南京农业大学食品科技学院李伟课题组在《Trends in Food Science & Technology》发表最新综述成果
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南京农业大学食品科技学院李伟课题组在《Trends in Food Science & Technology》发表最新综述成果
近日，南京农业大学李伟教授（通讯作者）课题组在食品科学领域国际著名综述期刊《Trends in Food Science & Technology》（IF=15.4，中科院1区Top期刊）上发表题为“From addition to regulation: Lactic acid bacteria-driven interfacial mechanisms and spatial control in food bioactive packaging”的综述性论文。该综述围绕乳酸菌（LAB）在食品生物活性包装中的应用展开，突破了“把乳酸菌加入包装材料中即可实现抑菌保鲜”的传统理解，提出应将LAB赋能包装视为一个由空间分布、界面耦合与多相传质共同决定功能输出的活体系统。文章系统梳理了LAB在包装体系中的四类空间结构状态，解析了LAB-聚合物、LAB-水、LAB-气体三类核心界面机制，并进一步提出由经验型配方优化走向界面机制驱动设计的新框架，为构建可预测、可调控、可适配真实食品环境的下一代活体包装体系提供了理论支撑。随着清洁标签、天然保鲜和可持续包装需求不断上升，活菌型生物活性包装逐渐成为食品包装领域的重要前沿方向。与依赖精油、化学抑菌剂或吸附剂的传统活性包装不同，LAB赋能包装的核心优势在于：乳酸菌本身是能够感知环境、调节代谢并持续产生生物活性物质的“活性单元”。然而，现有研究大多仍停留在材料配方、抑菌效果或力学性能层面，缺乏对其内部作用机制的系统整合，尤其缺乏从空间定位、界面相互作用和动态传质角度解释其功能来源的理论框架。基于此，文章将LAB生物活性包装重新界定为一个由活细胞、聚合物基体、水分和气体共同构成的多相界面体系。文章指出，LAB的功能表达并不单纯取决于添加量，而更取决于其在材料中的空间位置、界面接触状态、局部水化条件以及氧气和二氧化碳等气体扩散过程。围绕这一主线，综述首先归纳了LAB在包装体系中的四类典型空间状态，包括表面固定型、基体嵌入型、微区限域型和水化诱导再分布型；随后系统分析了三类关键界面，即LAB-聚合物界面、LAB-水界面和LAB-气体界面如何共同调控菌体存活、代谢激活、抑菌物质扩散和功能稳定性；在此基础上，进一步提出了界面机制驱动的设计思路，并讨论了当前应用边界、工程与法规挑战以及未来研究方向。（1）概念重构：从“添加乳酸菌”走向“调控活体界面系统”
文章最重要的理论贡献之一，是将LAB生物活性包装从“含菌抑菌材料”提升为“界面控制的活体功能平台”。作者强调，这类体系的功能来源不是简单的菌体掺入，而是LAB与聚合物、水和气体之间形成的多相界面耦合。也就是说，真正决定包装性能的，不只是菌数多少，而是LAB处于何种空间位置、是否形成连续水化层、其代谢物能否在局部有效富集，以及界面传质通道是否有利于代谢激活和功能输出。这个观点使研究重点从传统的材料组成与抑菌结果，转向更高层次的结构—界面—功能关系。
（2）空间结构解析：提出LAB在包装中的四类典型存在状态
文章系统提出并归纳了LAB在生物活性包装中的四种代表性空间状态。表面固定型LAB位于材料表面或界面区域，响应快、代谢激活迅速、适合快速抑制表面污染；基体嵌入型LAB分布于聚合物网络内部，具有更好的环境缓冲和长期稳定性，但功能激活往往受扩散限制；微区限域型LAB位于孔隙、相分离区域或局部腔体内，可能形成局部“功能热点”，但也面临营养补给不足和长期活性下降的问题；水化诱导再分布型则强调LAB在吸湿、膨胀和网络松弛过程中发生空间迁移，是一种更接近真实储藏条件下动态响应的模式。文章指出，这四类状态并非简单分类，而是理解LAB生理状态、代谢行为与包装功能差异的关键切入点。
（3）界面机制揭示：LAB-聚合物、LAB-水和LAB-气体三类界面共同决定功能输出
在机制层面，本文并未停留于“乳酸菌能抑菌”这一经验性结论，而是进一步拆解了三类核心界面。LAB-聚合物界面主要影响菌体附着、空间固定、力学耦合和扩散路径；LAB-水界面决定水化壳层连续性、营养进入、代谢物外排以及代谢激活阈值；LAB-气体界面则与氧化还原状态、发酵路径、有机酸生成效率以及功能稳定性密切相关。更重要的是，这三类界面并不是孤立存在，而是在储藏过程中随着湿度、温度和气体环境变化而动态重组。作者据此提出，应把LAB包装理解为一个不断演化的多相传质网络，而不是静态材料。
（4）设计范式升级：从经验配方优化转向界面机制驱动设计
基于前述机制分析，文章提出未来LAB包装设计不应再只关注聚合物选择、菌株添加量和基础阻隔性能，而应围绕“界面能、结合强度、水化动力学、空间限域程度和气体扩散梯度”等参数开展可编程设计。作者进一步提出三组具有设计意义的空间调控维度：其一是固定定位与可迁移定位之间的平衡，以兼顾稳定性与环境响应性；其二是表面优先分布与体相优先分布之间的权衡，以同步快速抑菌和长期保护；其三是由传统“点式释放”向“区域响应激活”转变，使包装只在特定湿度、水分活度或局部风险区域下启动功能。这一部分实际上把LAB包装从“怎么加菌”推进到了“如何设计空间-界面-响应逻辑”的层面。（5）应用认知深化：不同包装形式的差异本质在于空间-界面构型不同
文章在应用部分指出，当前LAB生物活性包装主要集中于可食膜和涂层，应用对象已扩展至鲜肉、肉制品、鲜切果蔬及整果等食品体系。作者进一步强调，这些应用之间的本质差异，并不只是配方不同，而是其背后的空间-界面组织方式不同。表面交互型体系更强调快速代谢激活和界面局部抑菌；基体嵌入型更适合持续性保鲜；微区限域型更有利于局部精准功能表达；湿度触发型则代表了向自适应保鲜系统迈进的趋势。这一总结将分散的应用案例提升为统一的结构逻辑，为后续跨食品体系推广提供了更清晰的认知框架。
（6）现实挑战聚焦：真正的瓶颈不是“是否有效”，而是“能否稳定、可预测地有效”
文章并未停留在前景展望，而是非常清楚地指出了当前LAB包装面临的核心挑战。首先，现有研究中抑菌效果差异较大，受食品基质、初始菌群、储藏条件和界面水化状态显著影响，工业条件下的可重复性仍不充分。其次，目前仍难以清晰区分包装功能究竟主要来自活菌持续代谢，还是来自基体中已存在的有机酸、细菌素等后生元成分，这直接关系到材料设计逻辑、监管归类和货架期预测。再次，活菌体系本身在加工、干燥、储存和流通中极易受到环境扰动，如何在维持活性与保证工程稳定性之间建立“安全操作窗口”，是走向产业化必须解决的问题。
图1食品包装系统的技术演变。食品包装已从传统的被动阻隔材料逐步演变为环保型、可食用型、活性型、智能型，以及最近出现的生物活性智能系统。早期的包装主要侧重于利用合成聚合物实现物理密封和机械保护（Goulas, 2001；Park 等, 2008）。后续发展强调采用可生物降解和可食用材料以实现可持续发展（Cagri 等，2004；Janjarasskul & Krochta，2010），随后出现了被动型和主动型包装，旨在通过调节微环境和针对性控制变质来延长保质期（Busolo & Lagaron，2012；Pereira de Abreu 等，2012）。近期，智能包装已集成传感器、指示剂及数字追溯工具（Yousefi 等，2019；Qian 等，2021），而生物活性智能包装则进一步将智能传感与生物响应性组分相结合，标志着向自适应且功能交互的包装平台转变（Ceylan & Atasoy，2023；Shivani & Sathiavelu, 2023）。图2 生物活性包装系统中乳酸菌（LAB）的空间分布与结构状态。(A) 决定活性包装系统中乳酸菌（LAB）空间状态的核心设计原则，包括界面亲和力、基质网络密度与扩散阻力、水合响应性，以及微生物保护与功能释放之间的平衡。包装基质中乳酸菌四种主要空间状态的示意图：(B) 表面固定态，特征为直接暴露于界面且代谢激活迅速； (C) 基质嵌入型，受三维限制及扩散受限转运支配；(D) 微域限制型，具有局部理化梯度及浓缩的生物活性微区；以及 (E) 水合诱导再分布型，由基质膨胀和动态界面重构驱动。这些空间构型决定了乳酸菌增强型生物活性包装系统的质量传递耦合、代谢响应性及功能稳定性。图3 调控乳酸菌（LAB）介导的生物活性包装的多相界面机制。基于乳酸菌的生物活性包装系统中三个核心界面调控单元的示意图：(A) 乳酸菌-聚合物界面，非共价相互作用在此决定附着力、空间限制及质量传递路径 （Fan等（2024）及Zang等（2025a））；（B）乳酸菌-水界面，其中水合壳结构与水相通道连通性调控代谢激活及代谢物扩散（Sperber（1983）及Chirife等 (1996))；以及 (C) LAB-气体界面，该界面中氧气和二氧化碳浓度梯度调节氧化还原平衡、发酵途径及抗菌产出（Couvert 等 (2017) 及Pedersen 等 (2012)）。这些耦合界面共同定义了活体包装系统中细胞生理学及功能表现的时空调控机制。图 4 基于LAB的生物活性包装的界面机制驱动设计框架。该概念示意图展示了基于LAB的包装系统从配方导向设计向界面机制驱动工程的转变。通过整合空间定位（固定 vs.移动；优先表面vs.优先内部）、多相界面调控（LAB–聚合物、LAB–水、LAB–气体）以及区域响应性活化，实现了快速抗菌响应、长期稳定性和功能可预测性之间的平衡。图5 乳酸菌（LAB）生物活性包装系统在食品保鲜中的当前应用状况。(A) 应用于鲜肉和海鲜的表面交互系统，可实现快速的界面抗菌作用并控制早期变质（改编自Zang等（2025a）及 Huang等（2024b））。(B) 用于半固体和冷藏食品的基质嵌入式可食用薄膜，可实现代谢物的持续释放并延长保质期稳定性（参考自Silva等（2022）及Guimarães等（2020））。(C) 多孔或微结构体系（包括载有后生元（postbiotics）的载体），通过空间限制和受控扩散增强局部抑制作用（参考自Awad等（2025）及Emir Çoban 等（2026））。(D) 湿敏型和多层结构，将环境触发因子与自适应生物活性相结合，展现了实现可控且延长保鲜性能的新兴策略（参考 (Ramazanidoroh等，2025) 及 (Jiang等，2024)）。图6 基于乳酸菌（LAB）的生物活性包装系统的未来研究方向。主要方向包括：(i) 对多相界面（乳酸菌–聚合物、乳酸菌–水、乳酸菌–气体）进行原位表征，以解析动态界面行为；(ii) 开发将空间分布、质量传递和代谢活化联系起来的时变预测模型； (iii) 将乳酸菌功能与食品微生态动力学相结合，以实现定向生物控制；以及 (iv) 从被动型生物活性系统向具有可编程激活窗口和增强工业鲁棒性的活体、自适应且对环境响应的包装平台转型。总体来看，这篇综述提出，未来LAB生物活性包装应朝着活体化、适应化、可预测化方向发展：所谓“活体化”，强调在真实食品环境中维持菌体存活与代谢能力；所谓“适应化”，强调系统能够根据湿度、氧气和温度等环境变化进行动态响应；所谓“可预测化”，则强调应建立界面结构、空间组织与功能输出之间的定量关系，使包装设计摆脱经验试错。
在未来研究方向上，作者重点提出四个值得持续推进的方向：一是发展原位、空间分辨的表征技术，直接观察界面局部的水化层、pH梯度、氧分布和代谢物积累；二是构建时间依赖的动态模型，将水分扩散、聚合物膨胀、菌体代谢与界面传质耦合起来，实现对功能演化的预测；三是将LAB包装与真实食品表面微生态联系起来，研究其对竞争关系、生物膜形成、群体感应和群落演替的调控作用；四是推动LAB包装由被动型生物活性材料向可编程、自适应、环境响应型包装平台升级，包括借助4D打印及多刺激响应材料实现更高层次的空间调控与功能触发。这也意味着，LAB赋能食品包装的未来，不再只是“把益生菌或抑菌菌装进膜里”，而是通过对空间定位、界面行为和动态响应的精准设计，让包装真正从被动屏障走向能够感知环境、主动调控、可预测运行的智能活体平台。https://authors.elsevier.com/sd/article/S0924-2244(26)00209-8
李伟，博士，南京农业大学食品科技学院学院教授、博士研究生导师、副院长、哈佛大学医学院/波士顿儿童医院访问学者（2016-2017）。研究方向为食品微生物与生物技术、食品加工与安全。兼任国家奶业科技创新联盟绿色低碳加工专家委员会副主任、中国食品科学技术学会第三届青年工作委员会委员、中国食品科学技术学会益生菌分会理事、国家食药同源产业科技创新联盟理事、江苏省食品安全风险评估专家委员会委员、江苏省营养学会理事、南京微生物学会理事长。现主持及完成国家和省部级以上项目20余项，其中国家自然科学基金项目5项。已在国内外学术期刊发表科研论文158篇，其中以第一/通讯作者在Advances in Colloid and Interface Science、Trends in Food Science & Technology、Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety、Food Hydrocolloids、Carbohydrate Polymers、Critical Reviews in Food Science and Nutrition等国际生命科学和食品主流期刊上发表SCI收录论文121篇。获江苏省青蓝工程中青年学术带头人、江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师、江苏省双创人才“双创博士”及中国食品工业协会科学技术奖一等奖、江苏省高等教育教学成果奖二等奖等荣誉称号。
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