综合学术报告

这篇名为“Multi-strategy dynamic cross-linking to prepare EGCG-loaded multifunctional Pickering emulsion/α-cyclodextrin/konjac glucomannan composite films for ultra-durable preservation of perishable fruits”的研究论文由Hongcai Li、Weiteng Tan、Mengxin Hou、Shuang Yang、Caiyun Liu、Mengzhen Han、Jingjing Liang 和 Zhenpeng Gao 等人共同完成，研究所属机构为中国“西北农林科技大学食品科学与工程学院”。文章发表于国际期刊 Carbohydrate Polymers，文章编号为338 (2024) 122205，于2024年4月24日在线发布。

背景与研究目标

这项研究聚焦于食品保鲜与包装领域，特别是针对易腐果蔬的超耐久保存材料的开发。研究的科学背景如下：

1. 学术领域与研究目的：

   • 新鲜水果和蔬菜是人们日常饮食中不可或缺的营养来源，但由于高易腐性，其采后保存及营养保留成为全球性挑战。据联合国粮农组织（FAO）的一项调查显示，新鲜果蔬在从采收到消费的过程中极易受到病原微生物侵害，造成显著损耗并带来食品安全问题。
   • 当前市场上的食品保鲜材料主要由塑料制成，虽然成本低、制造工艺成熟，但塑料材料的不可降解特性导致环境污染问题，如“白色污染”。此外，高温条件下塑料可能释放化学物质，对人体健康构成潜在威胁。
   • 为响应绿色与可持续发展理念，社会对可降解和环保材料的需求逐渐增加。本研究旨在开发一种集抗菌、抗氧化和缓释特性于一体的多功能可降解保鲜膜，用于易腐果蔬的保鲜。

2. 研究背景知识：

   • 柯枝多糖(Konjac Glucomannan, KGM)：一种天然高分子亲水多糖，因其良好的成膜性和安全性，在食品保鲜中应用广泛。然而，单一KGM材料存在成膜时间长、机械性能差等问题，限制了其应用。
   • 环糊精(Cyclodextrin, CD)：分子具有锥状结构，可以增强客体物质的稳定性、溶解性及缓释性能。之前的研究表明，将环糊精添加至复合胶体中有助于改善其机械性能。
   • 表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)：作为茶多酚的主要活性成分，EGCG具有强抗氧化和抗菌性能，但其稳定性受光、热等因素限制。
   • Pickering乳液：一种基于固体颗粒稳定的乳液体系，具有优良的稳定性和分散性，可显著改善所包载物质的生物活性和生物利用度。

3. 研究目的： 本研究利用多策略动态交联技术，设计一种以Pickering乳液、α-环糊精(α-CD)和柯枝多糖为基础材料的复合膜，增强EGCG的稳定性与缓释性能，改善复合膜的机械性能，并最终实现提高水果保鲜效果的目标。

研究方法与流程

该研究主要分为以下若干步骤：

1. Pickering乳液的制备与表征：

   • 基于“一锅法”均质化技术制备油包水型(O/W) Pickering乳液，通过EGCG纳米颗粒作为水相，不同比例的芝麻油作为油相。使用高剪切均质机将阶段性制备的乳液平衡分散。
   • 平均粒径（particle size）、多分散性指数(PDI)及Zeta电位通过激光粒度仪测定，同时利用光学显微镜观测乳液内部液滴的分布特征。
   • 乳液的流变性能通过混合流变仪测量，包括黏度、储能模量(G′)以及损耗模量(G″)随剪切速率变化的趋势。

2. 复合膜的制备：

   • 以1% (w/v)的KGM溶液为基础，加入Pickering乳液及不同浓度(0.1%-0.9%)的α-CD。溶液中再加入30%甘油作为增塑剂，搅拌均匀。
   • 倒入模具后，完成37°C下24小时干燥，最终制备出基于KGM的复合膜，命名为KGM、PE/KGM及PE/α-CD/KGM膜。

3. 复合膜的特性表征：

   • 在物理化学层面对复合膜进行了扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）等测试。同时，测量复合膜的机械性能（拉伸强度和断裂伸长率）以及对水蒸气和氧的屏障性能。
   • 分析各膜的抗氧化能力和抗菌能力，评估其对Escherichia coli和Staphylococcus aureus的抑制率。

4. 复合膜的实际应用：

   • 选用新鲜草莓和番茄为研究对象，将果蔬表面覆盖不同膜制备液并存放在20±3°C下，监测其形貌、重量损失率（weight loss rate）、pH和溶解性固形物含量(SSC)的变化。
   • 在自然土壤中观察复合膜的降解情况，与聚乙烯膜作为对照。

主要研究结果分析

1. Pickering乳液的稳定性： 研究表明，3%油相浓度下制备的乳液显示出较小的平均粒径（155.4 nm），且乳液在7天储存后无明显分层，表现出优良的稳定性。同时，增强的流变特性（高储能模量G′和低损耗模量G″）有利于乳液对EGCG的包载与稳定。

2. 复合膜的机械性能与热稳定性：

   • α-CD浓度为0.3%时复合膜的拉伸强度达到峰值，为18.61 MPa；复合膜的热稳定性随着α-CD浓度的增加逐步提升。
   • SEM结果显示，α-CD的引入显著优化了膜表面的平滑性与致密性。

3. 抗氧化与抗菌性能：

   • PE/α-CD/KGM膜的DPPH和ABTS自由基清除率分别显著提高至85.23%和82.61%，展示优秀的抗氧化能力。
   • 当α-CD浓度为0.5%时，对E. coli和S. aureus的抑制率超过80%，凸显了其抗菌性能的提升，揭示其对营养流失及微生物侵害的阻碍能力。

4. 果蔬保鲜效果与降解性能：

   • PE/α-CD/KGM膜成功将番茄和草莓的保质期延长至7天，有效减少重量损失和水分流失（草莓重量损失率降低至7.12%）。
   • 自然土壤降解测试中，复合膜在15天内完全降解，而聚乙烯膜未观察到降解现象。

研究意义与创新

本研究首次通过多策略动态交联技术结合Pickering乳液和α-环糊精开发能够稳定包载EGCG的KGM基复合膜，其科学价值和应用前景体现在以下几点： - 从学术方面，拓宽了Pickering乳液在食品保鲜领域的应用，并创新性地结合了α-CD耦合机制。 - 从实际应用角度，为易腐食品提供了一种多功能、环保、可降解的包装材料，减少塑料污染，为可持续发展贡献力量。 - 创新亮点包括通过多层次的分子互作提高了复合膜的力学特性和功能性。

总体而言，本研究为食品工业提供了一个新的综合保鲜方案，并为可降解材料的发展奠定了基础，有望在实际生产中得到推广应用。