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用胡萝卜做的纤维素纳米纤维“保鲜喷雾”,无毒、无害、可降解,延长香蕉保质期7天

发表时间:2022/1/19

把蔬菜水果放进保鲜袋或者套上一层保鲜膜能够有效缓解蔬果变质。但塑料制品的大量使用也带来了愈发严重的环境问题和能源问题。各国纷纷出台相关政策以积极应对。我国在2020年发布了史上最严“限塑令”,许多一次性塑料制品正在慢慢淡出我们的生活。新年伊始,法国正式启动限塑令,包括黄瓜、柠檬和橙子在内的30种水果和蔬菜都禁止用塑料袋包装。




为解决不可降解塑料带来的挑战,研究人员积极开发环保可再生的新材料作为替代品。植物细胞壁的主要成分是纤维素,将其纳米化(或超微细化)处理后制成的纤维素纳米纤维(Celluouse Nanofibers,CNF)具有重量轻、韧性强、可降解等特点,在食品包装领域具有巨大的开发潜力。但CNF的工业生产仍然面临着严重的成本挑战。2019年全球大约生产了4500万t胡萝卜,榨汁后剩下的胡萝卜渣(占胡萝卜初始质量的30%~50%)通常被认为是废料,但却是生产高质量CNF的优质原料。瑞士联邦材料科学与技术研究所Tanja Zimmermann和Gustav Nystr?m带领研究人员以胡萝卜渣为原料,通过漂白、微流化等工艺制成的纤维素纳米纤维悬浮液可以用做蔬果保鲜涂层,无毒无害甚至可食用,能够将香蕉的保质期延长一个多星期。相关内容以Sustainable Cellulose Nanofiber Films fromCarrot Pomace as Sprayable Coatings for Food Packaging Applications为题发表在《ACS Sustainable Chemistry& Engineering》上。




胡萝卜CNF的制备

以两种不同新鲜度的胡萝卜(刚采摘的和室温储存三周后的胡萝卜)为原料,用厨房料理机将其榨成汁,收集胡萝卜渣用大量热水(80℃)洗涤过滤后对其进行漂白处理。接着使用微流化设备多次处理胡萝卜渣和水的混合物,最终得到胡萝卜CNF悬浮液。漂白和微流化工艺是制作CNF十分重要的环节。未漂白的胡萝卜渣通过微流化器时的平均流速显著降低,甚至可能堵塞微流化设备。漂白工艺可以溶解木质素、半纤维素等非纤维素部分,有利于胡萝卜渣更有效地原纤化成CNF。使用微流化设备处理原料10次后,所有胡萝卜渣纤维都能够成功地分解成具有经典网络结构和高纵横强力比的纳米纤维。


用胡萝卜渣制作CNF的过程示意图


CNF薄膜的表征和性能

真空过滤质量分数为0.5%的CNF悬浮液并热压可以得到CNF薄膜。热压时,胡萝卜纳米纤维由于物理缠结和强静电相互作用会形成致密的网络结构,该网络具有分层结构。新鲜胡萝卜和陈旧胡萝卜形成的薄膜厚度十分接近,这说明胡萝卜的原始形态对整体成膜能力几乎没有影响。漂白处理的胡萝卜则有利于产生更为致密的薄膜,这是由于木质素会干扰原纤维间氢键的形成。所有胡萝卜CNF的稳定性良好,在常规环境下可以储存6个月以上。而当暴露于特定的有氧堆肥条件下时又能够在1个月以内快速降解。CNF膜具有亲水性,水分入侵破坏纤维素链,使其易于被土壤中的微生物降解。薄膜的生物降解过程不受胡萝卜原料和漂白预处理的影响。总的来说,CNF薄膜均匀、表面光滑、半透明,机械性能良好,在干燥条件下具有合适的透氧率,表现出应用于食品包装的潜能。漂白工艺由于产生了更致密的结构,有效提升了CNF薄膜的拉伸强度和模量。未漂白的薄膜透明度较低,呈橙色,但在紫外线波长范围内具有很强的吸收性,具有屏蔽紫外线的能力。


不同胡萝卜CNF薄膜的SEM图像、透光率和照片


胡萝卜CNF悬浮液的保鲜效果

使用雾化喷雾器将质量分数为0.5%的胡萝卜CNF悬浮液喷洒在香蕉表面上,室温干燥香蕉5min。接着重复该过程两次,以确保香蕉被CNF悬浊液完全均匀地包裹起来。在14天内每天对香蕉进行称重和目视观察,以确定胡萝卜CNF喷涂的效果。储存14天后,未涂覆保护膜和涂覆了未漂白CNF膜的香蕉酶促褐变严重,而涂覆了漂白CNF膜的香蕉褐变明显延迟,且果肉成熟度更低、果实坚固、瘀伤更少,表面漂白的CNF膜则具有良好的保鲜效果。涂层为香蕉有效隔绝了部分水分和氧气,使得水果的呼吸速率/乙烯产量下降。涂有漂白CNF膜的香蕉的重量损失略低于未漂白的CNF,并显著低于未涂膜的香蕉。未涂层香蕉的平均粗糙度(RMS)为63μm;使用未漂白的CNF涂层时,该数字略微增加至76μm,表明该涂层不够均匀。而漂白的CNF涂层,RMS粗糙度降低至37μm,这意味着涂层在香蕉皮的整个表面上更加均匀。综上所述,漂白 CNF悬浮液的喷涂涂层最适合应用于食品保鲜包装。


漂白和未漂白的胡萝卜CNF涂层对香蕉的保护效果(21℃ 、 60% RH)


论文题目:Sustainable Cellulose Nanofiber Films fromCarrot Pomace as Sprayable Coatings for Food Packaging Applications

论文链接:https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c06345


(来源:高分子科学前沿)