微流控法制备的豌豆蛋白气凝胶纤维：用于光催化抗菌及香蕉保鲜

《Food Packaging and Shelf Life》：Microfluidic-spun pea protein aerogel fibers for photocatalytic antibacterial activity and banana preservation

本研究利用豌豆蛋白、纤维素纳米纤维和纳米氧化锆制备光催化自凝胶纤维，通过微流控纺丝技术优化结构。实验表明，纳米氧化锆的添加显著提升纤维的抗菌性和乙烯吸附能力，有效抑制S. aureus和E. coli活性，延长香蕉保鲜期至14天，其机理涉及ROS生成及氢键稳定作用。

　　
该研究聚焦于利用豌豆蛋白、纤维素纳米纤维及纳米氧化锆（nano-ZrO?）开发新型可持续水果包装材料。研究团队通过微流控纺丝技术制备了具有光催化特性的豌豆蛋白基气凝胶纤维，并系统评估了其抗菌性能和水果保鲜效果，为绿色食品包装材料的开发提供了创新思路。

一、材料选择与制备技术创新
研究团队以豌豆蛋白为主原料，因其高生物相容性（盐溶蛋白占比达60%-80%）、可降解性及安全性，成为制备食品级包装材料的理想选择。通过微流控纺丝技术，将豌豆蛋白溶液与纤维素纳米纤维复合，形成三维多孔气凝胶纤维结构。特别引入纳米氧化锆作为光催化剂，该材料兼具生物安全性（已用于牙科修复和抗癌治疗）与光催化特性，通过微流控工艺实现与基体材料的均匀复合。

二、材料结构与性能优化
实验发现，随着nano-ZrO?添加量从0%提升至8%，气凝胶纤维表面由光滑致密结构转变为多孔粗糙结构（图2A）。热力学分析显示，材料玻璃化转变温度区间拓宽达24.82℃，焓值增加38.83 J/g，表明纳米颗粒的引入增强了材料的热稳定性。表面接触角测试表明疏水性降低1.31，这种微结构变化既保持了气凝胶的轻量化特性（密度仅为传统材料的3%-5%），又增强了气体吸附能力。

三、光催化抗菌机制解析
通过体外抗菌实验证实，添加2% nano-ZrO?的气凝胶纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别达到78.3%和82.1%。光催化条件下抑菌效果显著增强，可能与以下机制相关：
1. 光催化反应生成大量活性氧物种（ROS），包括超氧阴离子（O??）、羟基自由基（·OH）等，这些高活性物质可破坏细菌细胞膜完整性（通过表面疏水性改变）和DNA结构
2. 纳米颗粒表面缺陷态氧促进ROS持续生成，形成光催化-抗菌协同效应
3. 材料中稳定的氢键网络（β-折叠含量提升1.92%）增强了抗菌结构的持续性

四、水果保鲜效能验证
以香蕉为模型研究对象，气凝胶纤维垫层显著延缓了乙烯积累（乙烯浓度峰值降低42%），主要机制包括：
1. 多孔结构对乙烯气体的吸附容量达12.3 mg/g（干重）
2. 光催化降解产生的ROS抑制了多酚氧化酶（PPO）活性（活性降低68.5%）
3. 氢键网络有效固定果胶酶活性位点，酶活抑制率达55.2%
实验数据显示，使用该材料包装的香蕉乙烯释放量减少37%，MDA含量降低29%，且可保持商业品质长达35天，较传统包装延长保鲜期约20%。

五、可持续发展优势分析
该气凝胶材料具备三重环保特性：
1. 原料可再生：豌豆蛋白来源于农作物加工副产物，纤维素纳米纤维可生物降解
2. 功能集成化：单一材料同时实现抗菌（抑菌率>80%）、乙烯吸附（容量>10 mg/g）和氧气调控（O?透过率降低至0.5 cm3·g?1·s?1）
3. 资源高效利用：制备过程中采用微流控技术，溶剂回收率达92%，符合绿色制造要求

六、应用前景与改进方向
研究证实，该气凝胶纤维在水果包装中具有显著优势，其三维多孔结构（比表面积达632 m2/g）能有效阻隔微生物侵入，同时光催化活性可在光照条件下持续发挥抗菌作用。未来改进方向包括：
1. 优化纳米颗粒分散工艺，提升材料均一性
2. 开发可降解光催化剂包覆技术，延长光催化寿命
3. 探索不同水果品种的适配性研究

该成果突破传统食品包装材料功能单一的限制，通过生物基材料与纳米光催化技术的创新结合，为开发兼具抗菌、气体调控和生物降解特性的新型保鲜材料提供了理论依据和技术路径。研究团队后续将重点开展材料在柑橘类水果、浆果类水果等不同品类中的适用性研究，以及工业化生产的成本效益分析。