1248厘米^-1，表明蛋白质主链中的肽键功能团与AgNPs表面发生了相互作用，从而防止了AgNPs的聚集/团聚（Ashraf等人，2013年；Tavaf、Tabatabaei、Khalafi-Nezhad、Panahi和Hosseini，2015年）。CN中约1397厘米^-1处的峰对应于羧基（–COOH）消失，而在约881厘米^-1处观察到一个与AgO基团相关的新峰（Basta、Lotfy、Mahmoud和Abdelwahed，2020年；Liu和Guo，2009年）。这一确凿证据表明AgNPs通过其与CN中羧基的相互作用结合在CN基质上。为了研究CN和AgNP@CN的尺寸和表面电荷，我们采用了DLS分析和ζ电位测量来确定它们的流体动力学尺寸分布、多分散性指数（PDI）、平均流体动力学直径（Dh）和ζ电位。如图2C-D所示，CN和AgNP@CN分别观察到了约229纳米处的单峰分布以及约90.45纳米和约4072纳米处的双峰分布。结果表明，AgNP@CN的PDI值高于CN，表明溶液中存在AgNP@CN及其聚集形式。AgNP@CN的平均流体动力学直径约为64.6纳米，表明溶液中存在大量以纳米复合材料形式存在的AgNP@CN，而不是聚集形式。我们的结果还显示，AgNP@CN的ζ电位比CN更负，表明形成了带负电荷的AgNPs并嵌入CN基质中。因此，这一观察结果可能源于AgNPs的负电荷较高，导致AgNP@CN的整体负电荷高于裸露的CN（Kung、Chang、Lai、Li和How，2025年）。嵌入CN基质中的AgNPs的形态特征是球形、粒径均匀且分散度高（见图2E-F）。通过使用ImageJ软件分析TEM显微图，测量了嵌入CN基质中的AgNPs的粒径。我们的发现表明，嵌入CN基质中的AgNPs的粒径约为10纳米，这与前述AgNP@CN的LSPR结果一致。鉴于AgNPs嵌入了CN基质中，通过DLS获得的AgNPs的流体动力学直径会受到CN的干扰（Lai等人，2022年；Lai、Lai等人，2022年）。因此，可以合理认为嵌入CN基质中的AgNPs的流体动力学尺寸大于通过TEM观察到的实际尺寸。先前的研究表明，酪蛋白可以通过空间稳定性和蛋白质-纳米粒子相互作用有效稳定AgNPs并防止纳米粒子聚集（Ashraf等人，2013年；Bora和Mishra，2016年）。Ashraf等人（2013年）报告称，酪蛋白介导的AgNPs在冻干处理后仍能均匀分散，并且可以容易地重新分散在水溶液中。同样，Bora和Mishra（2019年）观察到酪蛋白介导的AgNPs在长达80天的时间内表现出优异的储存稳定性，没有明显的聚集现象。由于本研究中使用的AgNPs是通过类似的原位制备策略合成的，因此获得的纳米颗粒被认为是AgNP@CN纳米复合材料，而不是游离的AgNPs。在图2F中，深色球形纳米颗粒（部分用红色箭头标出）对应于AgNPs，观察到它们均匀分散且没有明显的聚集。然而，由于放大倍数较低以及蛋白质基质的电子对比度较低，无法在此图像中清晰区分周围的酪蛋白结构。因此，进一步进行了更高倍数的TEM-EDX分析以澄清AgNPs与酪蛋白基质之间的关系（见图2G）。TEM-EDX元素映射结果显示，Ag信号与来自酪蛋白的C、O和N元素共定位。此外，观察到AgNPs在蛋白质基质中均匀分布，没有明显的相分离或聚集现象。这些结果强烈表明AgNPs成功固定在酪蛋白基质中，从而形成了AgNP@CN纳米复合材料。3.2. AgNP@CN-ZN生物塑料膜的宏观和微观观察图3A展示了CN-ZN-0、CN-ZN-0.3、CN-ZN-0.6、AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0.6的物理外观，表明这些生物塑料膜在本研究中成功合成。根据我们的观察，CN-ZN-0的破裂和脆弱外观可能是由于蛋白质本身的脆性和机械不稳定性（Peydayesh等人，2021年；Peydayesh等人，2023年）。与CN-ZN-0不同，合成的CN-ZN-0.3、CN-ZN-0.6、AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0.6保持了完整的外观，表明CN或AgNP@CN可以提高ZN生物塑料膜的结构完整性。加入AgNP@CN后，ZN生物塑料膜的颜色从黄色变为深棕色，这可能是由于AgNPs的LSPR引起的光学效应。下载：下载高分辨率图像（565KB）下载：下载全尺寸图像图3。（A）CN-ZN-0、CN-ZN-0.3、CN-ZN-0.6、AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0的物理外观；（B）CN-ZN-0、CN-ZN-0.3、CN-ZN-0.6、AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0的顶视图SEM显微图；（C）CN-ZN-0、CN-ZN-0.6、AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0的侧视图SEM显微图。（放大倍数=10k×；刻度尺=5μm）示意图展示了（D）CN或（E）AgNP@CN含量对ZN生物塑料膜微观结构影响的潜在机制。图3B-C展示了CN-ZN-0、CN-ZN-0.3、CN-ZN-0.6、AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0的顶视图和侧视图SEM显微图，表明膜表面和截面的微观结构相似。观察到CN-ZN-0的表面和内部微观结构粗糙，并具有微米级的孔隙。加入CN或AgNP@CN后，CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0.3膜的表面和内部微观结构比纯ZN膜（即CN-ZN-0）更加均匀和致密。我们可以推测，CN或AgNP@CN可以填充生物聚合物链之间的微观空隙，从而在CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0.3膜中形成致密光滑的微观结构（Karthick等人，2022年）。当ZN与其他生物聚合物以适当比例混合时，额外的非共价相互作用（例如疏水关联和氢键）可以提高相容性，从而形成更加均匀和均匀的表面（Pena Serna和Lopes Filho，2015年）。在CN-ZN-0.3膜中，CN的加入可能增强了疏水ZN域与CN的极性/带电基团之间的相互作用。这促进了CN和ZN之间的氢键网络的形成，最终导致膜微观结构更加均匀（S. Wang等人，2023年）。研究表明，金属纳米颗粒（NP）的加入对ZN膜微观结构的影响与蛋白质-NP相互作用和金属与蛋白质功能团的配位有关（Mei等人，2017年；Yoosaf等人，2019年）。随着CN或AgNP@CN含量的进一步增加，CN-ZN-0.6和AgNP@CN-ZN-0.6膜的微观结构出现了褶皱凸起和波纹状突起。推测CN或AgNP@CN在ZN基质内的堆叠和沉积导致它们在生物塑料膜的表面和内部微观结构中积累，从而形成褶皱凸起（Lai等人，2023年）。图3D-E展示了CN或AgNP@CN添加对ZN膜微观结构影响的潜在机制。3.3. AgNP@CN-ZN生物塑料膜的ICP-OES和ATR-FTIR分析使用电感耦合等离子体光学发射光谱（ICP-OES）结合预先确定的校准曲线（绘制328.068纳米处银原子的强度与银浓度的关系）确定了AgNP@CN-ZN生物塑料膜中银离子的浓度。图4A-B显示了AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0.6中银离子的实际浓度，表明AgNP@CN-ZN生物塑料膜中的银离子浓度随AgNP@CN含量的增加而增加。使用ATR-FTIR分析了AgNP@CN-ZN生物塑料膜的功能基团以及AgNP@CN、ZN分子和增塑剂PEG之间的潜在相互作用。如图4C所示，ZN的ATR-FTIR光谱中羟基伸缩振动的峰位于约3395厘米^-1，而在CN-ZN-0形成后移至约3288厘米^-1。这归因于ZN与增塑剂PEG之间的氢键相互作用（Lawton，2004年；Sun、Liu、Zhang、Wang和Li，2020年）。此外，CN-ZN-0、CN-ZN-0.6和AgNP@CN-ZN-0.6的ATR-FTIR光谱显示，与酰胺I、酰胺II、酰胺III以及CN-ZN-0.6和AgNP@CN-ZN-0.6的CN伸缩相关的峰发生了变化。显然，CN或AgNP@CN可以通过氢键与ZN的CO、NH和OH基团相互作用。此外，将CN或AgNP@CN加入ZN基质可能会影响ZN分子之间的分子间相互作用，同时通过氢键在CN或AgNP@CN与ZN基质之间形成相互作用（S. Wang等人，2023年）。下载：下载高分辨率图像（354KB）下载：下载全尺寸图像图4。（A）通过ICP-OES确定的银离子浓度校准曲线；（B）AgNP@CN-ZN生物塑料膜中银离子的浓度；（C）ZN、CN-ZN-0、CN-ZN-0.6和AgNP@CN-ZN-0.6在4000–750厘米^-1波长范围内的衰减全反射-傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱。3.4. AgNP@CN-ZN生物塑料膜的机械和热性能图5A展示了CN-ZN-0、CN-ZN-0.3、CN-ZN-0.6、AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0.6的拉伸强度。我们的结果显示，CN-ZN-0、CN-ZN-0.3和CN-ZN-0.6的拉伸强度没有统计学上的显著差异。此外，生物塑料膜的拉伸强度顺序为：AgNP@CN-ZN-0.6 > AgNP@CN-ZN-0.3 > CN-ZN生物塑料膜。生物塑料膜的断裂伸长率顺序为：AgNP@CN-ZN-0.6 > AgNP@CN-ZN-0.3 > CN-ZN-0.6 > CN-ZN-0.3 > CN-ZN-0（见图5B）。下载：下载高分辨率图像（232KB）下载：下载全尺寸图像图5。（A）CN-ZN-0、CN-ZN-0.3、CN-ZN-0.6、AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0的拉伸强度直方图；（B）断裂伸长率直方图（不同几何图案上的条形表示显著差异（p < 0.05）；（C）CN-ZN-0、CN-ZN-0.6和AgNP@CN-ZN-0的热重分析（TGA）和差热重分析（DTG）曲线。证据表明，纳米颗粒（NPs）的加入对聚合物膜机械性能的影响与NPs在聚合物基质中的含量、分散性和粒径密切相关（Bhatnagar等人，2024年；Guo、Xu、Yang、Li和Wu，2023年；M. Yang等人，2022年；Zare、Rhee和Hui，2017年）。由于无机NPs在聚合物基质中均匀分散，它们可以有效地在材料界面传递机械应力并限制聚合物链的移动性，从而提高聚合物膜的机械强度。然而，聚合物基质中过量的NPs会减少NPs与基质之间的界面面积。此外，由于NPs的比表面积和有效体积分数因聚集/团聚而减少，NPs的存在可能会降低聚合物膜的拉伸强度和界面/相间性能。根据我们的结果，AgNP@CN-ZN生物塑料膜的拉伸强度高于CN-ZN生物塑料膜，且其拉伸强度随着AgNP@CN含量的增加而增加。这一观察结果归因于AgNPs的高比表面积，它促进了与生物聚合物链（例如ZN和CN）的强界面相互作用，从而在施加负载时改善了应力传递（Karthick等人，2022年；Mirkhalaf、Yazdani Sarvestani、Yang、Jakubinek和Ashrafi，2021年）。此外，通过AgNP@CN与ZN基体之间的分子间氢键作用，增强了AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜的界面结合强度，从而促进了拉伸应力在材料界面上的有效传递（Lin等人，2025年；Y. Zhou, Fan, & Chen, 2016年）。因此，即使在AgNP@CN-ZN薄膜的扫描电子显微镜（SEM）显微图中观察到一些聚集体，由于纳米颗粒（NP）的含量适中、分布均匀以及蛋白质与纳米颗粒之间的强相互作用，这些薄膜仍然表现出较高的拉伸强度。我们的研究结果表明，在ZN基体中引入CN或AgNP@CN后，纯ZN薄膜（CN-ZN-0）的柔韧性得到了改善。与CN-ZN薄膜相比，AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜表现出更高的延展性和柔韧性，这可能是由于AgNP@CN在ZN基体中的均匀分散。这种均匀分散增强了生物聚合物基体与纳米级填料之间的界面粘附力，改善了应力传递，并促进了剪切屈服变形，使能量通过聚合物链的滑移而不是脆性断裂来耗散（Chou等人，2026年；Mo等人，2021年）。图5C–D展示了CN-ZN-0、CN-ZN-0.6和AgNP@CN-ZN-0.6的热重分析（TGA）和差热分析（DTG）曲线，表明这些薄膜的重量随温度的增加而减少。在初始阶段（< 300°C），观察到轻微的重量损失，这可以归因于生物塑料薄膜中水分和残留的低分子量成分的蒸发。在较高温度（~300–400°C）下，CN-ZN-0、CN-ZN-0.6和AgNP@CN-ZN-0.6发生了热降解，这是由于生物聚合物主链的断裂（Cao, Chen, Wang, Chen, & Wang, 2017年）。因此，在AgNP@CN-ZN-0.6的DTG曲线中观察到了更高的热降解峰值（~500–600°C），表明其热稳定性优于CN-ZN-0和CN-ZN-0.6。这可能是由于AgNP@CN与ZN分子之间的分子内氢键作用，从而增强了ZN生物塑料薄膜的热稳定性，这与先前的研究结果一致，即无机填料可以提高基于生物聚合物的薄膜的热稳定性（Abdollahi, Alboofetileh, Rezaei, & Behrooz, 2013年；Jamróz, Kulawik, & Kopel, 2019年）。基于这些结果，AgNP@CN的掺入可以增强ZN生物塑料薄膜的机械性能和热稳定性。

3.5 AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜的表面润湿性和湿稳定性
如图6A所示，CN-ZN-0、CN-ZN-0.3、CN-ZN-0.6、AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0.6的水接触角（WCAs）分别为56.49±13.38°、85.47±10.12°、91.28±3.02°、68.90±4.75°和83.14±2.50°。尽管ZN作为生物塑料薄膜的基本成分被认为是一种主要的亲脂性和疏水性物质，但纯ZN薄膜（即CN-ZN-0）的表面润湿性也受到表面粗糙度和微观结构的影响（X. Chen等人，2019年）。由于其粗糙的表面微观结构，CN-ZN-0表现出低的水接触角和高表面亲水性（X. Chen等人，2019年）。当掺入CN或AgNP@CN时，生物塑料薄膜的表面疏水性增加可能是由于这些添加剂与ZN的亲水官能团之间的相互作用，从而屏蔽了薄膜表面的自由亲水官能团。另一个原因是，在CN或AgNP@CN存在的情况下，ZN生物塑料薄膜的表面微观结构变得更加致密和平滑，导致表面粗糙度降低，水接触角增加（S. Wang等人，2023年）。与CN-ZN薄膜相比，AgNP@CN-ZN薄膜显示出较低的平均水接触角值，表明其表面相对亲水。这些结果可能与AgNP–蛋白质界面处的亲水官能团和表面电荷有关，这些官能团在AgNP@CN–ZN薄膜中引入了额外的极性基团，可以与水分子相互作用（Yang, Guo, Yao, Mei, & Tang, 2019年）。我们的结果还显示，AgNP@CN-ZN-0.3与CN-ZN-0.3、CN-ZN-0.6或AgNP@CN-ZN-0.6之间的WCA值存在统计学上的显著差异。我们推测，添加更多的CN或AgNP@CN可能会与ZN的极性基团相互作用，从而阻碍水分子与薄膜表面自由极性官能团的相互作用（S. Wang等人，2023年）。综合来看，这可以解释为什么AgNP@CN-ZN-0.3表现出比CN-ZN薄膜（即CN-ZN-0）更高的表面亲水性。

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图6. （A）水接触角，（B）水分含量，（C）水溶性，以及（D）水吸收率的直方图，分别对应CN-ZN-0、CN-ZN-0.3、CN-ZN-0.6、AgNP@CN-ZN-0.3和AgNP@CN-ZN-0.6。（条形图上不同的几何图案表示显著差异（p<0.05））。

如图6B–C所示，这些生物塑料薄膜之间的水分含量和水溶性没有统计学上的显著差异。所有薄膜的水分含量和水溶性分别低于12%和35%。我们的结果表明，在室温和环境湿度下，CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜表现出低吸湿性，并且在浸入水溶液后具有高湿稳定性，这可能是由于ZN本身的疏水性（Lai, Ho等人，2025年）。然而，生物塑料薄膜的水吸收率遵循以下趋势：CN-ZN-0 > CN-ZN-0.3 > AgNP@CN-ZN-0.3 > CN-ZN-0.6 > AgNP@CN-ZN-0.6（见图6D）。含有较高AgNP@CN含量的AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜显示出最低的水吸收率，表明AgNP@CN的掺入可以防止水分渗透到薄膜结构中。由于AgNP@CN掺入后ZN生物塑料薄膜的表面疏水性和微观结构变得更加致密，因此它们表现出高的防水性和低孔隙率，最终减少了水分的渗透和扩散（S. Wang等人，2023年）。

3.6 AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜的耐水蒸气和耐紫外线性能
为了研究CN或AgNP@CN掺入对ZN生物塑料薄膜水蒸气阻隔性能的影响，我们测定了CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜的水蒸气透过率（WVP）（见图7A）。我们的结果显示，CN-ZN-0、CN-ZN-0.6和AgNP@CN-ZN-0.6的WVP值分别为约9.01×10^-9、约7.60×10^-9和约6.65×10^-9 g·m^-2·h^-1·Pa^-1，表明掺入CN或AgNP@CN后ZN生物塑料薄膜的水蒸气阻隔性能得到了增强。从WVP结果可以得出几个结论：（1）考虑到薄膜的极性和水分子与薄膜的相互作用，CN或AgNP@CN掺入后ZN生物塑料薄膜的极性和表面亲水性的降低提高了其对水蒸气的阻隔效果（Le Tien等人，2000年）。（2）它们均匀的表面、低孔隙率和小的孔径使得CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜具有更好的耐水蒸气渗透性能（Fu等人，2022年）。（3）CN或AgNP@CN的引入增加了水蒸气在薄膜结构中的扩散曲折度，从而提高了ZN生物塑料薄膜的水蒸气阻隔性能（Lin等人，2025年）。

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图7. （A）CN-ZN-0、CN-ZN-0.6和AgNP@CN-ZN-0.6的水蒸气透过率（WVP）随时间的变化，显示了它们的水蒸气阻隔性能。（B）CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜与各种塑料材料的水蒸气阻隔性能比较。（不同塑料的WVP值和单位来自参考文献（Taylor & Taylor, 2023年；F. Wu等人，2021年；Ye Zhang等人，2024年）。（C）在不同紫外线强度（0–3000 μW/cm2）下，覆盖有和未覆盖生物塑料薄膜的UV测试卡的数字图像。（D）不同紫外线辐射强度下，覆盖有和未覆盖生物塑料薄膜的UV测试卡背景颜色的RGB值直方图。（插图说明了RGB颜色模型。）

为了比较，图7B总结了CN-ZN生物塑料薄膜、AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜、化石衍生塑料、生物基塑料、可生物降解塑料和蛋白质基生物塑料的WVP值（Taylor & Taylor, 2023年；F. Wu, Misra, & Mohanty, 2021年；Ye Zhang等人，2024年）。我们的结果表明，我们的CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜的水蒸气阻隔性能优于基于蛋白质的生物塑料（例如大豆蛋白、豌豆蛋白、卡菲林蛋白和角蛋白）以及众所周知的可生物降解塑料（例如聚乳酸（PLA）、聚羟基烷酸酯（PHA）、聚己内酯（PCL）和聚丁酸乙二醇酯（PBS）等）。此外，我们的CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜的水蒸气阻隔性能可与传统的化石衍生塑料（如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVDC）和聚乙烯（PE）相媲美甚至更优。除了化石衍生塑料外，CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜的WVP值也与生物基塑料（包括生物PE和聚乙烯呋喃酸酯（PEF）相当。因此，CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜作为包装材料具有很大的潜力。

图7C的结果显示，未经覆盖的UV测试卡在紫外线照射下颜色从无色变为紫色。相反，覆盖有生物塑料薄膜的UV测试卡在紫外线照射下保持无色。当光开关分子结构在紫外线照射下从闭合环形式变为开放环形式时，UV测试卡的颜色从无色变为紫色（T. Zhang, Fu, Chen, Cui, & Liu, 2016年）。为了进一步了解CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料的耐紫外线性能，使用RGB颜色评估分析了这些薄膜覆盖的UV测试卡的颜色变化程度（见图7D）。AgNP@CN-ZN-0.6覆盖的UV测试卡的RGB值幅度超过了在50 μW/cm2紫外线照射下的UV测试卡。相比之下，CN-ZN-0.6覆盖的UV测试卡的RGB值幅度与在相同强度下照射的UV测试卡相当。CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物薄膜的耐紫外线机制涉及三个因素：光反射、光散射和光吸收（He等人，2024年；He等人，2025年）。首先，CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物薄膜的高不透明度通过光反射和光散射赋予了它们耐紫外线性能。其次，CN和ZN中的氨基酸残基（如酪氨酸（Tyr）、组氨酸（His）、色氨酸（Trp）和苯丙氨酸（Phe）含有芳香环和发色团，能够有效吸收紫外线光子。第三，由于AgNPs的LSPR诱导的光学效应，AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜可以吸收UVA光（λ=320–400 nm），从而增强了其耐紫外线性能。根据我们提出的机制，这可以合理解释为什么AgNP@CN-ZN生物薄膜的耐紫外线性能优于CN-ZN生物塑料。

3.7 AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜作为食品包装材料的应用
为了评估使用CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜作为食品包装材料的可行性，测量并比较了未包装的香蕉皮和用CN-ZN或AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜包装的香蕉皮的重量损失和外观质量。未包装的香蕉皮表现出褐变和霉菌生长，而包装后的香蕉皮则没有这些现象（见图8A–D）。未包装和包装香蕉皮在物理外观上的差异可能原因如下：（a）CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜可以提供物理屏障，防止微生物污染并抑制由氧化过程引起的褐变（Du等人，2023年）。（b）AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜可以作为活性包装材料，保护食品免受物理损伤，并抑制导致食品变质的细菌和霉菌生长，这归因于AgNPs的抗菌活性（Vanlalveni等人，2021年）。

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图8. （A）未包装的香蕉皮和用（B）CN-ZN-0、（C）CN-ZN-0.6以及（D）AgNP@CN-ZN-0.6薄膜包装的香蕉皮在储存3天后的数字图像。（E）未包装的香蕉皮和用不同薄膜包装的香蕉皮在储存3天后的重量损失百分比。（F）使用CIEL*a*b颜色参数测量的未包装的香蕉皮和用不同薄膜包装的香蕉皮的颜色差异。（条形图上不同的几何图案表示显著差异（p<0.05）。

如图8E所示，储存三天后香蕉皮的平均重量损失顺序为：未包装的香蕉皮 > 用CN-ZN包装的香蕉皮 > 用AgNP@CN-ZN-0.6包装的香蕉皮 > 用CN-ZN-0.6包装的香蕉皮。我们的研究结果表明，未包装和包装过的香蕉皮在减重方面存在统计学上的显著差异，这表明使用CN-ZN或AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜作为包装材料可以保持香蕉皮的水分含量并降低其蒸腾速率（Hailu, Seyoum Workneh, & Belew, 2014; Lin et al., 2025）。可以合理推测，CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜更优异的水蒸气阻隔性能能够减少包装香蕉皮的水分损失。尽管AgNP@CN-ZN-0.6薄膜的吸水性低于CN-ZN-0.6薄膜，但生物塑料薄膜的吸水性降低并不一定意味着包装水果的减重也会减少。吸水性主要反映了生物塑料薄膜的亲水性和膨胀行为，通常用于评估聚合物基质对水分子的亲和力（Lin et al., 2025）。相比之下，储存过程中水果的减重受到多种薄膜和系统级因素的影响，包括微观结构的不均匀性和水蒸气渗透性（这些因素调节水分转移和蒸腾速率）、气体阻隔性能（影响呼吸速率和代谢活动），以及抗氧化和抗菌活性（防止微生物污染和氧化损伤引起的褐变）（Chou et al., 2026; Du et al., 2023; Lin et al., 2025）。如图8F所示，储存三天后香蕉皮的总色差（ΔE⁎）顺序为：未包装的香蕉皮（70.51）> CN-ZN包装的香蕉皮（45.19）> AgNP@CN-ZN-0.6包装的香蕉皮（38.84）> CN-ZN-0.6包装的香蕉皮（40.88）。根据CIEL⁎a⁎b⁎色彩空间，样品之间的ΔE⁎值超过3，表明不同样品的颜色在视觉上是明显的（López-Ortiz et al., 2024）。与未包装的香蕉皮相比，使用CN-ZN或AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜包装的香蕉皮的ΔE⁎值相当，表明其外观质量相似。我们的研究结果表明，CN-ZN和AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜可以用作包装材料，保持食品的外观质量，并延缓水果的酶促褐变和氧化（Tang, Kuo, & Liao, 2024）。食品迁移结果显示，用AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜包裹和未包裹的香蕉果肉中的银（Ag）含量分别为2.97×10^-5 mg/kg干重（DW）和5.57×10^-5 mg/kg干重。这些数值表明，在3天的储存期间没有检测到显著的银迁移进入香蕉果肉。此外，香蕉皮本身可能作为一种天然的保护屏障，进一步限制了银直接迁移到可食用果肉中。而且，检测到的银浓度远低于欧盟委员会法规（EC）第450/2009号规定的非授权物质在活性食品接触材料中的最大迁移限值0.01 mg/kg。这些发现表明，在测试的储存条件下，AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜的银迁移量很小，显示出其在食品包装应用中的潜在适用性。

4. 讨论
锌（ZN）是玉米胚乳中的主要蛋白质，约占玉米总蛋白质的45-50%（Shukla & Cheryan, 2001）。ZN的三级结构通过疏水相互作用和分子内二硫键形成，而其二级结构主要由α-螺旋组成（约68%）（Chou et al., 2026）。ZN含有大量的疏水性氨基酸，如谷氨酰胺（约20-25%）、亮氨酸（约19-21%）、脯氨酸（约10-12%）和丙氨酸（约10-12%），使其易于溶解在非极性溶剂中（例如乙醇）（Shukla & Cheryan, 2001）。ZN由四种蛋白质组分组成：α-醇溶蛋白（约75%）、β-醇溶蛋白（约15%）、γ-醇溶蛋白（约7.5%）和δ-醇溶蛋白（约1-5%）。α-醇溶蛋白由两种分子量分别为19 kDa和22 kDa的多肽组成。γ-醇溶蛋白包含两种分子量分别为16 kDa和27 kDa的多肽。β-醇溶蛋白和δ-醇溶蛋白的分子量分别约为14 kDa和10 kDa（Yingying Zhang, Xu, Zhang, Hu, & Luan, 2022）。在室温条件下，Ag+离子的还原动力学明显慢于加热条件下的反应速度；因此，需要更长的反应时间来确保AgNP@CN纳米复合体的充分形成和稳定。为了监测纳米颗粒的形成过程，在不同反应时间点进行了紫外-可见光谱分析，相应的结果如图S1所示。大约在反应1天后，AgNPs的特征表面等离子体共振（SPR）吸收峰出现在约420 nm处，表明AgNP的形成已经开始。随着反应时间的增加，吸光强度逐渐增强。值得注意的是，在第2天到第8天之间，吸光强度显著增加，表明这一时期纳米颗粒的形成速度很快。到第10天时，吸光强度的增加趋于平稳，表明纳米颗粒的形成几乎完成。在这些条件下，转化效率达到了约80.8%。因此，选择了10天的反应时间来确保足够的纳米颗粒形成，同时尽量减少残留的Ag+离子，因为这些离子可能会干扰后续实验并影响重复性。尽管较长的反应时间可能会引起对纳米颗粒聚集的担忧，但酪蛋白在合成过程中起到了稳定纳米颗粒的重要作用。在常规表征中，AgNP@CN纳米复合体的粒径和多分散性指数（PDI）在整个反应期间保持相对稳定，表明其具有良好的胶体稳定性，没有明显的聚集现象（数据未显示）。此外，在反应完成后，AgNP@CN纳米复合体立即进行冷冻干燥以保存。在制备薄膜之前，重新分散冷冻干燥的样品并重新评估其粒径，以确认纳米复合体系统的稳定性和重复性。

鉴于包装材料/薄膜的机械性能与其承受机械应力、保持完整性以及防止食品物理损伤或污染的能力相关，这些性能对于确保食品在储存、运输和加工过程中的质量和安全至关重要（Sangroniz et al., 2019; Shah et al., 2023; Shi et al., 2025）。为了比较，我们研究中开发的AgNP@CN薄膜与其他文献中报道的包装材料（例如，商业石油衍生塑料薄膜、商业生物塑料薄膜、银功能化淀粉基、多糖基或蛋白质基薄膜）的拉伸强度总结在表S1中。可以得出以下几点：（1）除了AgNP@CN薄膜的拉伸强度与常规塑料和生物塑料（例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚乳酸（PLA）处于同一数量级外，其拉伸强度也与聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）相当（Shi et al., 2025）。（2）本研究中制备的AgNP@CN薄膜的拉伸强度优于一些银功能化的淀粉基、多糖基和蛋白质基包装薄膜。显然，AgNP@CN薄膜表现出比之前研究中报道的一些生物质基包装薄膜更好的机械性能。（3）由于我们的AgNP@CN薄膜的拉伸强度与大多数银功能化的生物质基包装薄膜相当，因此它们的机械刚度和硬度也与这些包装薄膜相似。综上所述，这些证据表明我们的AgNP@CN薄膜具有与用于食品包装的银功能化生物质基薄膜和商业塑料及生物塑料相当的机械强度。尽管已经证明了将AgNP@CN薄膜用作包装材料的可能性，但其制造成本和包装应用仍需进一步研究。表S2展示了AgNP@CN薄膜生产的成本分析，揭示了其估计生产成本。ZN的市场价格约为10-50美元/千克，具体取决于纯度和等级（中国制造）。CN的价格通常为6-30美元/千克，取决于CN类型和蛋白质含量（Accio）。据报道，AgNPs的价格约为70-80美元/千克，具体取决于颗粒大小、分散剂/溶剂和等级（IndiaMART）。通过工业水相加工和浇铸大规模生产聚合物薄膜时，估计AgNP@CN薄膜的成本会增加约0.5-1.0美元/千克（Lin et al., 2025; Xu & Li, 2023）。根据AgNP@CN薄膜的配方，初步成本分析表明，其成本估计为11-22美元/千克。尽管AgNP@CN薄膜的价格相对较高（约1.6-2.2美元/千克），但其价格与生物质基包装薄膜（约5.1-16.7美元/千克）相当（Do Kim et al., 2023; Lin et al., 2025）。

此前已经报道了几种AgNP改性的聚合物混合物/复合材料，并相应研究了AgNPs与聚合物基质之间的相互作用。在文献中，使用绿色方法合成了掺杂AgNPs的壳聚糖/聚己内酯纳米复合薄膜，并对其物理化学性质进行了表征，并评估了其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌活性。结果表明，聚合物的极性基团与AgNP表面之间的相互作用较弱。此外，AgNPs与聚合物链之间的界面相互作用涉及配位、物理吸附和通过表面结合的物种或吸附的水分子介导的氢键（Pekdemir et al., 2025）。另一项研究发现，AgNP修饰的聚乳酸/聚己内酯（PLA/PCL）纳米复合薄膜对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均表现出抗菌活性。此外，由于可逆的共价键和超分子相互作用，AgNP修饰的PLA/PCL复合薄膜的形状记忆性能得到了改善（Selcuk Pekdemir et al., 2023）。基于蛋白质的生物塑料在包装和食品保存方面相比基于淀粉和其他生物质的生物塑料具有显著优势。复杂的氨基酸结构使得能够形成强健的分子间网络，从而提高拉伸强度和结构完整性，而基于淀粉的薄膜通常需要增塑剂或混合来增强机械性能（Lamp, Kaltschmitt, & Dethloff, 2022; Nandane & Jain, 2015）。鉴于基于蛋白质的薄膜具有更好的阻隔性能，可以防止氧化变质并延长食品的保质期，显然它们比基于淀粉的薄膜具有更低的氧气渗透性（Chang et al., 2019）。此外，蛋白质中的多种结构和功能基团通过加工方法、化学和/或物理交联以及功能性添加剂（如抗菌纳米颗粒）赋予了基于蛋白质的薄膜调节功能性的能力。功能基团的多样性和表面改性的便利性扩展了基于蛋白质的生物塑料的设计可能性，超出了化学均匀的多糖基和淀粉基生物塑料的范围（Abe et al., 2021; Poulose, Jönkkäri, Hedenqvist, & Kuusipalo, 2021）。如表S3所总结的，许多研究一致表明，含有AgNP的生物聚合物薄膜对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌（特别是大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）表现出广谱抗菌活性。例如，含有AgNPs的亚麻籽蛋白-海藻酸盐薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制圈分别为2.6-6.5毫米（Dash, Kumar, Kumari, & Malik, 2021）。同样，负载AgNPs的壳聚糖/PVA薄膜对大肠杆菌的抑制圈达到16.07毫米（D. Yang et al., 2023）。含有生物合成AgNPs的乳清蛋白薄膜对多种食源性病原体（包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌肠炎亚种和单核细胞增生李斯特菌）的抑制圈在13至19.7毫米之间（Çağrı Mehmetoğlu, Sezer, & Erol, 2021）。此外，含有绿色合成AgNPs的PVA/黄原胶薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制圈分别为18.79毫米和20.21毫米（Yu et al., 2025）。这些发现强烈支持了AgNP掺入薄膜在活性食品包装应用中的抗菌潜力。AgNPs的抗菌机制通常归因于Ag+离子与细菌细胞膜之间的相互作用，这可以增加膜通透性、诱导氧化应激、破坏酶活性并抑制DNA复制（Feng, Fan, He, & Ma, 2024）。此外，AgNPs的纳米级尺寸提供了高表面积与体积比，从而增强了与微生物细胞的接触并提高了抗菌效率。先前的研究还表明，较小的AgNPs通常表现出更强的抗菌活性，因为它们具有更强的细胞相互作用和Ag+释放行为（Bora & Mishra, 2019）。

5. 结论
总之，成功合成了嵌入银纳米颗粒的酪蛋白纳米复合材料（AgNP@CN），并将其用作功能性填料和增强剂，以提高醇溶蛋白（ZN）衍生生物塑料薄膜的功能性能。使用紫外-可见光谱和电子显微镜对AgNP@CN进行表征，确定嵌入CN纳米复合材料中的AgNP大小约为10纳米。此外，多分散性指数、流体动力学尺寸分布和ζ-电位的结果表明，AgNP@CN表现出均匀分散、流体动力学直径约为90.45纳米以及负表面电荷。将AgNP@CN掺入ZN基体后，合成的AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜表现出比纯ZN生物塑料薄膜更优异的拉伸强度、断裂伸长率、热稳定性和表面疏水性，这归因于强界面氢键作用和均匀的微观结构。研究发现，AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜的阻水性能可与可降解塑料和传统塑料（包括聚乳酸（PLA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚乙烯（PE）相媲美甚至更优。此外，生物塑料薄膜中AgNP@CN含量的增加提高了其抗紫外线性能，这可能是由于蛋白质中的芳香残基产生的发色团以及AgNPs的局域表面等离子体共振（LSPR）效应所致。实验结果表明，AgNP@CN-ZN薄膜中的Ag没有显著迁移到香蕉果肉中，其迁移量低于食品中的安全限值0.01毫克/千克。根据包装实验结果，使用AgNP@CN-ZN生物塑料薄膜作为包装材料可以保持香蕉皮的外观质量并延缓其酶促褐变。综上所述，我们的研究证明了纳米粒子-蛋白质复合材料在包装应用中的可行性。尽管本研究中估计的AgNP@CN-ZN薄膜成本较高，但它们无疑仍具有相对于商业塑料和生物塑料的多种优势。具体而言，AgNP@CN-ZN薄膜具有优异的阻水性能、良好的湿稳定性、强大的机械强度、出色的抗紫外线性能以及良好的抗菌活性，使其成为活性食品包装的理想选择。由于这些功能性特点，AgNP@CN-ZN薄膜特别适合用于包装易腐产品（如切片新鲜水果和新鲜切蔬菜）和冷藏食品（如生肉和海鲜），这些产品对微生物安全性、新鲜度、品质和保质期有较高要求。总体而言，AgNP@CN-ZN薄膜为易腐和冷藏食品的包装提供了有前景的选择，其增强的阻隔性、机械性能和抗菌性能有助于防止微生物污染和品质下降。

**作者贡献声明：**
Ko-Chi Chen：撰写原始稿件、数据可视化、验证、方法论设计、实验研究、数据分析。
You-Ren Lai：撰写修订稿件、数据可视化、方法论设计、数据分析。
Min-Cheng Lin：撰写修订稿件、数据可视化、方法论设计、实验研究、数据分析。
Su-Chun How：撰写修订稿件、项目监督、资源管理、方法论设计、概念构思。

**未引用参考文献：**
Accio, 2026D-08, 2008
Green.Earth, 2026
IndiaMART, 2026
Made-in-China, 2026
UNEP, n.d