【包装黑科技】上海海洋大学李立教授:规模化制备双响应ClO2控释薄膜用于草莓的保鲜

学术   2024-11-30 08:07   湖南  

规模化制备双响应ClO2控释薄膜用于草莓的保鲜

导  读

2024年11月12日,上海海洋大学食品学院,绿色与功能性包装团队:陈司琪(第一作者)、李立*(通讯作者)等Food Chemistry(农林科学类1区,IF=8.5)联合发表题为“Large-scale dual-responsive ClO2 controlled-release film for strawberry preservation”的研究性论文。该研究得到了上海市科委科技创新行动计划(23N31900200)的支持。

新鲜果蔬因其口感好、营养成分丰富而广受欢迎。然而,新鲜果蔬容易受到微生物污染、运输和储存条件等影响而变质,导致每年的浪费超过总量的三分之一。目前,抗菌活性包装可以有效防止果蔬在运输过程中变质。抗菌包装按作用方式可分为两大类:非迁移式包装和迁移式包装。抗菌气体是一种很好的迁移性抗菌剂,适用于包装。其中,ClO2由于其安全性、强氧化性、强抗病毒性而被广泛应用,它可以由NaClO2(SC)与酸反应生成。即使在低浓度下ClO2也能有效杀灭微生物,且不会在果蔬表面留下过多的残留物。目前,ClO2液体喷洒和气体熏蒸方法通常用于果蔬采后灭菌处理。然而,ClO2在液态下表现出不稳定性,在气态下容易分解。因此,研究人员开发了另一种ClO2的使用形式,即用更稳定的固体SC作为前驱体生成ClO2。然而,SC与酸反应时的反应速率是难以控制的。因此,有必要开发一种 ClO2控释系统,利用SC作为前驱体在特定条件下引发反应并缓释ClO2气体。

微胶囊化是一种经典技术,可有效保护挥发性成分和环境敏感物质免受外界环境的影响,还可以控制释放速率。微胶囊制备的主要技术包括空气悬浮挤出、包埋、喷雾干燥和冷冻干燥。值得注意的是,喷雾干燥具有很大的经济优势和工业生产优势。喷雾干燥工艺使用高压气体喷射溶液并形成液滴。同时,在与热空气接触时,液滴发生溶剂蒸发,从而形成干燥的微胶囊粉。常见的壁材包括阿拉伯树胶、麦芽糖糊精、纤维素、明胶、脂质和蛋白质。此外,微胶囊的壁材也可以由具有成膜特性的高分子材料组成。Huang et al.等人利用PLA作为壁材,成功封装了ClO2溶液,并通过溶液浇筑法制备了基于PLA的 ClO2释放薄膜。Liu et al.等人使用乙基纤维素(EC)作为壁材,制备壳核结构的EC-NaClO2微胶囊,并采用溶液浇铸法制备基于聚乙烯醇(PVA)的ClO2释放薄膜。以前的研究主要采用溶液浇注方法来制备 ClO2释放薄膜,对利用工业熔融挤出进行大规模生产的方法探索有限。

在这项研究采用喷雾干燥法,利用PVA作为壁材,包封SC制备Micro-SC微胶囊。使用单因素实验优化喷雾干燥条件,并将乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)与微胶囊共混,通过熔融挤出法制备温湿度双响ClO2控释薄膜(Micro-SC@EVA)。研究了不同微胶囊添加比例及不同环境温湿度下的Micro-SC@EVA薄膜ClO2气体控释规律。表征了微胶囊的粒径、微观结构、包埋率和热稳定性,以及薄膜的阻隔性能、微观结构和抗菌性能。最后,将Micro-SA@EVA薄膜应用于草莓的室温(25±2℃)保鲜中,以评估储存过程中草莓外观、理化质量、顶空气体成分和微生物特性的变化。


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研究亮点

  • ClO2控释薄膜可使草莓的保质期延长150%。

  • 制备的Micro-SC无需添加额外的酸即可生成 ClO2

  • 大规模稳定的生产ClO2控释薄膜。

  • 控释膜可释放ClO2气体36 d,对温度和湿度表现出双重响应。。


研究结论

  • PVA作为壁材制备的Micro-SC微胶囊能够在不需要额外酸的条件释放ClO2气体。

  • 基于EVA的Micro-SC@EVA薄膜对温度与湿度做出双响应,能够在湿度条件下控释ClO2气体,干燥条件下不释放,低温下延缓释放,高温下迅速响应,以应对运输过程中的环境条件变化。

  • Micro-SC@EVA薄膜的ClO2气体缓释曲线符合一级动力学方程,缓释时间长达36天。

  • 添加4%、6%Micro-SC微胶囊的薄膜有效解决了ClO2前期爆裂释放的问题。

  • 实际保鲜过程中,草莓的呼吸作用与蒸腾作用产生的水蒸气能够触发薄膜释放ClO2,形成“湿度-ClO2-呼吸”的自调控系统。

  • 薄膜释放的ClO2气体有效抑制草莓乙烯生成,延缓草莓衰老,并且ClO2气体有效抑制微生物生长、变软、失重等,延长草莓货架期150%。


图文赏析

Graphical abstract

图1. 进样速度(A)、进风温度(B)、PVA:SC(C)对微胶囊包封效率的影响。结果表示为均值±标准误差(SE)。a-e不同字母的不同处理的平均值差异显著(P < 0.05)。

图 2.Micro-SC的SEM(A,D)和EDS(B, C, E, F)图像。薄膜表面SEM:EVA(G);Micro-SC@EVA(H); Micro-SC在薄膜截面的SEM(I);薄膜横截面 SEM和数码照片:0 %(J, N),4 %(K, O),6 %(L, P),8 %(M, Q)。

图3. SC、Micro-SC和空白微胶囊的FT-IR图谱(A)和XRD图谱(B);SC、EVA、4%Micro-SC@EVA ,6%Micro-SC@EVA and 8%Micro-SC@EVA 样品的FT-IR图谱(E)与XRD图谱(F)。

图4. 微胶囊比例对薄膜的透湿(A)、透氧(B)、水接触角(C)的影响。结果表示为均值±标准误差(SE)。a-d不同字母的不同处理的平均值差异显著(P < 0.05)。

图5. 不同温度和湿度对Micro-SC@EVA薄膜控释ClO2气体的影响:4℃(A),20℃(B),50℃(C),100%和0%RH(D);ClO2释放曲线相关模型拟合:20℃(E),50℃(F)。

图6. Micro-SC@EVA薄膜对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抗菌活性。结果表示为均值±标准误差(SE)。a-d不同字母的不同处理的平均值差异显著(P < 0.05)。

图7. 储存期间,Micro-SC@EVA薄膜对草莓外观(A),ClO2气体含量(B),乙烯气体含量(C),失重(D),硬度(E),Vc含量(F)和菌落总数含量的影响。结果表示为均值±标准误差(SE)。a-d不同字母的不同处理的平均值差异显著(P < 0.05)。




李 立

李 立,男,上海海洋大学食品学院教授,博士生导师。主要研究方向:食品加工与贮藏、食品保鲜机制、功能性及可降解材料在绿色包装与智能包装中的应用、冷链与运输包装。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.141996






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