多糖納米材料制備、表征及在果蔬可食性涂膜中應用的研究進展

黃 金，崔朝經，韓 雪，郝建雄，趙丹丹

（河北科技大學食品與生物學院, 河北石家莊 050018）

果蔬類農產品的最大特點是含水量較高，貯藏運輸中的腐爛或失水等問題嚴重影響果蔬品質，這影響果蔬的新鮮程度，導致保質期較短。涂膜保鮮能有效改善以上問題，但大多涂膜材料是含有化學成分且經人工合成的膜制劑，保鮮效果有限，安全性未經全面證實，食用方面有潛在風險性。可食性涂膜是通過包裹、涂刷、浸漬、噴灑等方式覆蓋于食品表面（或內部）的一層薄膜，可作為食品的組成部分食用，具有機械阻隔性能。它能防止水分蒸發，減少養分損失；減少與食品表面的空氣接觸，減少果蔬氧化及褐變反應；降低果蔬呼吸強度，保持食品外觀質量[1]。

涂膜材料由基質、交聯劑、表面活性劑等組成，分為單一涂膜和復合涂膜兩種，與復合涂膜相比單一涂膜機械性能較差[2]。目前有多糖、蛋白質、脂類和復合材料等涂膜材料用于果蔬及食品保鮮。多糖是一種天然聚合物，用于制備可食性涂膜的多糖有殼聚糖、淀粉、纖維素及其衍生物、果膠、海藻多糖等。多糖的成膜性較好，以阻隔水分散失、氣體交換，在保持果蔬采后品質、延長貨架期等方面效果顯著，被廣泛應用于果蔬保鮮中。

納米材料具有與宏觀材料完全不同的理化性質，且納米復合材料的機械性能、屏障性能與普通的同組分材料顯著不同。將尺寸在10～100 nm范圍內的納米材料添加到不同成膜基質中，可以生產出具有改善薄膜性能（例如阻隔性能和機械強度）的納米可食性涂膜。國內外關于可食性納米薄膜的研究主要集中在基質的復合以及應用納米粒子的增強薄膜性能等方面[3]。

多糖可食性涂膜和納米技術在包裝材料中的應用都有豐富的研究資料，但針對納米多糖材料用于果蔬的可食性涂膜研究較少，本文綜述了近年來多糖納米材料制備及其應用于果蔬可食性涂膜的研究進展，為相關方向的研究提供參考。

1 多糖類可食性涂膜在果蔬中的應用

用于可食性涂膜的多糖主要有纖維素及其衍生物、淀粉、殼聚糖、海藻酸鹽、魔芋葡甘聚糖、果膠等。多糖涂膜阻氣性良好，有效降低果蔬的呼吸強度，但多糖的親水性質使其抑制水分散失的性能較差[4]。以多糖為基質的涂膜劑分為單一涂膜和復合涂膜，作為天然材料的各類多糖雖有安全無毒、可降解等優點，也存在機械性能、透氧性、抑菌性能等方面的不足，抑制了多糖可食性涂膜的適用范圍。許多研究人員在單一多糖膜中加入蛋白質或脂類、精油、納米材料等以改善膜性能，提高其保鮮效果。王璐等使用殼聚糖單一涂膜液對心里美蘿卜涂膜，殼聚糖涂膜處理顯著減少了鮮切心里美蘿卜貯藏期間的失水率，可較好的保持蘿卜營養物質的，提高心里美蘿卜貯藏期的品質[5]。Noemi等用稀堿液對淀粉進行改性處理，在0 ℃，相對濕度84.4%條件下對草莓進行涂膜，腐爛率顯著降低[6]。余易琳將納米纖維素添加到殼聚糖當中,用于柑橘的涂膜保鮮，2%濃度的纖維素涂膜對蜜橘的腐爛率、呼吸速率、丙二醛和相對電導率等均有較好的抑制效果，有利于糖、抗壞血酸、總酚等營養物質的保存[7]。

表1列舉了現有研究中不同多糖涂膜基質、結合材料、應用的果蔬品種及涂膜的功能。現有研究中的涂膜在自身的機械性能、透氧性能等方面都有優異表現，對于果蔬貯藏，在抑制酶活性、維持感官品質、延長貯藏壽命等方面都表現出不同程度的增強作用。

表1 多糖涂膜材料在果蔬中的應用Table 1 Application of polysaccharide coating materials in fruits and vegetables

2 多糖納米材料的制備、性能表征及涂膜應用

2.1 殼聚糖

殼聚糖由殼類動物中的甲殼素產生，在自然界中的含量十分豐富。殼聚糖具有可降解、抗菌性強等優點，是一種潛在的食品包裝材料原料[16]。近年來，由于殼聚糖納米粒子的包埋率和靈敏度高、抗菌性強等特點，殼聚糖納米粒子包埋抑菌物質成為研究熱點，許多研究表明了納米顆粒的重要性和優勢。根據殼聚糖的抗菌機理，將殼聚糖制備成納米粒子。利用納米粒子強大的界面效應，殼聚糖可以增強其粘附微生物細胞壁、穿透細胞和破壞細胞膜的能力，從而使殼聚糖具有更好的抗菌活性。

2.1.1 殼聚糖納米粒子 可食性納米顆粒有良好的生物相容性、生物降解性，由于其可食用的性質可減少對人體的不良影響，因此納米顆粒增強的可食性薄膜的機械性能和對果蔬的保鮮效果都優于其他固體粒子穩定劑。殼聚糖納米粒子的制備方法有離子交聯法、乳化交聯法、凝聚法和自組裝法等[17]。

離子交聯法是基于殼聚糖的帶正電荷的氨基基團與聚陰離子的帶負電荷基團之間的相互作用。如圖1所示，酸性條件下，殼聚糖氨基帶正電荷與負電基團（三聚磷酸鈉）相互吸引，通過靜電作用形成納米粒子[17]。二者交聯時，從表面開始交聯，產生表面交聯緊密，內部疏松的現象。三聚磷酸鈉（TPP）是最為常用的離子交聯劑。離子交聯法由于其所用物質無毒和快速交聯能力廣受歡迎，制備過程的影響因素包括殼聚糖的分子量、去乙酰度、TPP的濃度和體積比、TPP的加入方式等。另外，殼聚糖納米粒子的控制和調節的能力是通過粒徑大小，但傳統方法制備的殼聚糖納米粒子粒徑分布廣，穩定性差，限制了其在某些領域的應用。Pan等分別制備了分子量為142、138和49.5 kDa的殼聚糖，研究殼聚糖濃度、攪拌速度和時間等條件對殼聚糖納米粒子粒徑的影響[18]。Chang等利用三聚磷酸酯（1%）制備殼聚糖納米粒，并將其作為食品包裝中甘油-淀粉膠基質（GPS）的填充劑。結果表明，低濃度（1%、2%）的納米粒子均勻分散時，填充劑與基體之間的相互作用對其拉伸強度、存儲模量、玻璃化溫度、水蒸氣阻隔度和熱穩定性都有明顯的提高[19]。

圖1 三聚磷酸鈉與殼聚糖交聯制備納米粒子[17]Fig.1 Nanoparticles prepared by crosslinking sodium tripolyphosphate with chitosan[17]

乳化交聯法有利于制備分布狹窄、共價交聯的殼聚糖顆粒。由于無共價交聯或不共價交聯，離子凝膠法制備的殼聚糖納米粒子穩定性較差，特別是對于pH或離子濃度的變化。乳化交聯法是根據包埋物與殼聚糖的性質制成O/W或W/O型乳液，加入交聯劑，交聯劑與殼聚糖交聯制得納米粒子，并使納米粒子逐漸固化[20]。常見的交聯劑有戊二醛、甲醛等，戊二醛交聯顆粒一般比離子交聯顆粒大。由于戊二醛的毒性，此法單純應用于納米粒子的制備較少，通常和離子交聯法結合。Keawchaoon等通過油包水乳液殼聚糖與三聚磷酸五鈉凝膠兩部分制備殼聚糖納米粒子，結果表明殼聚糖納米粒子的抗菌性能顯著提高[21]。

凝聚法制備殼聚糖納米粒子屬于物理方法，降低了殼聚糖的毒性。凝聚法主要分為兩類，單凝聚法的作用機理和過程與復凝聚不同。凝聚法分為單凝聚和復凝聚兩種，單凝聚法是在酸性溶液中，經沉淀劑作用，殼聚糖分子間相互作用，從溶液中析出。復凝聚法是利用兩種電性相反的材料，通過離子之間交聯，析出制得納米粒子[22]。Wang等以殼聚糖和明膠為材料利用復凝聚法制備了水包油型微納米微囊，通過調節制備條件，制得平均尺寸在200～400 nm之間單分散的、粒徑均勻的、球形的納米微膠囊[23]。

自組裝是大分子物質在弱的和方向性較小的非共價鍵（氫鍵、范德華力等）的相互作用下，自發組織成為外形規則的穩定結構的過程[17]。自組裝法方法簡單，不需要添加交聯劑，也不需要昂貴的儀器設備，工藝簡單可調控，是制備納米粒子的重要手段。但自組裝法制備的聚集體粒徑大、物理穩定性能差使其在食品中的應用也受到限制[24]。Tareq等采用自組裝的方法合成了納米銀納米殼聚糖聚合物，在液體培養基和食品表面的抗菌成分改善了氧化變化和微生物的生長造成的品質下降，提供更高的安全性，顯示出良好的抗菌性能[25]。

表2進行了上述各種殼聚糖納米粒子制備方法的優缺點比較。離子交聯法操作簡單可控，制備出的納米粒子生物相容性好，包埋率高，但大規模應用受限。乳化交聯法制備穩定性、吸附能力較強，但制備的納米粒子粒徑較大，應用效果受影響，且制備過程中使用的戊二醛屬于有毒物質。凝聚法是物理制備方法，有效降低殼聚糖的毒副作用，提高包埋率，但制備的粒子粒徑大，包埋抑菌物質釋放緩慢，抑菌效果不理想。自組裝法過程簡單，可操作性強，但制備的納米粒子粒徑大，物理穩定性能較差。各種制備方法都有其優缺點，在不同要求下的制備中也都有應用，目前在可食性涂膜中應用較多的是離子交聯法制備的納米粒子。

表2 殼聚糖納米粒子制備方法的優缺點比較Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of preparation methods of chitosan nanoparticle

納米粒子表征分析通常采用粒徑分析（DLS）、透射電鏡（TEM）等方法，不同制備方法得到的殼聚糖納米粒子的大小、性質均有不同，如離子交聯法中殼聚糖濃度、TPP濃度對制得的納米粒子影響較大。有研究表明，殼聚糖與TPP濃度比為1.6時，可制得粒徑為十幾納米的粒子，且隨著二者的濃度比增加，納米粒子的粒徑隨之增大。TEM圖像也反映出濃度比為2時殼聚糖納米粒呈現出良好的形貌特征，分散較好，粒徑均勻。

Zormy等通過加入不同濃度（10%、20%、30%）的殼聚糖納米顆粒制備聚丙烯酰胺-殼聚糖納米膜用于草莓的食源性細菌保鮮，隨著殼聚糖納米顆粒的加入，膜表面均勻性增強，粗糙度降低；其親水性和力學性能也有一定影響，疏水性增強，溶脹度、水溶性、水蒸氣擴散系數均下降；在抗菌活性評價中30%的殼聚糖納米顆粒對大腸桿菌有較強的抑制作用[29]。Mustafa等采用超聲法制備了三種不同粒徑（800、600、400 nm）的1%殼聚糖納米粒子并作為可食用的涂層涂在番茄上，與對照相比，殼聚糖處理后的番茄果實可溶性固形物含量增加、硬度降低、顏色由綠變紅等指標均有所延遲[30]。Ali等分別用水包油乳液（T1）和離子凝膠法（T2）制備兩種殼聚糖納米顆粒，加入澤蘭精油對黃瓜整體貨架期延長和冷藏抗氧化活性的影響；結果表明，T2處理的黃瓜對DPF自由基的清除能力和還原能力顯著高于T1處理的黃瓜，涂有TI和T2的黃瓜需氧微生物數較低。兩種涂膜都有效提高黃瓜的品質，保護黃瓜的生物活性成分[31]。Gomes等將殼聚糖和殼聚糖納米粒子結合，制備具有抗菌活性的生物膜；將超聲處理后制備的殼聚糖納米粒子以3:7、1:1、7:3的比例與殼聚糖結合，以調節膜的力學性能和滲透性；結果發現殼聚糖納米粒子的加入改善了殼聚糖微纖維與界面的相互作用，對膜的機械強度和剛度有提升作用，膜的水溶性增加，水蒸氣滲透性降低[32]。Seyed等制備了殼聚糖納米顆粒增強的魚明膠基納米可食用膜；發現殼聚糖納米粒子（0%、2%、4%、6%、8%）的加入提高了拉伸強度，降低了防水性能[33]。

2.1.2 殼聚糖納米乳液 納米乳液具有良好的選擇性，在果蔬表面時有良好的氣體阻隔性，能夠抑制果蔬的呼吸，延長貯存時間。此外，納米乳液可包裹某些不溶性抗菌劑，防止果蔬由病菌造成的變質現象[34]。周靜峰等用納米殼聚糖對鮮切茭白進行涂膜處理，結果表明納米殼聚糖涂膜能夠顯著減少失重率和硬度變化，維持相對高的還原糖和VC含量，有效延緩鮮切茭白褐變和木質化，最終維持其較好的品質[35]。納米乳液除了作為抗菌化合物的載體外，還改善了抗菌化合物的功能。殼聚糖納米乳液作為載體（0.5%殼聚糖+吐溫80+三聚磷酸0.5%）負載孜然芹精油，有效地將抗氧化劑輸送到雙孢蘑菇中，導致貯藏期間微生物生長和PPO活性下降[36]。Francesco等在經過改性的殼聚糖溶液中添加抗菌劑制備納米乳液，用于青枯病菌的抗菌性研究，結果表明，該殼聚糖納米乳能夠顯著減少菌落總數[37]。

2.2 淀粉

化學上，天然淀粉的組成包括直鏈淀粉和支鏈淀粉。直鏈淀粉的成膜性和機械強度較好，粘附性和穩定性較差。天然淀粉以顆粒形式存在，顆粒中結晶區域和非結晶區域交替排列，為半結晶狀態，支鏈淀粉含量越高，結晶度越高[38]。淀粉是一種應用廣泛的可持續性資源，由于淀粉具有能夠形成連續基質，相對于非淀粉膜的低透氧性、循環利用率和低成本等特點，被認為是生產可食性薄膜的理想原料[39]。研究顯示淀粉薄膜是透明的、無味的、無色的，這些特性也是好的包裝材料的特征[40]。

但無論植物來源如何，淀粉都存在著親水性強等缺點，在相對濕度升高的情況下有吸收大量水分的傾向[40]。與合成聚合物相比，它們也表現出較差的滲透性、機械和熱性能。流動淀粉鏈的沉降和結晶會導致膜的熱機械性能發生不理想的變化[41-42]。

納米淀粉材料粒徑在1～100 nm范圍內，分為淀粉納米晶和淀粉納米顆粒兩種，二者在結晶度方面存在差異。淀粉顆粒的非結晶區域水解，得到結晶度較大的顆粒為淀粉納米晶；而淀粉納米顆粒內部的結晶區與非結晶區同時存在，結晶度普遍低于納米晶。淀粉納米材料的制備方法主要有：酸水解法、酶解法、物理方法、化學方法和生物酶法等。

2.2.1 淀粉納米晶的制備 酸水解法制備淀粉納米晶通過酸處理得到微米粒子，多糖顆粒中的結晶區域比非晶態區域更耐酸水解，因此非結晶部分可以通過強酸水解分離，通常使用鹽酸或硫酸。通常認為，采用硫酸制取淀粉納米微晶的得率低于鹽酸法，但硫酸法制得的淀粉納米微晶懸液更為穩定。不同領域都對淀粉水解的動力學進行過研究，表明淀粉水解分為前期的增速和后期的緩速兩個階段[40]。酸水解法制備淀粉納米晶過程如圖2所示，以糯玉米淀粉為原料制備淀粉納米晶，在硫酸溶液中恒定溫度及攪拌5 d，大分子淀粉水解為小分子。之后離心，將納米晶從酸分離出來，洗滌勻漿后得到均勻分散的淀粉納米晶。酸水解可以選擇性地腐蝕非晶態區域，但是這種酸的選擇性水解一般需要較長時間，獲得均勻且高產的納米晶仍然是一個難題[43-44]。以淀粉為原料，采用傳統的酸水解法制備淀粉納米晶，反應時間長，腐蝕程度高。鹽酸和硫酸均對淀粉結構造成破壞，隨著反應進行，淀粉結構破壞程度越大，且酸水解中應用的化學試劑造成環境污染，這都是酸水解法制備淀粉納米晶時面對的嚴重問題。Kim等用硫酸水解蠟質玉米淀粉，在4 ℃水解6 d，之后超聲處理條件下，可以制備出高回收率（78%）的淀粉納米顆粒；制得的淀粉納米顆粒呈球狀，直徑在50～90 nm之間[44]。

圖2 硫酸水解糯玉米淀粉制備淀粉納米晶[43]Fig.2 Starch nanocrystals were prepared by hydrolyzing waxy corn starch with sulfuric acid[43]

酶解法與酸水解原理類似，與酸水解相比，酶解法制備納米顆粒的方法較為新穎，研究并不多。淀粉在酶作用下水解，酶首先作用于淀粉內部較易水解的非結晶區，淀粉顆粒碎裂。據報道，采用聯合工藝可以縮短淀粉納米顆粒的制備時間。研究中常用酶解法與其他方法結合制備納米粒子，如酶解和酸解的結合被用于制備淀粉納米晶。有研究利用透射電鏡（TEM）、激光粒徑分布儀等技術得出酶解法制備的淀粉納米晶粒徑在100 nm左右，結晶度在76%左右，淀粉納米晶表面粗糙，由于靜電作用顆粒間相互聚集[45-47]。Agustin等以酸水解玉米淀粉制備淀粉納米晶，用于增強大豆分離蛋白薄膜，發現隨著淀粉納米晶濃度增大，薄膜對水的親和力降低，耐磨性提高，應用于含糖量較高的水果中影響更加明顯[48]。Roy等以硫酸制備淀粉納米晶增強的可食性涂膜，薄膜的抗沖擊性能、水蒸氣透過率都有顯著增強作用[49]。Corre等用三種淀粉酶對淀粉進行預處理2 h，可以有效地縮短酸水解時間；這種預處理創造了酸在顆粒內擴散的途徑，這使得非結晶區域更容易被水解[50]。

2.2.2 淀粉納米顆粒的制備 物理方法包括高壓均質法、超聲波法、研磨法等。高壓均質法通過微流化器的高壓均勻化是基于操縱液體通過微加工通道的連續流動，通過壓力能的釋放使物料粉碎。然而，晶體結構也發生了部分或完全的破壞，由于要求液體低濃度，所以各工藝的回收率都很低。因此通常將高壓均質法和乳液交聯法聯合應用，微凝膠顆粒是由高度膨脹的交聯聚合物組成的獨特顆粒，可作為軟顆粒穩定劑。通過增加應用剪切力,顆粒的尺寸減小到亞微米尺寸。曾有研究以三偏磷酸鈉（STMP）為交聯劑，采用乳液交聯技術在W/O型微乳液體系中制備了淀粉納米粒子。該方法結合了制備淀粉納米顆粒和微乳液的工藝[51]。

超聲波法通過放大高能振動，傳送到與流體直接接觸的聲吶極管或探針中。這種方法減小顆粒尺寸的原因是懸浮介質中形成的氣泡，在多糖顆粒崩解前轟擊它們，即空化作用。與普通的酸水解相比，由于不使用化學試劑，該工藝的優點是快速、容易實現，無需進行重復洗滌處理。然而，超聲波作用嚴重破壞了晶體結構，導致納米顆粒結晶度低或非晶態結構多[52-53]。胡愛軍等以大米淀粉為原料用超聲波聯合微乳液法淀粉納米顆粒，制得的大米納米淀粉與藥物相容性較好，在緩釋方面也有較好表現[54]。

化學方法包括堿冷凍法、乳化交聯法等，堿冷凍法制備納米粒子的過程是首先破壞淀粉分子間的氫鍵，堿性物質阻礙氫鍵的恢復，再通過物理方法生成淀粉納米顆粒。堿冷凍法過程參數不易控制，在納米淀粉的制備上應用較少。

乳液交聯法是用乳化劑將低濃度淀粉和交聯劑均勻分散在油相中，乳液通過交聯反應制備納米顆粒。楊小云等采用乳化交聯法制備油菜花粉淀粉微球，觀察到淀粉顆粒為類圓形球體，表面有大量孔洞，粒徑分布較為均勻，且無粘連[55]。

生物酶法制備淀粉納米顆粒與酶解制備淀粉納米晶原理相似，彭曄等通過生物酶解法制備了芋頭淀粉的納米顆粒，得到粒徑200 nm左右的淀粉納米顆粒[56]。生物酶法操作快速、簡潔，更有利于實際生產，且制備過程安全無害，是一種新型的納米顆粒綠色制備技術，比常規物理化學方法的產率高。

表3進行了上述各種淀粉納米材料制備方法的優缺點比較。酸水解法操作簡單，得到廣泛應用，但制備時間較長，回收率較低，制備中用酸對環境產生污染。酶解法可提高納米晶的結晶度和得率，但其相關性有待證實。物理法制備納米顆粒無污染，所得顆粒粒徑較小，但普遍回收率低，應用多種設備，能耗較大。化學法制備納米顆粒所得粒徑小，但過程中參數不易控制，對環境造成污染。生物酶制備淀粉納米顆粒與酶解法制備納米晶相似，產率較高，但安全性有待證實。

表3 淀粉納米材料制備方法的優缺點比較Table 3 Comparison of advantages and disadvantages of preparation methods of chitosan nanoparticles

通常使用透射電鏡（TEM）、動態光散射（DLS）、紅外光譜儀（FTIR）等分析納米顆粒特征。大部分方法制備的淀粉納米顆粒呈球形或橢球形，粒徑在50 nm內，相對結晶度在40%以上。有研究采用高壓均質法制備淀粉納米顆粒，淀粉顆粒的結晶度隨粒徑減小而降低，隨著機械處理的進行，淀粉顆粒的無定形區和結晶部分均被分解成更小的分子，制得的納米顆粒尺寸更小，分布更均勻。

Shi等分別將噴霧干燥和真空冷凍干燥玉米淀粉納米顆粒與玉米淀粉基結合，比較兩種淀粉基薄膜的性能表征；與純淀粉膜相比，兩種淀粉納米顆粒的加入均提高了表面粗糙度，結晶度降低了23.5%，水蒸氣滲透性（WVP）降低了44%，玻璃態轉變溫度（Tg）降低了4.3 ℃。制備納米淀粉的干燥方法只影響膜的不透明度，納米顆粒在淀粉薄膜中的摻入使薄膜密度增大，應變隨溫度的變化幅度減小。在100 ℃時含兩種淀粉納米粒子的膜的韌性和楊氏模量均低于對照膜[62]。Li等在豌豆淀粉為基質的薄膜中添加蠟質玉米淀粉納米晶，結果表明，隨著納米晶的濃度增大薄膜的拉伸強度增強，水蒸氣透過率降低；納米晶含量為1%～5%時納米晶在薄膜中能較為均勻的分布，薄膜的外觀表征和物理性質較好。但當淀粉納米晶含量大于7%時，淀粉納米晶開始聚集，導致復合膜表面呈現縱向纖維狀結構。用簡單的鑄型方法制備淀粉納米晶增強大豆分離蛋白膜，薄膜透明且均勻，膜的不透明度和結晶度隨納米晶數量的增加而增加。隨著淀粉納米晶含量的增加，膜對水的親和力降低，且薄膜的水溶性、溶脹度和水蒸氣滲透性降低，薄膜的拉伸強度和楊氏模量提高[63]。

2.3 纖維素及其衍生物

纖維素是自然界中最豐富的多糖，也是工業規模上可持續原料的重要來源，它存在于許多生物的細胞壁中，由β-D-吡喃式葡萄糖基以β-（1,4）糖苷鍵線性鏈組成，沿著鏈上的一些羥基被化學取代，產生了離子型和非離子型纖維素醚。添加纖維素衍生物的薄膜韌性好、全透明，對水分敏感但對油脂有抵抗力[64]。

納米纖維素是指通過不同處理方法，從纖維原料中分離出的規格在納米尺度的纖維素納米材料。它不僅具有天然纖維素無毒、再生、可降解的性質，還具有納米材料的典型特性，如密度低、比表面積大、吸附能力強、機械性能強等。納米纖維素可分為三類：纖維素納米晶體（NCC）、纖維素納米纖絲（CNF）和細菌納米纖維素（BNC）[65]。NCC 和 CNF主要來自植物纖維，因此有著原料充足、成本低廉的資源優勢。

纖維素納米晶體，也被稱為晶須，直徑5～70 nm，長度50～250 nm之間。從纖維素纖維中分離NCC的主要工藝是酸水解，水解過程中來自酸中的氫離子破壞纖維素非結晶區的氫鍵，結晶區更耐酸，由此制備結晶度較高的纖維素納米晶體[66]。Kasim等開發一種新型催化劑RHPHMP酸，RHPHMP酸對纖維素的水解效率高，在140 ℃ 14 h時最大葡萄糖值大于82%，在纖維素水解過程中較穩定，催化活性沒有明顯損失[67]。Chimentao等研究了兩種酸——硫酸和草酸預處理纖維素的水解，草酸優先去除纖維素的無定形區域，而不觸及結晶區域。另一方面，硫酸處理通過部分破壞纖維素的晶體結構，降低了纖維素的有序度[68]。

NCC和CNF形態上接近，但NCC結晶度高，剛性較強，CNF韌性較好。且CNF的長徑比較大，用于增強復合膜時膜的抗拉伸性能、彈性都較好。制備CNF常用高速高壓剪切加工的方法，首先用堿處理、纖維素酶處理等預處理手段促使纖維素分子暴露在水中，有利于纖維素纖絲的高速剪切分離；根據CNF的形態和力學強度的不同選用不同的加工儀器，高速研磨機、微射流納米均質機和高剪切均質機等。Wang等用研磨機從漂白的桉樹漿中生產CNF，觀察到合成的CNF網絡主要有兩種結構：呈螺旋狀的CNF網絡的骨干和高度扭曲的纏繞在纖維網上的纖絲；呈螺旋狀的CNF具有很小的非晶態區域，可能來自相對結晶的纖維素；高度扭曲的纖絲具有較大的非晶態區域，可能來自纖維素含量較低、半纖維素含量較高的外層[69]。

細菌纖維素是由微生物（醋酸桿菌屬、八疊球菌屬、假單胞菌屬、固氮菌屬等）發酵合成的網狀納米高分子聚合物，纖維的寬度在10～50 nm之間，且其顆粒非常長，在潮濕狀態下具有彈性[70]。BNC的力學性能遠高于明膠、殼聚糖等其他可降解聚合物，也因其可再生性、純度、生物相容性、納米形貌和優異的力學性能而在材料科學領域備受關注。由木糖醋酸桿菌產生的BNC具有高結晶度和高聚合度，這使其優于植物纖維素。纖維素網絡中的微原纖維可以通過堿處理分離，然后機械解體。這些微原纖維可以通過酸水解轉化為棒狀納米晶體。酸水解導致不太穩定的半晶區域的移除，這些區域作為結構缺陷，留下高晶體的納米晶[71]。Johnsy等從木糖乙酸桿菌中提取細菌纖維素，在控制條件下進行酸水解，得到纖維素納米晶，其平均直徑為20±5 nm，長度為290±130 nm[72]。劉子菲等以Komagataeibacter xylinusCGMCC3917菌株制備細菌纖維素，用不同梯度濃度鹽酸進行水解，在溫度為70 ℃，鹽酸濃度為3 mol/L時，細菌纖維素粒徑最小[73]。

表4進行了上述不同纖維素納米材料的優缺點比較。纖維素納米晶采用酸水解制備，原料豐富，結晶度高，適合于薄膜應用，但制備時間較長，酸液對環境產生污染。纖維素納米纖絲采用高速高壓剪切加工的方法制備，長徑比較大，耐濕性較好，但機械能耗大，投入實際生產受限。細菌納米纖維素機械性能較好，但對細菌有嚴格要求，產量較低。

表4 纖維素納米材料的優缺點比較Table 4 Comparison of advantages and disadvantages of cellulose nanomaterials

場發射掃描電鏡（FESEM）、場發射透射電鏡（FETEM）、原子力顯微鏡（AFM）均可對纖維素納米晶體進行結構觀察。以硫酸水解法可制備較為規整的纖維素納米晶，制得的納米晶呈短棒狀，直徑在10 nm左右，長度在50 nm以上范圍內，結晶度在75%以上，且在水溶液中可形成穩定的膠體體系[74]。纖維素納米晶仍具有天然纖維素的基本結構，質地較軟，將其應用于薄膜中，隨著添加量增大，會出現團聚現象。

Huang等研發了一種新型的具有良好阻隔水性、抗菌活性、抗拉強度和斷裂伸長率的乳清蛋白納米復合膜。通過正交試驗，確定了最佳配方為CHI 2.5% （w/v），乳清蛋白 3.0% （w/v），納米纖維素 0.5%（w/v），CMA0.3% （w/v），pH3.8。該膜具有優異的機械性能，結構致密，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、板栗霉菌有良好的抑制作用。將該復合膜應用于25 ℃貯藏16 d的板栗，有效地降低了板栗的失重率、霉變率和鈣化指數[78]。董峰等用超聲法制備纖維素納米晶體，添加殼聚糖制成復合涂膜分別對草莓和黃瓜進行涂膜。結果表明，草莓失重率、腐爛率、呼吸強度明顯降低，花青素含量、總酚含量升高；黃瓜失重率降低，硬度、葉綠素含量明顯升高，過氧化氫酶活性和過氧化物酶活性均維持在較高水平[66]。李保祥等將納米纖維素以2%和4%的濃度添加到殼聚糖中制成復合涂膜液，結果表明，兩種涂膜對果實失重率無較大影響，腐爛率降低，保持可滴定酸、總酚等營養物質的含量，且在貯藏期間可維持較高的過氧化物酶活性[79]。Dogan等研究了不同尺寸纖維素納米晶加入羥丙基甲基纖維素（HPMC）基薄膜的透氣性和力學性能；測試結果表明隨纖維素納米晶的加入薄膜透氣性能變化不大，在加入500 nm粒徑的條件下薄膜抗拉伸強度顯著增加[80]。Wang等以納米細菌纖維素（0%、3%、5%、8%、10%）為增強劑，制備了瓊脂基食用膜。結果表明細菌纖維素的加入提高了薄膜的結晶度和熱穩定性，低濃度（3%～5%）細菌纖維素在薄膜中分散均勻，加入10%的細菌纖維素含水率、水溶性和水蒸氣滲透性顯著降低，薄膜抗拉伸強度隨細菌纖維素濃度增大，而濃度較大時斷裂伸長率減小，得出結論中等濃度納米細菌纖維素增強的瓊脂基可食用膜具有作為食品包裝膜的潛力[81]。

3 多糖納米材料用于果蔬可食性涂膜的主要問題與前景展望

目前，納米材料已經成為食品行業的研究熱點，但仍存在多方面的挑戰。與普通可食性涂膜相比，多糖納米材料的加入改善了膜的機械性能和阻隔性能，盡管對光和氧氣有較好的阻隔性能，但相比于傳統塑料包裝，多糖納米可食性涂膜的機械強度依然較差，可能在搬運、儲存過程中受到破壞。其次，多糖納米可食性涂膜的食用安全性缺乏依據，納米的特殊性質使其在人體中的吸收率高于其他物質，對人體可能造成的影響還未可知。大多數研究集中在納米可食性涂膜的生產及性能提高，對于它的毒理學評價研究少之又少。在涂膜中應用的增塑劑、交聯劑及其他添加物對人體消化吸收的影響等問題也未有可靠研究。可食性涂膜的研制有所發展，但總體還處于理論探索與試驗階段，大規模生產納米可食性涂膜對工藝要求更高，要實現多糖納米可食性涂膜的商品化生產，需要實現標準化的加工技術。不同研究人員用多種材料制備可食性涂膜，但涂膜生產的低成本化、高效化等方面仍是目前可食性涂膜制備的主要問題[4]。

雖然多糖納米材料有諸多問題亟待解決，但隨著研究的深入，多糖納米涂膜技術將更加成熟。研制由多種成分及活性物質構成的功能性可食性薄膜，改善涂膜在實際生產和應用中的不足之處，進一步發展多糖納米可食性涂膜的商品化生產及應用等方面都是今后發展的熱點。可食性涂膜取代傳統包裝材料正成為世界食品行業的發展趨勢，也將引領世界開始新型食品包裝材料的改革，發展前景十分可觀。