来源：Toward the rational design of bio-based active films: Integrating polymer matrix and pomegranate peel-derived bioactive fractions（LWT）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
生物基活性包装材料的性能究竟由什么决定？是聚合物基质本身，还是添加的活性组分？本研究以石榴皮为原料，制备了粉末、醇水提取物和低共熔溶剂提取木质素三种衍生组分，分别负载于海藻酸钠、明胶和聚乙烯醇三种聚合物基质中。通过表面形貌、水溶性、红外光谱、热分析和抗氧化/抗菌性能的系统表征，结合多元统计分析，揭示了基质化学与添加物性质对膜性能的差异化贡献——提取物主导抗氧化，木质素贡献抗菌，而粉末则显著改变表面粗糙度。研究为生物基活性膜的理性设计提供了数据支撑。
研究背景
将果蔬副产物整合进生物塑料体系，是提升生物塑料性能的重要路径。水果残渣富含纤维、抗氧化剂和抗菌化合物，可改善生物塑料配方的机械强度、阻隔性能、功能性和稳定性。利用果蔬副产物还能减少环境负担——将有机物从废弃物流中分流，降低对化石基资源的依赖。这一策略支持可持续生产循环，提升资源效率，契合全球从可再生、低成本原料开发高值材料的趋势。
可持续活性包装材料的开发，需要对聚合物基质与生物活性组分之间的相互作用有理性认识。选择合适的聚合物基质尤为关键：基质决定了与生物活性化合物的相容性，影响其释放行为，并最终影响材料的机械和阻隔性能。一个选择得当的聚合物基质，是活性包装体系发挥功能的先决条件。
研究方法
2.1 材料
海藻酸钠（产品编号180947）、猪皮明胶（批号BCBH5042V）、PVA（分子量146000–186000，水解度99%以上）、2,2-二苯基-1-苦基肼基自由基（DPPH•）、六水合三氯化铁（97%）、2,4,6-三(2-吡啶基)-s-三嗪（TPTZ）（≥98%）、(±)-6-羟基-2,5,7,8-四甲基色满-2-羧酸（Trolox）（97%）、鞣花酸（≥99%）、氯化胆碱（ChCl）（≥99%）、乳酸（LA）（≥85%）和30% v/v过氧化氢溶液均购自Sigma-Aldrich（意大利米兰），按收到状态使用。氯化钙（CaCl₂，纯度≥93%）购自CARLO ERBA Reagents（意大利米兰科尔纳雷多）。食品级转谷氨酰胺酶（产品编号8437020422024，活性=125 U/g）购自Bindly（BDF Natural Ingredients，西班牙赫罗纳）。
【数据】试剂纯度：三氯化铁97%、TPTZ ≥98%、Trolox 97%、鞣花酸≥99%、ChCl ≥99%、乳酸≥85%、CaCl₂ ≥93%；酶活性：转谷氨酰胺酶125 U/g；PVA分子量：146000–186000；PVA水解度：99%以上
2.2 石榴副产物与脱水工艺
石榴果实（品种Wonderful）由A.P.O.协会（意大利福贾）惠赠。制备果皮粉末时，将完整果实彻底清洗、漂洗并切割，分离果皮与假种皮。所得副产物在食品脱水机中于50 °C干燥（PF–SIC CO80PRO，SICCOTECH，意大利坎波巴索），采用常压自然对流。当连续三至四次测量重量恒定时，脱水完成。最终脱水果皮的含水量约为8.7 g/100 g。干燥材料随后用实验室研磨机粉碎，并在真空条件下于4 °C储存在聚乙烯袋中。果皮粉末的粒径通过校准筛（ENCO srl，意大利斯皮内亚）测定，约为500 μm。
【数据】干燥温度：50 °C；脱水终点：连续3–4次测量重量恒定；含水量：8.7 g/100 g；储存条件：真空、4 °C；粒径：约500 μm；石榴品种：Wonderful
2.3 石榴皮提取物的制备与表征
取干燥石榴皮（30 g），用乙醇/水（6:4 v/v）（900 mL，固液比33.3 mg/mL）在室温下搅拌提取60 min。所得混合物离心（8247 × g，4 °C，10 min），收集上清液并于−25 °C储存；固体残渣冻干后通过差减法评估提取物重量产率（64% w/w），随后用于木质素提取。所得提取物随后通过UV–Vis光谱、HPLC、LC-UV-MS分析和酸降解（Garcia-Villalba et al., 2015）表征其酚类组成和抗氧化相关成分。
UV-Vis光谱在Jasco（意大利克雷梅拉）V730分光光度计上记录。HPLC分析使用Agilent（意大利切尔努斯科 sul Naviglio）1200仪器，配备UV-Vis检测器；色谱柱为Phenomenex（意大利卡斯泰尔马焦雷）Sphereclone ODS柱（250 × 4.60 mm，5 μm），流速1.0 mL/min。梯度洗脱使用0.1%甲酸水溶液（溶剂A）和乙腈（溶剂B），程序如下：5% B，0–10 min；从5%到80% B，10–57.5 min。进样体积为10 μL，所有样品的检测波长为254 nm。鞣花酸的定量测定根据HPLC峰面积进行。校准曲线使用鞣花酸标准溶液在30–100 μg/mL浓度范围内建立。
LC-UV-MS分析在Agilent（意大利切尔努斯科 sul Naviglio）1260/6230DA LC-MS ESI-TOF仪器上以正离子或负离子模式运行，条件如下：干燥气（氮气）5 L/min，325 °C；雾化器压力35 psig；毛细管电压3500 V；碎裂电压175 V；检测波长254 nm；使用Agilent Eclipse Plus ODS柱（150 × 4.6 mm，5 μm），流速0.4 mL/min，洗脱条件同上。
酸降解（Garcia-Villalba et al., 2015）：取50 mg样品于Pyrex管中，加入5 mL 4 mol/L HCl，90 °C处理24 h。混合物冷却至室温后，用6 mol/L NaOH调至pH 2.5，离心（8247 × g，10 min）。回收上清液，加水定容至10 mL，经0.45 μm PVDF滤膜（Merck，意大利米兰）过滤后按上述HPLC条件分析。固体残渣溶于10 mL DMSO/甲醇（1:1 v/v）中，同样进行HPLC分析。
【数据】提取溶剂：乙醇/水（6:4 v/v）；提取体积：900 mL；固液比：33.3 mg/mL；提取时间：60 min；提取温度：室温；离心条件：8247 × g、4 °C、10 min；提取物产率：64% w/w；储存温度：−25 °C；HPLC流速：1.0 mL/min；进样体积：10 μL；检测波长：254 nm；鞣花酸校准范围：30–100 μg/mL；LC-MS干燥气：5 L/min、325 °C；雾化器压力：35 psig；毛细管电压：3500 V；碎裂电压：175 V；LC-MS流速：0.4 mL/min；酸降解：50 mg样品、5 mL 4 mol/L HCl、90 °C、24 h；中和至pH 2.5；滤膜孔径：0.45 μm
2.4 低共熔溶剂（DES）制备与木质素回收
提取按照先前报道的方法（Moccia et al., 2022; Moccia et al., 2022）进行，略作修改。基于氯化胆碱（ChCl）和乳酸（LA）的DES体系已被报道对不同生物质中的木质素表现出强选择性溶解能力，且木质素溶解度随乳酸比例增加而提高（Moccia et al., 2022）。简言之，将ChCl和LA以1:9摩尔比混合，在50 °C下搅拌加热至形成均一液体。所得DES标记为ChCl:LA9，在室温避光储存。使用期间未观察到晶体析出。
木质素提取：将10 g醇水提取后的石榴残余固体加入100 g ChCl:LA9中，混合物置于Pyrex玻璃瓶中，在120 °C下搅拌24 h。冷却至室温后，离心（8247 × g，4 °C，10 min），分离固体残渣和上清液。固体残渣用50 mL乙醇洗涤三次（8247 × g，4 °C，10 min），收集的洗涤液用旋转蒸发仪干燥。所得残渣加入初始离心的上清液中，随后倒入1 L 0.01 mol/L HCl中，于4 °C放置至观察到棕色固体析出。沉淀通过离心（8247 × g，10 min，4 °C）回收，用0.01 mol/L HCl洗涤三次、蒸馏水洗涤一次，冻干。石榴木质素相对于起始石榴固体残渣的回收率为12 g/100 g w/w（w/w，以初始生物质干重计），并通过¹H NMR和碱性过氧化氢降解表征。
¹H NMR谱在Bruker（意大利米兰）400 MHz仪器上以DMSO-d₆为溶剂记录。碱性过氧化氢降解（Panzella et al., 2012）：将10 mg木质素悬浮于1 mol/L NaOH（1 mL）中，加入50 μL 30% H₂O₂。混合物在室温下剧烈搅拌，24 h后用5% Na₂S₂O₅水溶液处理，用6 mol/L HCl调至pH 3，经0.45 μm PVDF滤膜过滤，按上述条件进行LC-UV-MS分析。
【数据】DES配比：ChCl:LA = 1:9 mol/mol；DES制备温度：50 °C；木质素提取：10 g残渣 + 100 g ChCl:LA9、120 °C、24 h；离心：8247 × g、4 °C、10 min；洗涤：50 mL乙醇×3次；沉淀：1 L 0.01 mol/L HCl、4 °C；木质素回收率：12 g/100 g w/w；¹H NMR：400 MHz、DMSO-d₆；碱性过氧化氢降解：10 mg木质素、1 mL 1 mol/L NaOH、50 μL 30% H₂O₂、室温24 h；Na₂S₂O₅浓度：5%；调至pH 3；滤膜孔径：0.45 μm
2.5 石榴皮提取物和木质素抗氧化性能评价
DPPH• assay（Goupy, Dufour, Loonis, & Dangles, 2003; Gokmen et al., 2009）：将石榴皮提取物（终剂量0.0133–0.0399 mg/mL）加入0.2 mmol/L DPPH•乙醇溶液中，室温搅拌10 min后，在515 nm处测定溶液吸光度。同样的 assay 在木质素的DMSO溶液（2 mg/mL）上进行（终剂量0.0087–0.0525 mg/mL）。结果以EC50值表示，即实现50% DPPH•还原所需的浓度/剂量。实验设三组平行。
FRAP assay（Benzie & Strain, 1996）：将石榴皮提取物（终浓度0.0013–0.0053 mg/mL）加入含有1.7 mmol/L FeCl₃和0.83 mmol/L TPTZ的0.3 mol/L乙酸缓冲液（pH 3.6）中，室温搅拌10 min后，在593 nm处测定溶液吸光度。该 assay 也在木质素的DMSO溶液（2 mg/mL）上进行（终浓度0.0035–0.0105 mg/mL）。结果以Trolox当量（eqs）表示。实验设三组平行。
【数据】DPPH•浓度：0.2 mmol/L；提取物终剂量：0.0133–0.0399 mg/mL；木质素终剂量：0.0087–0.0525 mg/mL；反应时间：10 min；检测波长：515 nm；FRAP缓冲液：0.3 mol/L乙酸缓冲液（pH 3.6）；FeCl₃浓度：1.7 mmol/L；TPTZ浓度：0.83 mmol/L；提取物终浓度：0.0013–0.0053 mg/mL；木质素终浓度：0.0035–0.0105 mg/mL；检测波长：593 nm；平行次数：3次
2.6 膜制备
可食性聚合物膜以明胶、海藻酸钠和聚乙烯醇（PVA）为基质制备。这些膜用石榴粉末（P）、石榴衍生木质素（L）、石榴提取物（E）进行功能化。原文该节内容在节选处中断，后续制备步骤原文未详述。
【数据】基质：明胶、海藻酸钠、PVA；功能化组分：石榴粉末（P）、木质素（L）、提取物（E）；原文未详述具体制备参数
研究结果
3.1 石榴皮衍生组分的表征
石榴皮醇水提取物的UV-Vis光谱在260和375 nm处呈现两个吸收极大值（图1a），表明存在鞣花酸和/或鞣花单宁（Viggiano et al., 2024）。与此观察一致，HPLC分析（图1b）显示，除其他组分外，存在两个主要化合物，分别在约17和19 min洗脱，经LC-UV-MS鉴定为安石榴苷异构体。在约24 min处还检测到一个次要峰，归属于鞣花酸（0.34% w/w）。酸降解（Garcia-Villalba et al., 2015）测定总鞣花单宁含量（以鞣花酸当量表示）为7.9%（w/w）。
石榴皮木质素DMSO溶液的UV-Vis光谱（图2a）的特征是在200–600 nm范围内有一个宽带吸收带，这符合木质素聚合物和化学异质结构的预期。然而，HPLC分析（图2b）表明木质素样品中存在鞣花酸（2.4% w/w），可能来源于残余固体中未提取的鞣花单宁在木质素回收所用酸性条件下的水解。¹H NMR分析证实了鞣花酸的存在，以及此前被鉴定为石榴鞣花单宁另一种主要水解产物的没食子酸双内酯（García-Villalba et al., 2015; Verotta et al., 2018），这从δ 7.48和7.53处的单峰可以明显看出（图S1）。另一方面，6.0–7.4 ppm区域的宽信号证实了异质酚类聚合物（如木质素）的存在，这与化学降解混合物（Panzella et al., 2012）的LC-UV-MS分析结果（图S2）一致，其中除其他峰外，约32和33 min洗脱的两个峰被鉴定为香草酸和丁香酸，是木质素的典型标志物（Argenziano et al., 2022; Gómez-Cruz et al., 2025; Panzella et al., 2012）。
石榴皮提取物和木质素的抗氧化性能通过两种广泛使用的分光光度法表征，即DPPH•和FRAP assay。如表1所示，两种样品均表现出显著的抗氧化性能。在DPPH• assay中，醇水提取物和木质素测得的EC50值几乎相当，而在FRAP assay中观察到更明显的差异，提取物表现出更高的还原能力。这种差异可归因于大分子木质素较低的溶解度，因而其酚基团的可及性较低，与低分子量鞣花单宁相比，在FRAP assay所采用的水性介质中如此。考虑到所有测量均设三组平行，对两种体系的比较被谨慎解读，避免过度解读微小差异，而是聚焦于观察到的整体趋势。无论如何，通过与纯鞣花酸报道的抗氧化性能比较（Moccia et al., 2022），可以得出结论：石榴皮木质素的抗氧化性能主要归因于其聚合物组分，而非样品中存在的鞣花酸。
【数据】UV-Vis吸收峰：260 nm、375 nm；HPLC洗脱时间：约17 min、约19 min（安石榴苷异构体）、约24 min（鞣花酸）；鞣花酸含量（提取物）：0.34% w/w；总鞣花单宁含量：7.9% w/w（以鞣花酸当量计）；木质素UV-Vis吸收范围：200–600 nm；木质素中鞣花酸含量：2.4% w/w；¹H NMR单峰：δ 7.48、7.53；LC-MS鉴定木质素标志物：香草酸、丁香酸（约32、33 min洗脱）；DPPH• assay EC50：提取物与木质素几乎相当；FRAP assay：提取物还原能力高于木质素；平行次数：3次
3.2 膜的理论、结构与热性能
#### 3.2.1 厚度与表面粗糙度
表2总结了根据材料与方法部分所述程序测定的厚度和表面粗糙度（Sq）实验值。总体而言，石榴衍生组分——粉末（PP_P）、提取物（PP_E）、木质素（PP_L）及其组合（PP_EL）——的掺入以基质依赖和添加剂依赖的方式改变了膜的性能。含粉末体系（PP_P）与相应的纯膜相比，一致地表现出厚度和表面粗糙度增加，表明由于分散固体颗粒的存在而形成更异质的结构。这种表面粗糙度的增加始终高于含提取物体系所观察到的增加，差异明显超过相关的实验变异性。这些差异也得到图3所示表面形貌的定性支持，其中含粉末膜与含提取物体系更光滑的外观相比，表现出更不规则和异质的表面。尽管膜厚度因配方而异，但这种变化与掺入组分（如粉末和木质素组分）在聚合物基质中的不同性质、粒径和分散行为一致，而非与流延工艺的不一致性有关。
【数据】含粉末体系（PP_P）：厚度和表面粗糙度较纯膜增加；表面粗糙度增加幅度：含粉末体系 > 含提取物体系；差异超过实验变异性；膜厚度变化：与组分性质、粒径和分散行为一致
#### 3.2.2 水溶解性
含提取物配方（PP_E）通常表现出更高的水溶解率（%），差异超过相关的实验变异性（表2），尽管并非在所有基质中一致。木质素基膜（PP_L）倾向于表现出更有限的溶解变化，变化取决于具体基质。组合PP_EL体系在大多数参数上表现出中间行为，反映了木质素和提取物的同时存在，但没有证据表明在所有基质中存在统一或协同的趋势。这些变化可以解释为添加剂诱导的聚合物链迁移率变化及其与聚合物基质的相互作用，这在生物基膜体系中常有报道（Dirpan et al., 2023）。
【数据】含提取物配方（PP_E）：水溶解率高于对照，差异超过实验变异性；木质素基膜（PP_L）：溶解变化有限，取决于基质；PP_EL体系：大多数参数呈中间行为；无统一或协同趋势
#### 3.2.3 ATR-FTIR分析
含石榴衍生组分的海藻酸钠基、明胶基和PVA基膜的ATR-FTIR光谱分别见图4A、4B和4C。应注意，光谱之间峰存在的差异主要反映三种聚合物基质的不同化学结构，而在每种基质内，用石榴衍生组分功能化预计不会导致新谱带的出现，而只会引起轻微位移和强度变化。在所有情况下，功能化膜的光谱呈现出可解释为纯聚合物基质特征吸收带与石榴衍生组分相关吸收带叠加的轮廓，证实了它们有效掺入膜中。未检测到额外的吸收带，仅观察到谱带位置或形状的微小变化。这些发现表明没有形成新的共价官能团，并提示任何基质–添加剂相互作用仅限于弱至中等、非特异性的相互作用，在ATR-FTIR分析的检测限内。所有光谱中观察到的主要吸收带对应于聚合物基质的典型官能团，包括3200–3500 cm⁻¹区域的O–H伸缩振动、1600–1700 cm⁻¹区域的C=O伸缩振动，以及1000–1200 cm⁻¹范围的C–O振动。未检测到可归因于共价键形成的新吸收带。因此，在某些情况下观察到的轻微位移和谱带强度变化被归因于聚合物基质与掺入组分之间的非共价相互作用，如氢键。
【数据】O–H伸缩振动：3200–3500 cm⁻¹；C=O伸缩振动：1600–1700 cm⁻¹；C–O振动：1000–1200 cm⁻¹；新共价键吸收带：未检测到；谱带变化：轻微位移和强度变化；相互作用类型：非共价（氢键）
#### 3.2.4 热重分析（TGA）
含石榴衍生组分的海藻酸钠基、明胶基和PVA基膜的热重曲线分别见图4D、4E和4F。在所有情况下，功能化膜的热谱图反映了相应纯聚合物基质的特征降解行为，并附加了可归因于掺入石榴衍生组分的贡献。没有出现新的、不同的降解阶段，主要分解模式得以保留，表明添加剂并未从根本上改变基质的降解机制。海藻酸钠基……（原文此处中断）
【数据】热降解阶段：无新降解阶段出现；主要分解模式：保留；添加剂对降解机制：无根本改变；原文未详述具体温度数值
3.2.5 差示扫描量热法（DSC）
原文该节内容未在节选中提供。
【数据】原文未详述
讨论与解读
本研究通过比较和整合评估，揭示了聚合物基质化学如何决定富含石榴皮衍生组分的生物基膜的功能性能。通过系统地将三种化学性质不同的基质（海藻酸钠、明胶和PVA）与富含多酚的提取物、木质素组分、它们的组合以及全果皮粉末相结合，研究超越了配方特异性观察，迈向结构–性能关系的识别。多技术表征方法表明，活性组分被有效掺入聚合物网络中，没有证据表明形成新的共价键，这表明观察到的性能差异主要源于物理相互作用和基质依赖的组织方式。
功能行为受基质类型和添加剂性质的强烈影响。含提取物体系通常增强抗氧化性能并增加水溶解性，而木质素成为抗菌性能的统计学显著贡献者。表面形貌主要受分散固体组分存在的影响，热行为主要由聚合物固有特性决定。重要的是，多元回归分析证实，膜性能不能归因于单一通用组成因素。相反，每种性能由特定驱动因素主导：基质……（原文此处中断）。多元分析进一步支持这些发现，根据所考虑的性能，解释了约65–70%的变异性。
编译者解读
该研究的方法学价值在于将"基质化学"作为独立变量纳入实验设计，而非仅关注活性添加剂本身。三种基质跨越了多糖、蛋白质和合成聚合物三大类，石榴皮衍生组分则覆盖了从粗粉末到纯化木质素的梯度，这种矩阵式设计使结构–性能关系的解析更具统计效力。然而，研究也存在局限：膜的机械性能和实际食品模拟物中的活性释放行为未被纳入评价体系，而这两者恰恰是活性包装从实验室走向应用的关键瓶颈。此外，提取物中安石榴苷异构体的具体比例及其与抗菌活性的构效关系仍有待深入。对于合成生物学而言，该研究的启示在于——未来可通过工程化微生物合成特定结构的鞣花单宁或木质素前体，实现活性组分的精准定制，而非依赖植物提取的批次差异。
参考来源
期刊：LWT, 2026
DOI: 10.1016/j.lwt.2026.120030
DOI: 10.1016/j.lwt.2026.120030