CEJ | 南京农业大学张充团队：米糠多组分协同利用构建生物基活性包装膜用于冷却牛肉保鲜近日，南京农业大学食品科技学院张充教授团队在国际期刊 Chemical Engineering Journal 发表题为 “Fabrication of an active composite film with a defatted rice bran–derived bacterial cellulose nanofibrillar scaffold for chilled beef preservation” 的研究性论文,论文第一作者为2023级食品工程专业硕士研究生王健宇。该研究围绕米糠资源高值化利用、生物基活性包装材料构建及冷却肉绿色保鲜等问题，提出了一种基于米糠多组分协同利用的活性复合膜构建策略，将米糠碳水组分用于发酵制备细菌纤维素，并进一步回收米糠残余蛋白稳定百里香精油 Pickering 乳液，实现了米糠资源的分级利用与功能转化。
论文显示，完全脱脂处理可显著提高米糠水解液发酵制备细菌纤维素的产量，使脱脂米糠基细菌纤维素（DRBC）产量达到18.43 g/L，较未脱脂组提高约20%。进一步构建的优化复合膜DRBCP2G2-E1可使水蒸气透过性和氧气透过性分别降低65.6%和82.2%，并通过致密阻隔、活性缓释和抗菌抗氧化协同作用，有效延缓冷却牛肉品质劣变，将冷却牛肉的实际可接受期延长至12 d。米糠是稻米加工过程中的重要副产物，富含碳水化合物、蛋白质、脂质和多种活性成分，具有较高的资源化利用潜力。然而，在传统加工体系中，米糠常被用作饲料或低值化原料，其多组分协同利用程度仍然有限。如何充分挖掘米糠中碳水组分和蛋白组分的功能价值，实现农产品加工副产物的高值化转化，是食品资源利用和绿色制造领域的重要研究方向。
细菌纤维素具有独特的三维纳米纤维网络、高结晶度、良好生物相容性和成膜性能，在食品包装材料领域具有广阔应用前景。然而，传统细菌纤维素生产依赖昂贵的培养基，生产成本较高；同时，未改性的细菌纤维素膜通常存在亲水性强、柔韧性不足、透明性有限、缺乏内源抗菌活性等问题，难以直接满足高水分活度食品，特别是冷却肉保鲜体系的实际应用需求。
另一方面，天然精油具有良好的抗菌和抗氧化活性，但其疏水性强、挥发性高，直接引入亲水性膜基体时容易出现分散不均、快速释放和活性损失等问题。Pickering 乳液因能够稳定分散油相并调控活性物质释放，被认为是构建食品活性包装的重要递送策略。因此，开发一种以米糠为原料、兼具资源高值化利用、结构性能优化和活性功能递送的新型复合包装材料具有重要意义。本研究以米糠为主要原料，构建了“降本生产—分级利用—功能应用”一体化活性包装策略。首先，通过不同程度脱脂处理改善米糠水解液的发酵适应性，并以脱脂米糠水解液作为底物发酵制备脱脂米糠基细菌纤维素。随后，从酸酶解后的米糠残渣中回收米糠蛋白，并利用其稳定百里香精油，构建米糠蛋白稳定的百里香精油 Pickering 乳液。进一步通过聚乙烯醇和甘油对细菌纤维素网络进行结构增强与柔韧性调控，并将米糠蛋白-百里香精油乳液引入复合膜中，最终获得兼具阻隔性能、缓释性能、抗氧化/抗菌活性和冷却牛肉保鲜功能的纳米抗菌复合膜。
研究主要围绕以下几个方面展开：
• 探究不同脱脂程度对米糠水解液发酵制备细菌纤维素产量、底物消耗和微观结构的影响；
• 从米糠酸酶解残渣中回收米糠蛋白，并利用其稳定百里香精油，构建 RBP-TEOE Pickering 乳液体系；
• 通过 PVA/GLY 对 DRBC 纳米纤维网络进行结构调控，优化复合膜的透明性、柔韧性和阻隔性能；
• 将 RBP-TEOE 引入复合膜体系，评价其对百里香精油缓释、储藏损失、抗氧化和抗菌性能的影响；
• 结合 SEM、FTIR、TGA 等表征手段，阐明复合膜微观结构、界面相互作用与功能性能之间的关系；
• 以冷却牛肉为真实食品模型，系统评价复合膜对肉品色泽、脂质氧化、TVB-N、pH 和菌落总数的影响；
• 通过土埋降解实验评价复合膜的环境适应性和使用后降解潜力。①提出了一种基于米糠多组分协同利用的活性包装构建策略。
本研究并非单独关注细菌纤维素制备、BC/PVA 改性或精油涂覆，而是将米糠碳水组分发酵转化、残余蛋白回收利用和百里香精油活性递送整合到同一包装体系中。该策略实现了米糠碳水组分和蛋白组分的协同利用，为稻米加工副产物的分级转化和高值化应用提供了新的思路。
②完全脱脂显著提高米糠基细菌纤维素产量并优化纤维网络结构。
研究发现，脱脂程度显著影响米糠水解液的发酵性能和细菌纤维素积累。完全脱脂组获得最高 DRBC 产量，达到 18.43 g/L，较未脱脂组提高约 20%。同时，完全脱脂处理后形成的 DRBC 纤维网络更加均一、致密，晶体结构更加有序，说明脱脂处理有助于提高米糠水解液中可利用底物释放，改善发酵环境，并促进细菌纤维素网络形成。
③利用米糠残余蛋白稳定百里香精油，实现活性组分稳定分散和缓释递送。
本研究从米糠酸酶解残渣中回收米糠蛋白，并利用其作为天然颗粒稳定剂构建百里香精油 Pickering 乳液。该乳液在一定 pH、离子强度和温度范围内表现出良好稳定性，可有效改善百里香精油在亲水性膜基体中的分散性。与直接负载百里香精油相比，RBP-TEOE 乳液能够降低精油挥发损失和突释效应，使活性组分以更加持续、稳定的方式释放。
④构建了兼具力学柔韧性、阻隔性和活性功能的优化复合膜。
通过 PVA 填充和增强 DRBC 纳米纤维网络，并利用 GLY 调控氢键网络和链段运动，复合膜实现了强度与柔韧性的平衡。在此基础上，引入适量 RBP-TEOE 后，DRBCP2G2-E1形成了更加均一、致密的层状结构和稳定的乳液微储库。优化复合膜的水蒸气透过性和氧气透过性分别降低 65.6% 和 82.2%，表明其能够有效延长水蒸气和氧气的扩散路径，提高包装阻隔性能。
⑤优化复合膜能够协同抑制冷却牛肉氧化劣变和微生物增殖。
在 4 ℃冷藏条件下，DRBCP2G2-E1 复合膜可有效维持冷却牛肉色泽稳定，延缓脂质氧化和挥发性盐基氮积累，并抑制储藏中后期微生物快速增殖。储藏 12 d 后，该组样品 TBARS 值约为 1.02 mg/kg，仅接近脂质氧化阈值；TVB-N 值为 14.92 mg/100 g，仍处于可接受范围；菌落总数约为 5.97 lg CFU/g，略低于常用腐败阈值。结果表明，该复合膜能够通过“致密阻隔—精油缓释—抗菌抗氧化”协同作用，将冷却牛肉的实际可接受期延长至 12 d。本研究表明，基于米糠多组分协同利用构建生物基活性包装膜是一种具有可行性的绿色保鲜策略。米糠脱脂处理能够改善水解液发酵适应性，提高可发酵糖释放和底物消耗水平，从而促进脱脂米糠基细菌纤维素积累，并形成更加致密、有序的纳米纤维网络。与此同时，米糠残余蛋白可作为天然 Pickering 乳液稳定剂，用于构建百里香精油活性递送体系，为精油的稳定分散、挥发抑制和持续释放提供结构基础。
进一步通过 PVA/GLY 对 DRBC 网络进行结构调控，并引入 RBP-TEOE 活性乳液，可获得兼具柔韧性、阻隔性、抗氧化性、抗菌性和缓释功能的复合膜。其中，DRBCP2G2-E1 处于最佳乳液负载窗口，能够形成连续致密的层状结构和均匀分布的活性微储库，从而有效降低水蒸气和氧气传递、延缓百里香精油释放，并维持储藏中后期的抗菌抗氧化活性。
该工作从“米糠碳水组分—细菌纤维素骨架”和“米糠蛋白组分—精油 Pickering 乳液递送”两个层面实现了米糠资源的分级利用，为农产品加工副产物高值化转化、生物基活性包装材料开发以及冷链肉制品绿色保鲜提供了理论依据和实验基础。图文摘要展示了本研究的整体技术路线：以脱脂米糠水解液发酵制备脱脂米糠基细菌纤维素，并从水解残渣中回收米糠蛋白稳定百里香精油 Pickering 乳液；随后通过 PVA/GLY 改性和 RBP-TEOE 负载构建活性复合膜，最终用于冷却牛肉保鲜。该策略实现了米糠碳水组分和蛋白组分的协同转化，并将资源利用与食品保鲜应用相结合。图 1 不同脱脂程度对 DRBC 产量和结构特征的影响（a）以不同脱脂程度米糠水解液发酵 9 d 后获得的细菌纤维素（DRBC）照片；（b）不同脱脂程度米糠水解液制备 DRBC 的扫描电子显微镜（SEM）图像；（c）不同米糠脱脂程度下发酵 9 d 后的 DRBC 产量；（d）发酵过程中米糠水解液培养基中还原糖浓度变化；（e）不同脱脂程度米糠水解液培养基中的底物消耗速率；（f）不同脱脂程度米糠水解液制备 DRBC 的 X 射线衍射（XRD）图谱。不同字母表示差异显著（p< 0.05）图 2 米糠蛋白-百里香精油 Pickering 乳液的理化性质和稳定性（a）液滴在大豆油和去离子水中的分散状态及对应的光学显微图像；（b–c）流变行为和黏度；（d–f）不同 pH 条件下放置 24 h 后乳液的外观、液滴粒径和 ζ-电位；（g–i）不同离子强度条件下放置 24 h 后乳液的外观、液滴粒径和 ζ-电位；（j–l）不同温度条件下放置 24 h 后乳液的外观、液滴粒径和 ζ-电位。不同字母表示差异显著（p < 0.05）（a）不同复合膜在 200–800 nm 范围内的光透过率光谱；（b）不同复合膜的实物照片；（c）不同复合膜的拉伸应力–应变曲线；（d–e）不同复合膜的弹性模量和断裂伸长率；（f）干燥复合膜的厚度。不同字母表示差异显著（p< 0.05）（a）DRBCP2G2-E1复合膜在折叠、扭转、弯曲和卷曲变形下的照片；（b）不同复合膜的水接触角；（c–d）复合膜的水蒸气透过性和氧气透过性。不同字母表示差异显著（p< 0.05）
图 5 复合膜百里香精油释放、储藏损失及抗菌抗氧化性能（a）乳液负载或TEO 直接负载复合膜在脂肪食品模拟物（95% 乙醇）中百里香精油（TEO）的累积释放曲线；（b）乳液负载或TEO 直接负载复合膜在储藏过程中的 TEO 损失率；（c）复合膜的ABTS·⁺ 自由基清除能力；（d）TEO抗氧化机制示意图；（e）复合膜的DPPH· 自由基清除能力；（f–g）通过抑菌圈直径评价乳液负载或TEO 直接负载复合膜对（f）金黄色葡萄球菌和（g）大肠杆菌的抗菌活性。不同字母表示差异显著（p< 0.05）
图 6 复合膜微观结构、界面作用和热稳定性分析
（a–j）DRBCP2G2、DRBCP2G2-E0.5、DRBCP2G2-E1、DRBCP2G2-E1.5 和 DRBCP2G2-TEO 的表面及截面 SEM 图像；（k）复合膜的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）；（l）复合膜经 TGA/DTG 分析得到的残余质量曲线和（m）质量损失速率曲线。
图 7 复合膜在冷却牛肉保鲜中的应用效果
（a）不同膜包装条件下冷却牛肉在 4 ℃储藏过程中的照片，从左至右依次为：未包装对照组、PE 膜、DRBC、DRBCP2G2、DRBCP2G2-E1 和 DRBCP2G2-TEO；（b–d）不同包装条件下牛肉在 4 ℃储藏过程中 TBARS、TVB-N 和 pH 的变化；（e）新鲜牛肉以及不同膜包装储藏 12 d 后牛肉表面的菌落总数（TVC）；（f）不同膜包装条件下牛肉在 4 ℃储藏过程中的 TVC 变化（a–b）BC、DRBCP2G2-E1 和 PE 膜在土埋 40 d 过程中的照片及质量损失。不同字母表示差异显著（p< 0.05）https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177892
张充，生物技术专业博士，教授，博士生导师，南京农业大学食品科技学院生物工程系系主任，食品微生物与生物技术研究方向负责人，南京农业大学“钟山学者——学术新秀”，泰州市高层次创新创业人才。长期从事食品酶学与合成生物学、农产品资源高值化利用领域的研究。第一或通讯作者在Chemical Engineering Journal、Food Hydrocolloids、Food Chemistry、Carbohydrate Polymers、Bioresource Technology 等食品生物技术与生物基材料领域权威期刊发表学术论文 40 余篇，第一发明人授权专利 10 件，主持国家级、省部级、企业横向课题 10 余项。曾任Frontiers in Microbiology客座编辑，以及Food Chemistry、International Journal of Biological Macromolecules、Journal of Agricultural and Food Chemistry、LWT-Food Science and Technology、Enzyme and Microbial Technology 等期刊审稿人。
主要研究成果：
（1）挖掘并改造获得新型蛋白质谷氨酰胺酶（PG）、谷氨酰胺转氨酶（TG）、漆酶等核心食品酶品种；
（2）结合分子生物技术与理化育种技术，选育具有自主知识产权的链霉菌、醋酸杆菌、金黄杆菌、食品级大肠杆菌等核心微生物菌种；
（3）建立新型生物催化技术体系，以农产品加工副产物为原料，创制功能蛋白质、活性肽、细菌纤维素等新资源食品原料。
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