廣西大學(xué)王雙飛院士團隊段青山課題組【Chem. Eng. J.】具有定向輸水與濕度響應(yīng)雙功能的智能抗菌墊用于水果保鮮
01 研究背景
采后水果腐敗是食品保鮮領(lǐng)域的長期挑戰(zhàn)。水果在貯藏過程中因呼吸和蒸騰作用，易在包裝內(nèi)形成高濕環(huán)境，甚至導(dǎo)致水分聚集，促使病原菌繁殖、加速果實品質(zhì)劣變，嚴(yán)重影響其營養(yǎng)價值與食用安全。因此，開發(fā)一種兼具定向水分傳輸與濕度響應(yīng)抗菌功能的智能包裝材料，對延長水果貨架期具有重要意義。
02 文章概述
近日，廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院王雙飛院士團隊段青山副教授課題組在水果智能保鮮包裝領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團隊通過靜電紡絲與共沉淀技術(shù)，成功開發(fā)了一種具有定向水分傳輸功能的濕度響應(yīng)型抗菌墊（PCL/ICs/PVA）。該抗菌墊能感知環(huán)境濕度變化，主動將包裝內(nèi)多余水分定向排走，在98% RH下持續(xù)精準(zhǔn)釋放肉桂醛（CIN）達(dá)168小時，有效抑制微生物生長，顯著延長草莓保鮮期。研究成果以題為《Humidity-responsive PCL/ICs/PVA pad with directional water transport for fruit preservation》發(fā)表在近期的《Chemical Engineering Journal》上，研究生宋旭玲和王正峰為本研究的共同第一作者，段青山副教授為通訊作者，研究生周敏新、尚柏均、羅懿、許貝、栗劍鋒參與研究。
03 文章導(dǎo)讀
1.智能抗菌墊的設(shè)計策略
該抗菌墊以聚己內(nèi)酯（PCL）和聚乙烯醇（PVA）靜電紡絲分別作為疏水層和親水層，具有濕度響應(yīng)特性的β-環(huán)糊精肉桂醛包合物（ICs）作為中間層。通過構(gòu)建潤濕梯度實現(xiàn)水分定向傳輸，并觸發(fā)CIN的濕度響應(yīng)釋放。當(dāng)包裝內(nèi)的濕度升高，抗菌墊將多余水分定向排走，同時精準(zhǔn)釋放天然抗菌分子。
2.ICs的形成與表征
FTIR、XRD、TG/DTG和SEM等表征證實β-環(huán)糊精（β-CD）包封CIN成功，形成ICs包合物。FTIR和XRD結(jié)果表明，CIN分子進(jìn)入了β-CD的疏水空腔，其特征峰消失或減弱，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。熱分析顯示，ICs提高了CIN的熱穩(wěn)定性，其蒸汽壓大幅降低。此外，SEM顯示ICs形態(tài)發(fā)生改變，粒徑增大，表明ICs的成功制備。
3.抗菌墊的制備與表征
以14 wt% PCL制備的抗菌墊綜合性能最優(yōu)。PCL層獨特的蜂窩孔洞結(jié)構(gòu)增強了其捕獲水分子并定向傳輸?shù)哪芰Γ镮Cs提供了穩(wěn)定的負(fù)載位點。PVA層則迅速吸收并鎖定由PCL傳輸來的水分，實現(xiàn)高效的定向水分傳輸。并且，該抗菌墊展現(xiàn)出良好的機械強度與熱穩(wěn)定性，顯示出作為新一代抗菌墊的巨大潛力。
4.定向水分傳輸?shù)默F(xiàn)象與機制
該抗菌墊的定向水分傳輸特性是由Janus結(jié)構(gòu)的親疏水材料決定的。具體而言，當(dāng)液滴從PCL側(cè)施加時，可在靜水壓與毛細(xì)力的驅(qū)動下穿透至PVA層并被其吸收；相反，當(dāng)液滴由PVA側(cè)施加時，PCL層的低表面能可有效阻止水分反向滲透，表現(xiàn)出明確的反向阻水。這種非對稱的潤濕性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了水分的單向傳輸，為調(diào)控果實表面微環(huán)境濕度、防止局部積水提供了有效的材料解決方案。
5.定向水分傳輸下的濕度響應(yīng)釋放
CIN的累積釋放量隨環(huán)境濕度與時間遞增，且在抗菌墊中的釋放明顯優(yōu)于純ICs。在98% RH下168小時后，抗菌墊中CIN釋放率高達(dá)64.07%，遠(yuǎn)高于純ICs的37.07%。該釋放過程分為三個典型階段：開始時，游離水分子滲透至ICs引發(fā)部分CIN釋放；隨著濕度升高，PCL層的蜂窩結(jié)構(gòu)捕獲更多水分子并形成液橋，定向輸送至ICs促使結(jié)構(gòu)松弛；最終PVA層充分吸水，ICs在高濕環(huán)境中發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌，實現(xiàn)CIN的加速釋放。這一由定向水分傳輸驅(qū)動的釋放機制，實現(xiàn)了根據(jù)環(huán)境濕度智能調(diào)控抗菌劑釋放的功能。
6.PCL/ICs/PVA抗菌墊的抗菌性能
當(dāng)ICs含量為33.3%時，對大腸桿菌和李斯特菌的抑菌率超過99%。在不同濕度環(huán)境下儲存一周后，該抗菌墊的抑菌圈直徑隨預(yù)儲存濕度升高而擴大，體現(xiàn)出“越濕越強”的智能響應(yīng)特性。
7.草莓保鮮效果驗證
該抗菌墊能有效防止水分聚集，通過濕度響應(yīng)釋放抗菌劑，延緩草莓品質(zhì)劣變，延長貨架期。在98% RH下儲存7天，實驗組失重率僅為1.77%，維生素C、硬度等指標(biāo)均顯著優(yōu)于對照組。
04 結(jié)論
本研究成功開發(fā)出集定向水分傳輸與濕度響應(yīng)于一體的智能抗菌墊。通過PCL的蜂窩孔洞負(fù)載ICs，并促進(jìn)游離水分子的聚集與傳輸。ICs在吸濕后產(chǎn)生間隙與通道，實現(xiàn)CIN的可控釋放。與此同時，PVA親水層及時吸收多余水分，共同實現(xiàn)定向水分傳輸與微生物的主動調(diào)控，構(gòu)建了一個自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在98% RH條件下，該抗菌墊能持續(xù)釋放CIN達(dá)168小時，有效抑制細(xì)菌生長并延長草莓保鮮期。該研究通過巧妙的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計，為應(yīng)對高濕環(huán)境引發(fā)的水果采后腐敗問題提供了新的思路和有效策略，在智能保鮮包裝領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725104397