J. Future Foods | 淀粉基纳米材料：营养递送与食品包装的未来新视角

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武汉轻工大学蔡杰课题组发表了题为“Advancements in starch-based nanomaterials for functional delivery and food packaging: a comprehensive review and future directions”的综述论文。文章概述了淀粉基纳米材料的制备方法，包括淀粉纳米胶束、淀粉纳米颗粒、淀粉纳米乳液、淀粉纳米纤维和淀粉纳米晶体，并以新视角讨论了这些淀粉基纳米材料在食品应用领域的潜力，尤其在食品营养递送和包装材料方面的突破。

Introduction

淀粉是仅次于纤维素的第二大可再生资源，具有广泛可用性和完全可降解性，已引起全球的关注。然而，天然淀粉的溶解度、功能性和对各种加工条件的耐受性较差，限制了淀粉基材料的应用。使用纳米技术加工的淀粉基纳米材料解决了这些限制，其具有小尺寸、大比表面积的优点，表面大量的活性羟基使淀粉基纳米材料展现出优异的物理化学特性，克服了传统淀粉的不足。在食品工业中，这些材料因粒径可控、负载率高、可缓慢释放等优点，被用于稳定和输送食品中的活性营养成分，以克服人体胃肠道消化环境的挑战，提高营养成分的生物可用性。同时，随着人们对环保意识的提高，淀粉基纳米材料在食品包装领域表现出显著优势，提升包装材料的力学强度和功能性，尤其是在智能监测食品品质方面显示出一定潜力。

图1 淀粉基纳米材料的类型和应用

淀粉基纳米材料的构建策略

纳米技术是在纳米尺度上调控材料，并引入新的特性和功能。淀粉基纳米材料的构建策略通常涉及静电、疏水和共价相互作用，最常见的制备方法包括酸水解、酶水解、自组装等。

淀粉纳米胶束（SNMs）的一般制备方法为自组装或加压沉淀法，得到的纳米胶束粒径分别为80～200 、300～600 nm。为包封亲脂性生物活性化合物或药物，常采用乙酰化、羟乙基、羟丙基和辛烯基琥珀酸酐等接枝修饰淀粉，SNMs形成了一个保护性疏水核，能用于包封姜黄素、β-胡萝卜素、槲皮素等营养成分（表1）。

表1 淀粉基纳米材料的制备方法

对于较为常见的淀粉纳米颗粒（SNPs），“自上而下”的方法使用较多，即用酸水解使大颗粒变为纳米尺度的小颗粒。由于淀粉表面含有丰富的羟基，易与其他物质发生相互作用而聚集，这严重阻碍了SNPs的应用，表1中通过物理方法来解决该问题。

纳米乳液（SNEs）的制备方法涵盖有高速均质、超声辅助、酶修饰、自组装等（表1），目前主要集中在超声和高速均质等物理方法上。此外，SNEs的宏观状态通常表现为半固态，可以延长活性物质的储藏时间。

淀粉纳米纤维（SNFs）的常见制备方法为静电纺丝法，热挤压可以作为静电纺丝制备SNFs的辅助手段。离心纺丝法常见于使用支链淀粉含量＞65%以上的淀粉。

淀粉纳米晶体（SNCs）则大多数使用酸、酶水解法制备。酸水解需要稳定的固体酸如盐酸，一旦淀粉大分子分解，通常用稳定剂乳化，使酯键交联，形成分散良好的晶体。

具有增强稳定性的淀粉基纳米材料及其在活性营养素和药物的装载、递送和释放方面的应用

淀粉基纳米材料具有生物相容性，可用于装载、携带和输送精油、生物活性脂质（如脂溶性维生素、共轭亚油酸、植物甾醇和类胡萝卜素等）。淀粉基纳米化合物具有明显的优势，如使活性物质拥有更高的生物活性和生物可及性，能抵御人体胃环境，防止在到达目标部位之前过早降解。

食物营养物质通常表现出较低的生物利用度和较差的体内吸收率，因为它们必须通过胃肠道屏障才能被吸收。环境因素，如光、热、氧、pH和酶活性，会影响生物活性化合物的稳定性，导致其降解，降低生物利用度，从而降低功效。具有高封装效率的纳米级淀粉在核心材料周围形成薄膜，有助于封装分子的保留。例如被淀粉壳有效保护的VD3，在模拟肠液中5 h后释放90%。

对于纳米材料在释放系统中的应用，将物质运送到目标位置和实现可控释放是至关重要的，纳米材料在人体胃肠道中以受控方式包裹和释放营养物质和药物（图2a）。靶向姜黄素递送的SNPs在pH 7.4和pH 5.5时，68 h后姜黄素的累积释放量分别达到38%和65%。由于癌细胞的pH值较低（pH 5～6），纳米颗粒被认为是细胞质药物靶向和递送到肿瘤细胞的有效载体（图2b）。

图2 含有缓释功能物质的淀粉基纳米胶囊及其在人体内的释放过程示意图（a）、姜黄素纳米颗粒靶向递送至肿瘤组织的改性淀粉制备（b）、不同pH条件下培养释放的载姜黄素SNPs的紫外吸收光谱（c）和天然和纳米淀粉样品中叶酸的体外释放谱（d）

淀粉基纳米材料在食品包装中的应用

在食品包装中活性包装可以改善食品质量，延长食品货架期，淀粉基纳米材料在食品包装应用中表现出巨大潜力，特别是在增强抗菌、抗氧化、缓释和智能包装性能方面。

嵌有银纳米颗粒的淀粉/PVA纳米纤维复合薄膜显示出对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制作用，可以延长草莓的货架期。此外，包含茶多酚或镁氧化物纳米颗粒的淀粉纳米纤维薄膜具有良好的抗氧化性，从而延长货架期（图3）。使用玉米淀粉和大鼠尾草素纳米颗粒的缓释包装薄膜可以控制释放活性物质，延长了产品的货架期。一些智能包装利用颜色响应可以直观看出食品的新鲜程度，如含有花青素的淀粉基纤维膜可以监测食品新鲜度中的pH值变化，用以进行虾的新鲜度测试（图4）。

图3 茶多酚提高SNFs抗氧化能力（a）和纳米氧化镁提高玉米淀粉基薄膜的抗氧化性（b）

图4 用聚二甲基硅氧烷和微纳米淀粉包衣材料包裹淀粉薄膜的制备（a）及其在水产品虾新鲜度检测中的应用（b）

Conclusion

制备淀粉基纳米材料的方法多种多样，通常分为物理方法和化学方法。迄今为止，对淀粉基纳米材料的研究主要集中在表征和结构性质上，对其实际应用和食品生产的关注有限。纳米材料对于营养物质的输送、控释还需进一步探索，以提高工厂量产的可行性。影响控释特性、包封率和稳定性的关键因素需解决，以便实现在人体器官中精确和特异性释放。对包封活性物质或药物的淀粉基材料进行毒理学评估也势在必行，避免其进入人体进行输送带来特定的风险。此外，淀粉基纳米材料的特殊生物降解性将促进环保食品包装材料的发展，这将减轻与石油基包装相关的环境影响。在满足食品包装的基本条件后，加入抗氧化剂或抗菌剂可以构建淀粉基活性包装，有助于延长食品保质期，减少食品浪费。总之，淀粉基纳米材料作为一种新兴的功能性食品技术，具有广阔的市场潜力。

第一作者

马思远，武汉轻工大学硒科学与工程现代产业学院研究生，主要研究方向为功能产品的开发与应用。

通信作者

蔡杰，博士，副教授，硕士生导师。现任武汉轻工大学硒科学与工程现代产业学院副院长。入选中国科协“青年人才托举工程”项目和湖北省省级人才计划，是中国农业技术推广协会富硒农业技术专业委员会副主任委员，《食品工业科技》青年编委会主任委员。主要研究领域为碳水化合物资源开发与利用、食品功能因子包埋与递送、含硒活性物质开发与功能评价等。主持国家自然科学基金项目等，在国内外期刊上发表论文100余篇，授权国家专利10余件。

Advancements in starch-based nanomaterials for functional delivery and food packaging: a comprehensive review and future directions

Siyuan Ma a1, Jiangling He a1, Qianqian Chen a, Jiaojiao Zhou a, Fang Xie a, Jie Cai ab*

aSchool of Modern Industry for Selenium Science and Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China

bKey Laboratory for Deep Processing of Major Grain and Oil, Ministry of Education, Hubei Key Laboratory for Processing and Transformation of Agricultural Products, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China

1These authors contributed equally to this work.

*Corresponding author.

Abstract

Starch-based nanomaterials have attracted global attention among researchers owing to their large specific surface areas (beneficial for increased nutrient loading) and abundant hydroxyl groups, distinguishing their physicochemical properties from traditional starch-based materials. This review comprehensively outlined the common types of starch-based nanomaterials and their construction methodologies, including acid and enzymatic hydrolysis, chemical precipitation, electrospinning, and ultrasonic crushing. The potential of these nanomaterials in the field of food applications is discussed. This review also detailed the construction approaches and applications of starch-based nanomaterials for encapsulating active substances in food nutrient and drug delivery. Owing to their large specific surface area, excellent stability, and pH responsiveness, starch-based nanomaterials facilitate improved loading rates and precise delivery of sensitive and easily decomposed active substances. In addition, incorporating bioactive substances into food packaging films, prepared from starch-based nanomaterials, can enhance antibacterial and antioxidant capabilities. Furthermore, the infusion of functional components with color responses into these films enables intelligent monitoring of changes in food quality during storage and transportation. Overall, this review provides contemporary insights into the functional delivery and food packaging applications of emerging microscale starch-based materials.

Reference:

MA S Y, HE J L, CHEN Q Q, et al. Advancements in starch-based nanomaterials for functional delivery and food packaging: a comprehensive review and future directions[J] . Journal of Future Foods, 2025, 5(4): 443-454. DOI:10.1016/j.jfutfo.2024.08.002.

文章翻译由作者团队提供

编辑：龚艺；责任编辑：孙勇

封面图片来源：摄图网

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