香蕉、草莓易腐怎麼辦?噴點雞蛋/纖維素納米復合塗層:保鮮、抗菌、成本又低!

如今,饑餓和長期的營養不良影響瞭全球8億多人,盡管各國越來越追求可持續能源和農業的發展來減少貧困和饑餓,但全球每年生產的水果和糧食卻有高達三分之一被浪費掉,這主要由於水果蔬菜等新鮮農產品的保質期短,極易腐爛。

目前,已有多種保鮮技術被用來延長水果的保質期,一種是將水果打蠟,通過塗覆防腐劑來延長水果的保質期,但是防腐劑會對人的健康產生不利影響;還有諸如冷藏或改良大氣包裝(MAP)的方法,但這些方法不僅昂貴費時,而且會影響水果的外觀和口味。因此,亟需一種既不影響水果的口味,又能夠延長保質期的綠色策略。

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亮點

近期,美國萊斯大學的Pulickel M. Ajayan教授報道瞭一種可食用和洗滌的多功能生物納米復合塗層。該塗層由雞蛋衍生的聚合物纖維素納米材料組成,能夠作為保鮮塗層噴塗在水果表面,通過延緩水果的呼吸和脫水並減少微生物入侵來延長水果的保質期。研究人員通過草莓、鱷梨、木瓜和香蕉證明瞭該塗層不僅能在保持水果口味的同時延長保質期,並且可食用以及易於清洗。這種基於雞蛋的多功能塗層有望成為一種經濟且可持續的方法,通過防止易腐食品的損失來減少全球食品浪費。

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生物納米復合塗層的制備

蛋清主要由蛋白組成,可以幹燥形成堅固的可食用膜。研究人員以蛋清為原料,並添加甘油作增塑劑以增加柔韌性,使塗層能夠覆蓋任何形狀的水果而不會開裂;同時加入小部分疏水性的蛋黃,減輕對水分的敏感性;然後添加具有抗菌特性的薑黃素來抑制水果表面的微生物生長,保持水果的新鮮度;最後,加入纖維素納米晶體(CNC),以降低塗層的水和氣體滲透率並增加機械強度。

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圖1. 納米復合溶液的合成及水果浸塗工藝原理圖

納米復合溶液對不同水果的塗覆

研究人員測量瞭納米復合溶液的粘度與剪切速率的關系,以研究該溶液作為保形塗料的可加工性,結果如圖2所示,溶液粘度剪切後降低瞭近三個數量級,表現出剪切稀化行為。表明該塗層可以通過噴塗的方式塗覆在水果表面,在水果表面形成更薄更均勻的塗層。

隨後,研究人員比較瞭納米復合溶液在香蕉、木瓜和鱷梨果皮上的接觸角,以探究溶液對水果的親和力。結果顯示,鱷梨表面的接觸角約為45°,並在8分鐘內下降至25°,說明塗層溶液對鱷梨表面具有很高的親和力;同樣,木瓜和香蕉表面的接觸角在8分鐘內也降低瞭15%以上,表明該塗層溶液對多種水果表面具有廣泛適用性。

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圖2. 納米復合溶液的性能表征

納米復合塗層對水果的保鮮效果

隨後,研究人員評估瞭塗層對躍變型水果香蕉、鱷梨和木瓜以及非躍變型水果草莓的保鮮效果。結果如圖3所示,購買數天後,未經塗覆的水果外觀和內部均表現出褐變和腐爛,而經生物納米復合溶液塗覆後的水果放置一周以上內外均沒有任何變化。證實瞭研究人員制備的納米復合塗層能夠延長易腐爛水果保質期的目的。

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圖3.納米復合塗層對水果保質期的影響

納米復合膜的性能測試

為瞭防止在處理和存儲過程中過早失效或破裂,良好的機械性能是水果塗層的基本要求之一,研究人員制備瞭圖4所示的獨立納米復合膜,該膜具有極高的柔韌性,可以反復彎曲和折疊而不會破裂,具有優異的機械性能。

此外,與其他用於包裝的聚合物相比,研究人員制備的塗層疏水性更高,這種較高的疏水性使膜的水滲透性較低,從而降低瞭水果中水分的擴散,能夠更好地保持新鮮度。

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圖4. 納米復合膜的性能表征

納米復合塗層的氣體阻隔性和抗菌性

水果腐爛的一個重要原因是水果呼吸導致的氧化,因此研究人員測試瞭納米復合膜的O2的阻隔性能。結果如圖5所示,與其他包裝材料相比,該膜的氧氣滲透率(OP)低,表明水果經該納米復合膜塗覆後會降低細胞呼吸作用,從而延長水果的保質期。

此外,水果表面微生物的生長也同樣會導致水果的腐爛,研究人員使用大腸桿菌菌株評估瞭塗層的抗微生物特性,將菌株在膜上過夜孵育後,細菌濃度降為零。表明該膜可在24小時內有效消除水果表面生長的細菌,並且強大的抗菌活性還可以減少水果的腐爛,甚至可以減少食源性疾病的爆發。

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圖5. 納米復合膜的氣體阻隔性和抗菌性測試

納米復合塗層的毒性和可洗滌性

生物相容性對於水果表面的塗層至關重要,因為消費者在食用水果時會有意或無意地攝入塗層。研究人員使用胰腺癌細胞(Panc02)來評估塗層的毒性。如圖6所示,用塗層孵育24小時後,各個實驗組中的細胞存活率均超過90%,而且塗層的所有原料均是可食用的。因此該納米復合塗層不僅沒有毒性而且具有可食用性。

最後,為瞭證明塗層的可清洗性,研究人員通過溶膠-凝膠測試以檢測塗層在水中的溶解度,將制備的納米復合膜放入裝有去離子水的小瓶中,在室溫下搖晃約2分鐘後,薄膜完全分解並分散到去離子水中。這表明與目前使用的不可清洗的蠟質塗料相比,該納米復合塗層通過用水沖洗並輕輕擦拭表面即可輕松地從果皮上取下。

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圖6.納米復合膜的毒性和可洗滌性測試

在本篇文章中,研究人員開發瞭一種基於蛋清的納米復合塗層。該塗層由可食用的原料制備,而且機械性能堅固、易於生產。並通過對四個常見水果的測試,證明瞭塗層可以有效地延長水果的保質期和新鮮度,為防止水果腐爛提供瞭一種新的方法。我們相信,這項工作為解決全球食品浪費問題提供瞭一種環保、高度可擴展且低成本的創新方法!

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201908291

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