《Food Packaging and Shelf Life》：Recent advances in biopolymer aerogels for food packaging: A design perspective across different formats
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生物聚合物氣凝膠作為新型食品包裝材料，主要應用于氣體吸附和機械緩沖兩類功能。小型標簽氣凝膠通過高孔隙結構實現乙烯吸附和智能變色指示，而大型墊片氣凝膠則具備吸濕、緩釋抗菌劑和抗沖擊特性。材料體系涵蓋纖維素、殼聚糖、乳清蛋白等生物基成分，通過結構設計優化解決濕穩定性差、成本高等問題，為智能可持續包裝提供新方向。
Xinxin Yan|Ziwen Li|Lukuan Guo|Weiqing Liu|Junlong Song|Wenyuan Zhu|Donglu Fang|Jiaqi Guo
國家森林食品資源開發利用重點實驗室與江蘇省可持續紙漿造紙技術與生物質材料重點實驗室，南京林業大學，江蘇南京210037，中國
摘要
生物聚合物氣凝膠作為食品包裝系統的功能性組件越來越受到關注，這些系統需要輕質結構、濕度管理、主動保護和智能傳感功能。本文通過將氣凝膠的應用分為兩大包裝形式——小型氣凝膠標簽和大型氣凝膠墊或插件，總結了最新的研究進展。這種分類方式不同于以往主要關注材料類型的綜述。文章介紹了基于多糖和蛋白質的氣凝膠的發展情況，包括來自纖維素納米結構、淀粉、殼聚糖和乳清蛋白的體系，并強調了這些材料在各種包裝功能中的應用。小型氣凝膠標簽可用作乙烯吸附劑、濕氣和雜質清除劑以及能夠響應pH變化或揮發性胺類的智能比色指示劑，以實現實時新鮮度監測。大型氣凝膠墊則可作為滲出物的超強吸收劑、抗菌或抗氧化劑的控釋載體、機械保護的緩沖層，以及適合冷藏或冷凍食品的輕質隔熱材料。這些新興應用展示了生物聚合物氣凝膠的多功能性，同時也揭示了其局限性，如濕穩定性較差、活性成分的監管障礙以及大規模制造的較高成本。通過圍繞包裝形式和功能角色對現有知識進行整理，本文提供了關于生物聚合物氣凝膠在下一代智能和活性食品包裝系統中的實際潛力、局限性和未來機遇的全面概述。
引言
氣凝膠是一種高度多孔的固體材料，最初由Kistler于1931年開發（Kistler, 1931）。其定義是液體相被氣體替代，同時保持固體的三維網絡結構。這種獨特結構賦予了其超低密度、高比表面積和優異的孔隙率等特性，為多種功能應用提供了結構基礎，包括在食品包裝系統中的新興用途（Li et al., 2024b）。根據組成，氣凝膠通常被分為無機、有機和混合三類（Liu et al., 2025）。有機氣凝膠進一步分為合成聚合物基系統（如間苯二酚-甲醛、聚酰亞胺）和來自可再生資源的生物聚合物基系統，包括多糖（纖維素、海藻酸鹽、果膠、瓊脂）和蛋白質（絲素、明膠、乳清）。早期研究主要集中在無機氣凝膠上，尤其是二氧化硅，因為它們具有成熟的加工工藝和低熱導率、高透明度和強吸附能力等優勢（Zhao et al., 2020）。然而，無機氣凝膠通常柔韌性較差、不可生物降解且機械強度不足（Ma et al., 2023）。這些缺點限制了其廣泛應用。因此，在可持續和綠色食品包裝的背景下，研究逐漸轉向使用可再生原料制備的生物聚合物氣凝膠（Abdullah et al., 2023）。
包裝作為一種保護屏障，可以減輕食品的機械損傷，防止過度成熟、軟化和微生物腐敗。生物聚合物氣凝膠通常被認為是可持續和可生物降解的（Tosif et al., 2026）。此外，由廢棄生物質（Fontes-Candia et al., 2019）或食品副產品（Wu et al., 2022）制成的氣凝膠有助于資源回收和循環經濟的發展。由于生物聚合物含有豐富的官能團（如羥基、羧基和氨基），它們容易形成混合結構，并且可以通過化學修飾來調整表面化學性質、機械完整性和濕穩定性，同時仍滿足食品包裝材料的基本要求（Li et al., 2025b）。
在食品包裝系統中，生物聚合物氣凝膠主要采用兩種形式。首先，作為微型智能標簽或氣體吸附插件，其高孔隙率和相互連接的通道能夠選擇性吸附氧氣、二氧化碳和乙烯等氣體，這些氣體的積累會加速不同食品的氧化、微生物生長、軟化或過度成熟（Asadullah et al., 2024）。當暴露于特定氣體刺激（如堿性氣體）或過高濕度時，這些氣凝膠標簽會含有pH或濕度響應性染料，從而發生可見的顏色變化，實現實時新鮮度指示。其次，作為放置在食品下方的緩沖墊，它們可以吸收滲出物并提供機械保護。其輕質特性便于處理和集成到包裝中，而可變形和彈性的孔隙網絡則提供了減少機械損傷所需的沖擊緩解能力（Li et al., 2025b）。這些墊子還可以通過添加抗菌劑實現控釋功能。與傳統聚合物泡沫相比，氣凝膠具有高度多孔、均勻的固體網絡和獨特的納米結構，這是通過特殊的溶膠-凝膠工藝實現的，而聚合物泡沫通常通過細胞膨脹機制獲得孔隙率。這種基本結構的差異導致了孔隙率、吸附行為和可調成分方面的差異（Takeshita et al., 2025）。由于其生物聚合物來源和潛在的可生物降解性，基于氣凝膠的插件通常具有良好的食品相容性，同時支持環境可持續的包裝策略（圖1）。
重要的是，這些包裝形式不僅在尺寸或外觀上有所不同，還對氣凝膠的設計和性能要求提出了根本性的不同邊界條件。微型標簽需要優先考慮快速響應、光學可讀性和最小材料使用量（Mirmoeini et al., 2023b），而大型墊子和插件則受到承載能力、吸收體積和在處理及運輸過程中的機械韌性的限制（Jin et al., 2025）。因此，相同的氣凝膠材料在不同包裝形式下可能需要不同的孔隙結構、密度和功能化策略。這種基于形式的視角突出了僅憑材料分類無法捕捉到的設計權衡。
未來食品包裝的發展越來越強調智能化、多功能性和環境可持續性。除了傳統的復合薄膜和涂層等方法外，新的方向還包括基于紙張的抗菌材料（Shi et al., 2024）、比色指示劑（Luo et al., 2022）以及基于多糖或蛋白質的水凝膠（Sudheer et al., 2023）。氣凝膠為這些方向提供了額外的材料平臺，具有可調的架構、高孔隙率和超輕結構，支持氣體吸附和活性物質的控釋（Rizal et al., 2021）。
盡管已有幾篇綜述討論了生物聚合物氣凝膠在食品相關應用中的用途，但大多數研究集中在材料制備（Vrabi?-Brodnjak, 2024）或一般活性包裝（Asqardokht-Aliabadi et al., 2025）功能上，并未區分小型智能氣凝膠標簽和大型氣凝膠墊的不同作用。它們也很少解釋氣凝膠結構如何影響實際功能，如氣體吸附、濕度或滲出物管理以及機械緩沖（Manzocco et al., 2021）�，F有的綜述往往將材料和方法混為一談，沒有將這些屬性與實際包裝條件或食品保質期要求聯系起來（Morales-Herrejon et al., 2025）�；谛问降目蚣軐τ谑称钒b氣凝膠非常有用，因為包裝形式作為邊界條件，決定了在實際儲存和分銷場景下的設計優先級和結構-功能考量。
本綜述基于對生物聚合物氣凝膠在食品包裝應用相關已發表研究的廣泛調查。文獻主要從Web of Science、Scopus和Google Scholar收集，使用關鍵詞組合進行搜索，如“生物聚合物氣凝膠”、“食品包裝”、“活性和智能包裝”、“氣體吸附”、“乙烯調節”、“吸附墊”和“緩沖或減震包裝”。在選擇文獻時，特別關注了報告具體食品包裝場景或食品保鮮案例的研究，以更好地反映氣凝膠基系統在食品包裝應用中的實際相關性�？傮w而言，所選參考文獻集中在與食品包裝功能密切相關的氣凝膠基材料上，包括氣體吸附標簽、吸附墊和緩沖墊、抗菌成分以及新鮮度指示系統。
生物聚合物氣凝膠的材料和制備方法
如圖2所示，生物聚合物氣凝膠可以由多種天然聚合物制成，包括淀粉、纖維素、蛋白質、殼聚糖（CS）和其他多糖（Chen et al., 2024）。然而，原始的生物聚合物氣凝膠通常具有較低的機械強度和有限的結構穩定性，這限制了它們在食品包裝中的直接應用。因此，需要采用離子或共價交聯、聚合物共混或化學修飾等增強策略
作為小型標簽的應用
標簽型生物聚合物氣凝膠旨在與包裝食品的內部環境相互作用，同時盡量減少材料使用和成分遷移。它們超多孔的網絡和可調的表面化學性質使其能夠選擇性吸附與食品腐敗相關的氣體，并對包裝內的氣體組成變化及相關指標做出敏感響應。因此，標簽型氣凝膠的科學重點是將快速的質量傳遞與可靠的
作為緩沖墊的應用
墊型生物聚合物氣凝膠作為與食品接觸的緩沖層，用于管理液體和機械負荷，在需要時還可以實現活性物質的釋放。由于它們具有較大的厚度和接觸面積，其性能不僅受孔隙率和表面化學性質的影響，還受儲存和運輸過程中的濕態完整性和長期變形抵抗力的影響。同時，由于它們直接與食品接觸且材料使用量相對較高
安全性和控釋評估
盡管氣凝膠具有多種功能，但將其應用于食品包裝時需要仔細考慮安全性和控釋行為。關鍵方面包括釋放動力學、遷移潛力以及與封裝的活性物質（如抗菌劑、抗氧化劑、營養物質）和功能性成分（如納米顆粒）相關的潛在健康風險。
天然抗菌劑如精油經常被
結論
由于具有高度多孔的結構、生物基來源和可調節的功能性，生物聚合物氣凝膠已成為食品包裝的多功能材料。在標簽型應用中，它們的大表面積和可調的表面化學性質使其能夠與包裝內部環境高效交互，實現氣體吸附和新鮮度指示。在墊型應用中，氣凝膠作為與食品接觸的緩沖層，結合了濕度管理和機械緩沖功能
CRediT作者貢獻聲明
Wenyuan Zhu： 軟件、資源、項目管理。Junlong Song： 資源、項目管理、方法論。Jiaqi Guo： 方法論、調查、數據分析、概念化。Donglu Fang： 可視化、驗證、監督、軟件、資源、項目管理、方法論。Ziwen Li： 調查、資金獲取。Xinxin Yan： 數據分析、概念化。Weiqing Liu： 可視化、驗證。Lukuan Guo： 軟件
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報告的工作。
致謝
作者感謝國家自然科學基金（32371811）的資助。作者還感謝江蘇省特聘教授計劃的支持。
