由聚（甲基丙烯酸甲酯）、聚（乙烯醇）和五氧化二钒纳米颗粒组成的抗菌食品包装膜的制备，用于保持新鲜切割苹果的新鲜度

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Fabrication of antimicrobial food packaging film composed of poly(methyl methacrylate), poly(vinyl alcohol) and vanadium pentoxide nanoparticles for fresh-cut apples freshness

　　本研究采用表面活性剂辅助水热法制备钒氧化物纳米颗粒（V?O?NPs），并将其整合到聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/聚乙烯醇（PVA）纳米复合薄膜中。通过HR-TEM、XRD和FTIR表征证实V?O?NPs的均匀分散与晶型稳定。优化薄膜（V?O?NPs-4@PMMA/PVA）拉伸强度达12.13MPa，氧气和水蒸气阻隔率分别降低65%和57%。抑菌实验显示22mm抑菌圈及3小时抗菌效果，应用于鲜切苹果保鲜14天，重量损失减少45%，保持质地并抑制腐败。该材料兼具高机械性、优异阻隔性和双重抗菌-抗氧化功能，为绿色食品包装提供新方案。

　　近年来，随着对环保型、抗菌型食品包装需求的增加，寻找能够延长新鲜食品保质期的高效材料变得尤为重要。传统聚合物薄膜在抗菌效果和阻隔性能方面往往表现不足，导致微生物降解和营养成分流失。本研究致力于开发一系列由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚乙烯醇（PVA）制成的纳米复合薄膜，并通过不同浓度的五氧化二钒纳米颗粒（V?O?NPs）进行增强，以解决这些问题。V?O?NPs是通过表面活性剂辅助的水热法合成，并均匀地分散在PMMA/PVA薄膜中。对V?O?NPs及其制备薄膜的结构进行了高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。优化后的薄膜（V?O?NPs-4@PMMA/PVA）表现出12.13 MPa的拉伸强度，比原始的PMMA/PVA薄膜提高了约8.5%。同时，氧气和水蒸气透过率分别降低了约65%和57%。V?O?NPs@PMMA/PVA薄膜显示出最强的抗菌活性，对沙门氏菌（Salmonella Typhimurium）的抑制区宽度达到了22 mm，并在3小时的暴露后实现了微生物生长的完全抑制。当应用于新鲜切块的红苹果时，优化后的薄膜显著减少了45%的重量损失，保持了果实的硬度，并在25°C下储存14天后明显抑制了腐败现象。研究结果表明，集成V?O?NPs的PMMA/PVA薄膜为活性食品包装提供了一种可行、可扩展且生物相容的解决方案，旨在维持水果的新鲜度和安全性。

食品在储存和运输过程中出现的变质和污染是全球食品行业面临的重要挑战，每年导致近40%的食品损失。水果和蔬菜是其中最容易腐烂的商品，这种损失不仅带来严重的经济损失，还通过增加废弃物和温室气体排放对环境造成破坏。抗菌耐药性（AMR）是细菌在抗菌剂存在下仍能存活和繁殖的能力，已成为全球重大公共卫生问题。抗菌耐药性的形成和传播受到人类、动物和环境因素的相互影响，通常被称为“One Health”范式。食品中与病原体相关的抗菌耐药性使感染管理变得更加困难，并对医疗系统造成更大压力。在人类医学和农业操作中，尤其是集约化畜牧业中，抗生素的不当和过度使用显著促进了耐药细菌株的建立和传播。

石油基聚合物因其经济性、便利性、高阻隔性以及化学稳定性而被广泛用于食品包装。然而，传统石油基包装材料虽然在提供物理保护方面有效，但缺乏抗菌功能且不可降解，从而加剧了全球塑料污染危机。特别是在海洋环境中，这种问题尤为严重：2018年全球生产了3.59亿吨塑料，其中约1450万吨进入海洋，导致微塑料和纳米塑料的形成，对海洋生物造成生态和毒理威胁。食品浪费是全球重要的可持续发展问题，其原因在于生产、加工、分配和消费各阶段的低效。复杂的供应链动态、合同限制和错误的需求预测进一步阻碍了进展。提高可持续的食品管理和新的保鲜技术对于减少损失、降低环境影响以及促进循环经济优势至关重要。

因此，开发具有生物相容性、抗菌性和可降解性的薄膜变得尤为重要，以确保食品安全、减少采后损失并符合农业食品行业的可持续发展目标。此外，聚合物链的长时间降解有时与健康和环境风险相关，这促使科学家开发可降解的替代品。能够有效保持食品新鲜度的可重复使用食品包装材料是当前研究的重点。活性薄膜因其在释放和保护方面的优越性能而引发了广泛关注。这些薄膜的特性，如抗菌和抗氧化性，对解决食品变质和颜色变化等问题非常有用，从而提高食品的质量和安全性。

在储存和运输过程中对食品进行包装有助于保持其新鲜度和不受污染。包装可以提供关于食品化学结构、保质期、储存条件和产地的信息，这对市场参与者和消费者非常有帮助。包装的字体和颜色可以非常吸引人，从而促进消费者购买。食品包装薄膜应具备出色的能量传输能力、卓越的机械性能、良好的光反射能力和可降解性，能够有效阻挡气体、水蒸气和气味。许多包装材料还具有其他有趣的特性，例如能够感知、跟随和防护紫外线，以及杀灭微生物。这些特性使得生物聚合物在食品包装材料中比传统塑料更受欢迎，因为它们具有可降解性、无毒性、生物相容性和环保特性。这些化合物的保护性能可以防止包装食品中的气体、水分、香味和脂质向外界环境迁移，从而防止这些成分的流失，并能够作为抗菌剂，抑制可能攻击食品产品的微生物。

热塑性聚酯聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）具有多种优势特性，包括生物相容性、可过滤性、低成本、易于制造、高透明度和轻质。由于其有益的特性，PMMA被用作制造光敏塑料、导电复合材料、热导复合材料、牙科光敏材料，以及医疗和牙科设备的原料。微流控纺丝技术近年来被用于制备具有高杀菌活性的活性薄膜，使用了魔芋葡甘露聚糖、PMMA和氯ogenic酸作为添加剂。另一种著名的合成聚合物是聚乙烯醇（PVA），它在可食用产品涂层和包装中被广泛应用，美国食品药品监督管理局（FDA）已批准PVA涂层用于临床应用。PVA之所以被广泛使用，是因为其具有高机械强度、成膜能力和特殊的气体阻隔性能，对食品包装行业产生了重大影响。许多研究者对PVA的使用进行了深入研究，因其具有可降解性、成膜能力、无毒性、亲水性和透明性等优点。此外，PVA表面平整，但其分子量、拉伸强度、粘附性和水解水平也较高。PVA具有低毒性和良好的润湿性，可作为传统成膜剂的替代品。

另一方面，新鲜的农作物如蔬菜和水果由于其快速代谢，更容易受到微生物污染，这有利于细胞生长并放大微生物数量。由于变质，可能出现颜色变化、风味变化和气味变化等症状。有效的包装不仅能够保持新鲜度，还能显著延长食品的保质期，同时确保其质量和安全性。有效的包装作为保护屏障，能够减少食品在处理和储存过程中接触病原体、过敏原、毒素和物理损伤的风险。因此，有必要开发具有固有抗菌性能的包装材料，以防止微生物降解和污染。通过在聚合物材料上涂覆抗菌化学物质，可以制备抗菌包装。这种涂层增加了抗菌剂的暴露面积，从而减少细菌污染。

新鲜切片水果由于切割和处理过程中造成的组织损伤，容易受到微生物感染并快速发生质量下降，这加速了采后代谢。虽然灭菌可以确保安全性，但可能对质地、颜色和营养质量产生负面影响。因此，开发具有抗菌和抗氧化性能的包装薄膜对于保持新鲜切片水果的新鲜度、抑制微生物繁殖以及在储存过程中维持其感官和营养完整性至关重要。通过化学和物理特性，掺杂聚合物在更广泛的应用中变得非常有用，这使得它们从全球性问题转变为近年来的新兴问题。

五氧化二钒纳米颗粒（V?O?NPs）具有多面体结构，以及异常广泛的氧化态范围（从+2到+5），这使得V?O?NPs成为一个引人注目的研究对象。Raj等人指出，V?O?NPs通过其对电子传递链的影响来杀灭大肠杆菌细菌。同样，V?O?NPs促使细菌产生活性氧物质（ROS），从而破坏细胞产物。近年来，基于纳米材料的食品包装研究探索了多种填充物，如金属氧化物、碳纳米结构和植物衍生纳米材料，以增强食品保鲜效果。然而，许多系统存在缺点，包括纳米颗粒分散性差、界面结合弱以及长期抗菌稳定性有限。在此背景下，本研究引入了由V?O?NPs增强的PMMA/PVA薄膜，提供了一种机械强度、阻隔性能和抗菌-抗氧化双重功能的平衡组合。

因此，本研究的主要目的是制备一系列嵌入不同浓度V?O?NPs的PMMA/PVA薄膜复合材料，以开发一种能够增强易腐苹果水果长期保鲜能力的抗菌薄膜。对所开发薄膜的物理化学、形态学、机械性能和阻隔行为进行了评估，同时对其生物活性进行了研究，以确定这些薄膜作为抗菌食品包装材料的可行性。通过14天的实验时间进程，评估了所开发薄膜在保持苹果立方体新鲜度方面的有效性。