渤海大学Kejin Yu等在International Journal of Biological Macromolecules期刊上发表了《Strong, tough, high-release, and antibacterial nanocellulose hydrogel for refrigerated chicken preservation》（通讯作者：Lina Yang）
背 景
鸡肉由于其蛋白质和水分含量较高，是微生物生长的天然“培养基”，因此极易变质。由于微生物污染，每年有大量的粮食资源被浪费，食品包装的使用能有效减少这种损失。目前，许多食品包装材料通过添加生物活性物质来延长食品的货架期。然而，在冷藏产品中，由于低温环境的影响，生物活性物质的释放并不理想，最终会影响冷藏食品的风味。为了保持冷藏肉制品的品质，所需的食品包装应具有良好的抗冻性、机械强度、抗疲劳性和生物活性物质的可控释放性。
水凝胶是由亲水性物质的物理或化学交联形成的三维聚合物网络，可以吸收大量的水。此外，水凝胶可以作为活性物质的载体，释放生物活性物质，并在一定程度上保持其活性。本研究以海藻酸钠（SA）、豆壳纳米纤维素（SHNC）、聚乙烯醇（PVA）和单宁酸（TA）为原料，制备了一种性能优异、具有良好抗冻性的pH响应水凝胶，并将其用于冷鲜鸡的保鲜中。这项综合研究证明了水凝胶在天然抗菌食品包装中的潜力。
摘 要
本研究以海藻酸钠（SA）和豆壳纳米纤维素（SHNC）为原料，以聚乙烯醇（PVA）为交联剂，采用超低温循环冷冻法合成了TA缓释水凝胶。该水凝胶具有良好的拉伸性、抗疲劳性、高保水性和抗菌性。傅里叶变换红外光谱揭示了水凝胶中存在氢键和酯键，而扫描电镜揭示了水凝胶的三维网络结构。力学测试表明，SHNC/PVA/SA/TA-2水凝胶具有优良的拉伸性能（伸长率=160％）、粘弹性（储能模量为1000 Pa）和机械强度（压缩强度=10 kPa；拉伸强度=0.35 MPa）。此外，在弱酸性和碱性条件下，水凝胶的酯键随着pH的升高而断裂，改善了其溶胀率和释放性能。SHNC/PVA/SA/TA-2水凝胶的平衡溶胀率超过300％，生物活性物质TA的释放率>80％。pH响应型控释大幅度提高了TA的释放速率和释放量，抗冻性保证了TA的活性。抗菌测试表明，SHNC/PVA/SA/TA-2水凝胶有效地灭活了金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，使冷鲜鸡货架期延长至10 d。因此，SHNC/PVA/SA/TA水凝胶可用于延长冷藏肉制品的货架期。
研 究 成 果
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图1 复合水凝胶的制备流程图
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图2 复合水凝胶的微观结构。（a） SHNC/PVA/SA/TA-0水凝胶的微观结构，（b）SHNC/PVA/SA/TA-1水凝胶的微观结构，（c）SHNC/PVA/SA/TA-2水凝胶的微观结构。每个实验重复3次
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图3 复合水凝胶的化学结构。（a）复合水凝胶的FI-RT，（b）复合水凝胶的XRD，（c）复合水凝胶的TG，（d）复合水凝胶的DTG，（e）复合水凝胶的LF-NM，（f）复合水凝胶的含水量。数据以平均值±标准差表示。不同的字母表示显著差异（P < 0.05）。每个实验重复3次
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图4 复合水凝胶的固/水-空气三相接触角。数据以平均值±标准差表示。不同的字母表示显著差异（P < 0.05）。每个实验重复3次
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图5 复合水凝胶的释放和溶胀。（a） 25 °C下不同pH条件下复合水凝胶的溶胀率， （b） 25 °C下不同pH条件下复合水凝胶TA的释放率， （c） 25 °C且pH=7时复合水凝胶的溶胀率， （d） SHNC/PVA/SA/TA-2水凝胶在25 °C不同pH条件下TA的释放率， （e）复合水凝胶在4 °C下不同pH条件下的溶胀率，（f）复合水凝胶在4 °C下不同pH条件下TA的释放率，（g）复合水凝胶在4 °C和pH=7时的溶胀率，（h）SHNC/PVA/SA/TA-2水凝胶在4 °C不同pH条件下TA的释放率。数据以平均值±标准差表示。不同的字母表示显著差异（P < 0.05）。每个实验重复3次
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图6 复合水凝胶的机械性能。（a）复合水凝胶的拉伸应力-应变曲线，（b）复合水凝胶的韧性，（c）复合水凝胶的拉伸强度测试照片，（d）复合水凝胶的压应力-应变曲线，（e）复合水凝胶的压缩能吸收曲线，（f）复合水凝胶的第五拉伸应力-应变循环，（g）SHNC/PVA/SA/TA-0复合水凝胶的循环拉伸， （h）SHNC/PVA/SA/TA-1复合水凝胶的循环拉伸，（I）SHNC/PVA/SA/TA-2复合水凝胶的循环拉伸，（j）复合水凝胶的应力扫描，（k）复合水凝胶的频率扫描，（l）复合水凝胶的复合模量扫描，（m）SHNC/PVA/SA/TA-0复合水凝胶的自愈试验，（n）SHNC/PVA/SA/TA-1复合水凝胶的自愈试验， （o） SHNC/PVA/SA/TA-2复合水凝胶的自愈试验。数据以平均值±标准差表示。不同的字母表示显著差异（P < 0.05）。每个实验重复3次
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图7 复合水凝胶的抗菌试验。（a）复合水凝胶处理后金黄色葡萄球菌计数，（b）复合水凝胶处理后大肠杆菌计数，（c）复合水凝胶处理后金黄色葡萄球菌抑制区，（d）复合水凝胶处理后大肠杆菌抑制区，以及（e）复合水凝胶处理后Caco-2细胞计数。数据以平均值±标准差表示，不同的字母表示显著差异（P < 0.05）。每个实验重复三次
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图8 复合水凝胶处理后的鸡肉新鲜度。（a）冷鲜鸡（0-10 d），（b）复合水凝胶处理后冷鲜鸡的含水量，（c）复合水凝胶处理后冷鲜鸡的pH值，（d）复合水凝胶处理后冷鲜鸡的TVB-N含量，（e）复合水凝胶处理后冷鲜鸡的TVBC。数据以平均值±标准差表示。不同的字母表示显著差异（P < 0.05）。每个实验重复3次
结 论
本研究制备了具有完整互穿网络结构的纳米纤维素水凝胶。这种水凝胶显示出优异的拉伸性能、自愈能力、高保水性、抗疲劳性。此外，该水凝胶还具有响应环境pH变化进而释放大量活性物质TA的能力。SHNC/PVA/SA/TA-2水凝胶具有优异的拉伸性能（伸长率=160％）、粘弹性（储能模量为1000 Pa）和机械强度（压缩强度=10 kPa；拉伸强度=0.35 MPa）。此外，单宁酸（TA）的加入使水凝胶具有理想的抗菌性能。研究结果表明，这种水凝胶不仅可以防止内部水分流失，还可以保持其组织结构。同时，该水凝胶将冷鲜鸡的货架期延长至10 d。因此，这种水凝胶可以作为一种新的包装材料来保证冷藏肉制品质量和安全。此外，由于其制备成本低、制备方法简单和产量高，该水凝胶在冷藏肉制品的包装中具有极大的应用潜力。
原文链接
Kejin Y, Lina Y, et al. Strong, tough, high-release, and antibacterial nanocellulose hydrogel for refrigerated chicken preservation[J], International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 264(Pt 2): 130727-130727.
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文字：金婉茹
校编：赵 雪
排版：董梓桐
审核：李春保
