木薯淀粉废弃物的增值利用：通过整合肉豆蔻精油来优化其抗菌、耐热、机械性能及功能性

《Chemosphere》：Valorization of cassava starch waste for multifunctional packaging: Optimizing antimicrobial, thermal, mechanical, and functional performance through nutmeg essential oil integration

本研究利用肉豆蔻精油（NO）改性木薯渣薄膜，改善其物理化学性质及生物活性。通过添加1-3% w/w NO，薄膜厚度、拉伸强度显著提升，阻隔性能增强，同时赋予其抗菌和抗氧化特性。实验验证了薄膜在室温下延长葡萄保质期的效果，证实NO改性的木薯渣薄膜可作为可持续食品包装材料。

　　这篇研究探讨了如何将木棉籽壳这一在加工过程中产生的农业废弃物转化为具有抗菌和抗氧化功能的包装材料。研究团队采用了一种创新的方法，将肉豆蔻精油（NO）以不同浓度（1–3% w/w）整合进木棉籽壳薄膜中，从而提升其物理化学性能、结构特性以及生物活性。通过这种方法，不仅有效利用了原本被丢弃的材料，还为可持续食品包装领域提供了新的可能性。

木棉（*Manihot esculenta*）作为热带和亚热带地区的重要农作物，不仅对粮食安全具有重要意义，还具有显著的经济价值。据相关数据显示，2020年全球木棉产量已超过2.9亿吨，且年均增长率超过3%。然而，木棉在收获后具有较短的保存期，因此提取木棉淀粉对于延长其保质期至关重要。在木棉淀粉提取过程中会产生大量的木棉籽壳，这种固体废弃物中含有残留的淀粉、水分、纤维（如纤维素和半纤维素）、木质素、果胶以及少量的蛋白质和脂类。如何有效利用这些废弃物成为当前研究的一个重要方向。

传统的食品包装材料虽然在食品保护方面具有诸多优势，如易于加工、成本低廉和耐用性高，但其主要缺点是会对环境造成污染。据预测，到2025年，塑料废弃物的总量将达到2.5亿吨。为应对这一问题，生物可降解的生物塑料逐渐被引入市场，成为传统包装材料的替代品。欧洲委员会也认可其在推动新兴经济发展中的重要作用。生物可降解包装薄膜通常由天然聚合物制成，例如蛋白质、纤维素及其衍生物、聚乳酸、卡拉胶、淀粉、壳聚糖、琼脂等。这些材料不仅具有天然来源，还具备良好的生物相容性和可降解性，符合绿色可持续经济的基本理念。

将活性成分融入生物可降解包装材料是当前食品包装领域的一个新兴趋势，不仅能够提供微生物保护，还能延长食品的保质期。植物精油因其丰富的功能性和活性成分而受到越来越多的关注，这些成分具有抗氧化、抗菌、抗病毒和抗真菌等多种作用。将精油整合进薄膜中，可以实现活性成分的缓慢扩散、保留和可控释放，而无需直接接触食品。即使少量的精油也可以赋予包装材料生物活性，调节包装食品的气味并延长其保质期。

肉豆蔻是一种高达12米的常绿乔木，属于肉豆蔻科植物。其果实直径约为4厘米，内含种子和果皮，分别称为肉豆蔻和肉豆蔻皮。种子是肉豆蔻精油的主要来源，而精油的组成则存在较大差异。主要的成分包括肉豆蔻素衍生物、松油烯、香芹烯、肉桂醛、安息香醛和蒎烯等。肉豆蔻在食品行业中常被用作调味品和香料，其独特的香气也使其在香料工业中具有重要价值。此外，肉豆蔻还展现出多种治疗特性，如强大的抗氧化能力、抑菌效果、金属离子还原以及抑制脂质氧化的能力。

木棉籽壳已被广泛研究用于开发生物可降解包装材料。一种方法是通过使用合成材料制成的聚合物（如聚乙烯醇）来增强包装材料的性能。另一种方法则专注于从木棉籽壳中提取残留的淀粉，用于制造淀粉基薄膜。此外，木棉淀粉筛分过程中产生的糊化淀粉也被用于包装材料的开发。同时，从木棉籽壳中提取的纤维被强化进木棉淀粉薄膜中，以改善其机械性能。直接将木棉籽壳整合进淀粉基薄膜中也作为一种强化策略被研究。另外，还有一种方法是通过热压法来制造木棉籽壳基薄膜。

已有许多研究探索了将不同精油整合进淀粉基薄膜以增强其功能性和保存性能。例如，Criollo-Feijoo等人（2024）将牛至精油整合进木棉籽壳基薄膜中，显著提高了总酚类物质含量和抗氧化能力，但降低了拉伸强度和弹性。Nguyen等人（2024）则将肉桂和牛至精油组合在木棉淀粉薄膜中，其中优化的6:4比例在抑制*Aspergillus flavus*方面表现出色，并提高了烘焙产品的微生物稳定性。在另一项研究中，Yudhistira等人（2024）将肉豆蔻精油应用于低密度聚乙烯（LDPE）薄膜，通过Pickering乳液和等离子体表面处理，显著提高了对鱼片的保存效率，通过减少脂质氧化和微生物生长实现了这一效果。相比这些常见的研究对象如牛至和肉桂精油，肉豆蔻精油具有独特的植物化学组成，如松油烯、香芹烯、安息香醛和γ-松油烯，这些成分赋予其更广泛的抗菌和抗氧化潜力，使其成为淀粉基薄膜系统的有前景的生物活性剂。

本研究提出了一种创新的木棉籽壳利用途径，通过将肉豆蔻精油整合进木棉籽壳薄膜中，将其转化为多功能的活性包装材料。与以往研究中使用纯化的木棉淀粉、提取的纤维或合成聚合物混合物不同，本研究直接利用原始的木棉籽壳，通过溶剂铸造法制造薄膜，从而减少加工步骤和能源消耗。将肉豆蔻精油以不同浓度整合进薄膜中是一种创新的方法，可以同时提升薄膜的抗氧化、抗菌、热稳定性和机械性能。此外，本研究不仅关注薄膜的物理化学特性，还进一步通过挥发性成分分析（HS-SPME）与生物活性之间的关联，验证了薄膜在实际食品保存中的应用价值。通过将薄膜应用于葡萄的包装，并在常温下进行10天的储存实验，研究团队展示了这种材料在食品保存中的实际效果。这种全面的评估为肉豆蔻基木棉籽壳薄膜作为可持续、生物活性包装材料提供了首次综合的见解，同时也将农业废弃物的利用与食品的活性保存相结合。

本研究的重点在于探索如何通过整合肉豆蔻精油来提升木棉籽壳薄膜的性能。通过实验，研究团队发现随着肉豆蔻精油浓度的增加，薄膜的厚度从0.38毫米增加到0.67毫米，拉伸强度从0.66 MPa增加到1.19 MPa，而密度则从1.33 g/cm3降低到1.21 g/cm3。同时，薄膜的透明度也有所下降，从75.51%降低到53.62%，而不透明度则从46.72%增加到58.73%。此外，薄膜的颜色强度显著提高，显示出更丰富的颜色特征。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，研究团队发现薄膜中的精油滴数量减少，结构更加微孔化，这表明精油与薄膜材料之间的相容性得到了改善。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，研究团队确认肉豆蔻精油并未改变薄膜的化学组成，而通过X射线衍射（XRD）分析，发现薄膜的结晶度有所提高。这些结果表明，整合肉豆蔻精油不仅提升了薄膜的物理化学性能，还改善了其结构特性。

在热稳定性方面，随着肉豆蔻精油的加入，薄膜的最大分解温度从299.28°C提高到301.48°C，表明其热稳定性得到了增强。迁移分析结果显示，肉豆蔻精油在不同溶剂中的释放能力得到了提升，且呈现出Fickian型扩散特征。这表明精油在薄膜中的释放过程受到薄膜结构的影响，可能形成更有效的扩散路径。通过HS-SPME分析，研究团队确定了松油烯、香芹烯、γ-松油烯、香茅烯和安息香醛为主要的挥发性成分，这些成分在抗氧化和抗菌方面表现出良好的效果。此外，通过盘扩散实验，研究团队发现NO3（NO浓度为3%）薄膜在抑制*E. coli*和*S. aureus*方面表现出最强的抑制效果，抑制区域分别达到20.67毫米和31.33毫米。这些实验结果进一步证明了肉豆蔻精油在提升薄膜抗菌活性方面的有效性。

在实际应用方面，研究团队将NO3薄膜应用于葡萄的包装，并在常温下进行10天的储存实验。结果显示，与对照组相比，使用NO3薄膜包装的葡萄在质量保持方面表现出显著优势。葡萄的重量损失、颜色变化和微生物增殖均有所减少，表明这种薄膜在食品保存中具有良好的应用潜力。这些实验结果不仅验证了薄膜的抗菌和抗氧化能力，还展示了其在食品包装中的实际效果。

本研究的创新之处在于直接利用原始的木棉籽壳，而不是纯化后的淀粉或提取的纤维，这减少了加工步骤和能源消耗，提高了材料的可持续性。此外，通过整合肉豆蔻精油，不仅提升了薄膜的物理化学性能，还改善了其结构特性和生物活性，为食品包装材料的开发提供了新的思路。这些结果表明，肉豆蔻精油在提升薄膜性能方面具有显著优势，其独特的植物化学组成使其成为一种有前景的生物活性剂。

研究团队还通过多种分析手段验证了薄膜的性能，包括扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）、HS-SPME和X射线衍射（XRD）。这些分析手段共同揭示了肉豆蔻精油对薄膜性能的影响，以及其在抗菌和抗氧化方面的潜力。此外，研究团队还通过迁移分析验证了精油在不同溶剂中的释放能力，进一步支持了其在食品包装中的应用价值。

本研究的成果不仅为可持续食品包装材料的开发提供了新的方向，还为农业废弃物的高附加值利用提供了理论依据。通过将木棉籽壳转化为具有抗菌和抗氧化功能的包装材料，研究团队展示了这种材料在食品保存中的应用潜力。同时，研究团队还通过实际食品的保存实验验证了薄膜的性能，为未来在食品包装领域的应用提供了可靠的依据。

综上所述，本研究通过整合肉豆蔻精油，成功地将木棉籽壳这一农业废弃物转化为具有抗菌和抗氧化功能的包装材料。这种材料不仅在物理化学性能和结构特性方面表现出色，还具有良好的生物活性，为可持续食品包装材料的开发提供了新的思路。研究团队的成果表明，肉豆蔻精油在提升薄膜性能方面具有显著优势，其独特的植物化学组成使其成为一种有前景的生物活性剂。此外，通过直接利用原始的木棉籽壳，研究团队减少了加工步骤和能源消耗，提高了材料的可持续性。这些结果不仅为食品包装材料的开发提供了新的方向，还为农业废弃物的高附加值利用提供了理论依据。