《Journal of Food Engineering》：Rational Design of Antibacterial and Biodegradable PCL/Oxidized Cassava Starch/Nisin Ternary Films Based on Molecular Docking
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可降解活性包裝膜通過氧化木薯淀粉、聚己內酯與納他霉素協同作用制備，顯著提升降解率（316%）、抗菌活性（85.79%）及機械性能，分子機制顯示氫鍵和離子鍵穩定結構。
任向瑞|牛麗|趙麗萍|趙文清|林倩|郭雙峰|胡雅云|李文豪
西北農林科技大學食品科學與工程學院，中國陜西省楊陵市新農路22號，郵編712100
摘要
本研究通過熱壓結合氧化木薯淀粉（OCS）、聚己內酯（PCL）和尼辛（Nisin），重點探討了可降解活性包裝膜的科學設計方法。系統表征表明，OCS的加入通過氫鍵作用降低了PCL的結晶度，顯著改變了薄膜的微觀結構和功能，并與尼辛協同作用提升了其生物降解性。關鍵實驗數據顯示，這種三元復合膜表現出優異的綜合性能：72天后土壤降解率達到了15.98%，比純PCL提高了316%。在抗菌效果方面，其對金黃色葡萄球菌的抑制率達到了85.79%。此外，所有復合膜的吸水率均較低（< 2%），部分配方還具備出色的柔韌性，斷裂時的延伸率達到了117.98%。分子對接分析進一步揭示，氫鍵和鹽橋穩定了薄膜結構，其中最強的結合親和力為-5.0 kcal/mol，這一結果受到OCS氧化程度的影晌。本研究開發了一種新型的環保三元復合膜，具有可調節的降解性能和強抗菌活性，為下一代基于碳水化合物的活性包裝材料的設計提供了戰略框架，并為食品保鮮應用的生物基薄膜工程提供了實用策略。
引言
全球塑料污染危機的加劇以及對可持續發展的迫切需求，推動了環保食品包裝材料的研究。傳統的石油基塑料包裝不可降解（Elfawal等人，2025年），最終會形成微塑料顆粒（MP），對生態系統和公共健康構成嚴重威脅（Kang等人，2025年）。因此，基于合成聚酯的可降解包裝材料的開發成為應對這些挑戰的有效策略。聚己內酯（PCL）是一種具有優異生物相容性和生物降解性的聚酯，可使用傳統塑料設備進行加工（Zhang等人，2025年），在生物醫學和食品包裝領域具有廣泛應用潛力。然而，純PCL的性能往往無法滿足特定應用的需求；因此，將PCL與多糖混合已成為克服單一組分薄膜局限性的重要方法（Li等人，2025年）。
氧化淀粉經過化學修飾，引入了羧基和羰基（Broekman等人，2025年），成為可降解包裝材料的優質替代品。這種改性不僅降低了糊料的粘度，提高了加工性能，還延緩了淀粉的回生過程，從而增強了薄膜的長期尺寸穩定性（Yildirim-Yalcin等人，2026年）。在植物來源中，氧化木薯淀粉（OCS）因其優異的成膜能力和成本效益而尤為突出（Soler等人，2026年）。關鍵的是，接枝在OCS主鏈上的功能基團顯著提高了其與疏水性生物聚酯的相容性和界面粘附性。Deng等人（2025年）利用OCS制備了食品包裝紙，展現了優異的阻隔性能和機械強度。這種提升的相容性對于優化復合包裝材料的機械強度、柔韌性和阻隔性能至關重要，有效克服了傳統淀粉基薄膜通常存在的脆性和相分散問題（Wang等人，2025c）。
同時，隨著食品安全標準的提高，開發能夠抑制微生物生長的活性包裝材料變得十分必要。在這種背景下，尼辛（E234）作為一種來自乳酸乳球菌的天然抗菌肽，因其公認的安全性和有效性而成為首選的生物防腐劑（Wang等人，2025b）。作為食品級抗菌劑，尼辛比銀納米顆粒等替代品更安全，能夠提高包裝材料的食品安全性和延長保質期（He等人，2024年）。然而，其在聚合物基質中的分子相互作用機制尚未完全明了。
為填補現有研究空白，本研究假設OCS的羧基通過氫鍵作用增強了與PCL的界面相容性，而尼辛通過與OCS的協同作用調節材料性能。為此，通過熱壓制備了三元復合膜，并通過分子對接分析了其微觀結合機制。這項工作首次系統地闡明了該系統的結構-活性關系及OCS的具體調控作用，為氧化淀粉基活性包裝的合理設計提供了理論指導。
材料
聚己內酯和尼辛購自Aladdin Reagents Co., Ltd。商業木薯淀粉（GB/T 8884-2017，食用級）由新鄉良潤全谷食品有限公司提供（產品編號：GB/T 29343；批次：20230518），純度≥99%，直鏈淀粉含量17.2 ± 1.3%，灰分含量≤0.3%，水分含量≤12%。所有試劑（包括無水乙醇、蒸餾水和甘油）均具有化學純度。
氧化木薯淀粉（OCS）的制備
OCS采用改進的異相氧化法制備
微觀結構與表面形貌分析
通過數碼攝影、掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）對復合膜的表面形態和內部微觀結構進行了系統分析（圖2和圖3），以評估三元體系的界面相容性。宏觀上看，大多數薄膜表面光滑平整，顏色均勻。在二元PCL/OCS體系中，OCS含量較低的薄膜（例如P98-OCS2）保持了相對均勻的結構。SEM表面圖像僅顯示出輕微的表層變化
結論
本研究采用無溶劑熱壓法成功制備了一種可降解且具有生物活性的三元復合膜（PCL/OCS/Nisin）。結果表明，OCS的合理摻入有效調節了聚酯基體的結構層次和功能響應，降低了透明度并提高了水蒸氣透過率（WVP）。OCS與尼辛的協同作用不僅賦予了材料強大的生物活性
作者貢獻聲明
李文豪：撰寫 – 審稿與編輯，項目管理，概念構思。胡雅云：監督，資金獲取。郭雙峰：實驗研究。任向瑞：撰寫 – 初稿，方法設計。林倩：數據分析。趙文清：結果驗證。趙麗萍：數據可視化。牛麗：軟件支持
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。本研究的數據未在其他地方發表。
致謝
本研究得到了陜西省重點研發計劃（2025NC-YBXM-155）的財政支持。此外，作者感謝食品科學與工程學院的儀器共享平臺以及西北農林科技大學生命科學研究核心服務設施在DSC（Lu Cui）、FT-IR、色度計（胡雅云）和SEM（Kerang Huang）方面的協助。
