含有粗制柑橘果胶/明胶的绿茶废渣提取物的配方开发与特性研究：活性包装薄膜的应用

《Industrial Crops and Products》：Formulation and characterization of green tea spent extract incorporated crude tangerine pectin /gelatin active packaging film

生物可降解果胶-明胶复合薄膜的制备及其抗氧化抗菌性能研究，采用微波辅助提取绿茶渣多酚，通过氢键作用分散于复合薄膜基质中，并利用钙离子交联增强结构性能。结果表明，复合薄膜的DPPH自由基清除率达93.1%，对金黄色葡萄球菌抑菌圈达15.7mm，水分透过率降低至23.8g·mmkPa?1·h?1·m?2，且钙离子交联显著提升薄膜机械强度（23.7MPa）和热稳定性（Tg值达55.0℃）。

　　在当今食品包装领域，传统塑料材料因其成本低廉、耐用性高而广泛使用。然而，随着对环境问题的关注加剧，可持续材料逐渐成为研究热点。本研究聚焦于利用生物聚合物作为替代传统石油基材料的环保包装方案，重点探讨了以柑橘果皮中提取的果胶与明胶复合材料为基础，结合绿茶废渣提取物粉（GTSE）的活性包装薄膜的制备及其性能评估。果胶作为一种天然的多糖类物质，广泛存在于植物细胞壁中，尤其以柑橘类水果为主要来源，其在全球果胶产量中占比高达85.5%。由于其丰富的结构特性，果胶被广泛用于可食用薄膜的制备。而明胶作为一种高分子量的蛋白质，源自鱼皮、动物骨骼等，具有良好的生物降解性和成膜性能，因此也被认为是理想的生物聚合物材料。然而，单独使用果胶或明胶制成的薄膜在机械强度和抗菌性能方面存在一定局限性，这促使研究者探索通过与其他成分复合以提升其功能特性的可能性。

为了进一步增强薄膜的功能性，研究团队引入了绿茶废渣提取物粉作为活性成分。绿茶中含有丰富的多酚类物质，特别是儿茶素，具有显著的抗氧化和抗菌特性。将这些生物活性成分与果胶和明胶结合，不仅可以提高薄膜的性能，还能够利用柑橘果皮这一农业废弃物，为资源的循环利用提供可能。研究采用微波辅助提取技术来制备GTSE，这种方法相较于超声波辅助和传统提取法，能更高效地提取多酚类物质，尤其是儿茶素。通过优化提取条件，研究获得了较高的提取率（10.7%）、总多酚含量（93.0 mg GAE/g 干提取物）以及DPPH自由基清除活性（IC50为3.52 μg/mL），这表明GTSE具有良好的生物活性。

在薄膜的制备过程中，研究者采用了不同的配方，包括纯果胶薄膜（P）、果胶-茶多酚复合薄膜（PT）、果胶-茶多酚-钙离子复合薄膜（PT-Ca）、果胶-明胶（1:1）复合薄膜（PG）、果胶-茶多酚-明胶复合薄膜（PTG）以及果胶-茶多酚-明胶-钙离子复合薄膜（PTG-Ca）。这些配方在结构、机械性能以及功能性能（如抗氧化性和抗菌性）方面表现出显著差异。通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究发现GTSE能够良好地分散在薄膜基质中，并通过氢键形成稳定的结构。这种良好的分散性有助于提高薄膜的抗氧化能力，例如，果胶薄膜（P）的DPPH自由基清除活性从44.5%提升至93.1%，而果胶-明胶薄膜（P/G）则从31.9%增加至89.1%。这表明GTSE的引入对薄膜的抗氧化性能具有积极影响。

在抗菌性能方面，所有薄膜均表现出对革兰氏阳性菌（如枯草芽孢杆菌）的抑制作用，其中果胶-茶多酚薄膜（PT）的抑菌圈直径达到了15.7 ± 2.31 mm，是所有配方中表现最佳的。然而，对于革兰氏阴性菌（如大肠杆菌），所有薄膜均未表现出明显的抑制效果。这可能与革兰氏阴性菌较厚的脂多糖细胞壁有关，这种结构使得它们对酚类化合物的渗透性较低，从而降低了薄膜的抗菌效果。尽管如此，果胶-明胶复合薄膜结合GTSE仍然展现出良好的抗菌潜力，尤其适用于对微生物敏感的食品包装。

在机械性能方面，研究发现果胶-明胶复合薄膜（PG）的拉伸强度（TS）显著高于纯果胶薄膜（P），而拉伸断裂伸长率（EAB）则有所降低。这种现象表明，明胶的加入提升了薄膜的弹性，但同时也降低了其延展性。当进一步加入茶多酚和钙离子时，薄膜的拉伸强度和断裂伸长率均有所下降，这可能是由于茶多酚与钙离子的加入改变了薄膜的内部结构，导致其变硬。然而，尽管EAB降低，薄膜的整体机械性能仍优于纯果胶薄膜，这表明明胶的引入在一定程度上提升了薄膜的结构稳定性。此外，钙离子的加入对薄膜的结构产生了显著影响，使其更加紧密，从而提高了其机械强度和热稳定性。

光学性能方面，薄膜的透明度受到多种因素的影响。研究发现，茶多酚的加入能够显著降低薄膜的透光率，从60%降至45%。这一现象可能与茶多酚的紫外吸收特性有关，因为茶多酚具有良好的紫外屏蔽能力，能够有效防止紫外线对食品的破坏。同时，薄膜的色泽变化也受到茶多酚和钙离子的影响，所有配方的薄膜均呈现出一定的黄褐色调，而钙离子的加入则略微降低了这种色泽。这表明，茶多酚的引入在提升抗氧化性能的同时，也影响了薄膜的外观特性。

在结构分析方面，X射线衍射（XRD）和差示扫描量热法（DSC）用于评估薄膜的结晶性和热稳定性。XRD分析显示，纯果胶薄膜具有较低的结晶度（16.9%），而加入茶多酚和钙离子的薄膜则表现出更复杂的结晶结构。这可能与茶多酚和钙离子在薄膜中的分布有关，它们通过形成交联网络改变了薄膜的微观结构。DSC分析进一步揭示了薄膜的热性能，显示其玻璃化转变温度（Tg）随着茶多酚和钙离子的加入而显著提高，表明薄膜的热稳定性增强。这一特性对于食品包装材料尤为重要，因为较高的Tg意味着薄膜在储存和运输过程中更不容易发生变形或降解。

此外，研究还探讨了不同配方对薄膜性能的影响。例如，果胶-明胶复合薄膜（PG）在拉伸强度和断裂伸长率方面表现优于纯果胶薄膜（P），但加入茶多酚后，这些性能有所下降。这可能是因为茶多酚的加入改变了薄膜的分子间相互作用，使其变得更加紧密。而钙离子的引入则进一步增强了这种交联效应，从而显著提高了薄膜的热稳定性，但降低了其延展性。因此，果胶-明胶-茶多酚-钙离子复合薄膜（PTG-Ca）在热稳定性和机械强度方面表现出色，但其延展性较低，这可能限制了其在某些食品包装中的应用。

总体而言，本研究展示了果胶-明胶复合薄膜结合绿茶废渣提取物粉作为活性成分的可行性。这种新型薄膜不仅在结构和机械性能上表现出色，还具备良好的抗氧化和抗菌特性，为可持续食品包装提供了新的思路。然而，研究也指出，该薄膜的延展性仍有待提升，以满足更多应用场景的需求。未来的研究可以进一步探索优化配方，以平衡薄膜的机械性能和功能特性，使其更适用于实际的食品包装需求。此外，通过引入其他生物活性成分或调整交联条件，可能进一步提升薄膜的性能，使其成为更理想的环保包装材料。