柠檬酸交联羧甲基纤维素/壳聚糖-ZnO纳米复合水凝胶膜在西兰花活性包装中的应用与性能研究

本研究开发了一种基于柠檬酸交联羧甲基纤维素（CMC）/壳聚糖（CS）并增强氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）的生物可降解水凝胶膜，用于西兰花活性包装。该膜显著提升阻隔性（WVP降至4.01×10?9 g·m?1·h?1·Pa?1）、机械强度和抗菌性能（对E. coli和Listeria monocytogenes的log减少量分别达2.41和5.69），在常温下可延长西兰花保鲜期至7天，优于传统聚丙烯包装，为可持续食品包装技术提供新方案。

　　

材料 (Materials)

羧甲基纤维素（CMC，食品级，纯度99.7%，pH 7.5，2%溶液黏度3350 mPa·s，取代度0.55–0.65，分子量150,000–250,000 g/mol）由日本Sunetso公司提供。壳聚糖（CS，高分子量，分子量约1,500,000 g/mol，1%乙酸溶液中黏度为1000–2000 cps，脱乙酰度≥85%）由伊朗壳聚糖有限公司（设拉子，伊朗）提供。一水合柠檬酸（CA，纯度99.5%）和甘油（纯度99%）购自韩国Daejung化学公司。氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs，粒径30–50 nm，比表面积20–40 m2/g）由美国US Research Nanomaterials公司提供。所有化学品均为分析纯，直接使用无需进一步纯化。

水蒸气渗透性 (Water vapor permeability, WVP)

为研究不同纳米颗粒浓度对薄膜阻隔性能的影响，采用重量法（依据ASTM E96标准）测定水蒸气渗透性（WVP）。每个配方进行五次重复实验。实验装置为Falcon管（边缘直径15 mm，高度55 mm），每管装入3 g无水氯化钙（0% RH），将薄膜样品（厚度0.12–0.15 mm）密封于管口，置于25°C、75% RH的恒温恒湿箱中。每隔1小时称重一次，持续8小时。WVP（g·m^?1·h^?1·Pa^?1）通过以下公式计算：

WVP = (Δm × d) / (A × t × ΔP)

其中Δm为重量变化（g），d为膜厚（m），A为暴露面积（m2），t为时间（h），ΔP为水蒸气压差（Pa）。

水蒸气渗透性 (Water vapor permeability, WVP)

为进一步优化水凝胶基质（CSA18G）的阻隔性能，掺入不同浓度的氧化锌纳米颗粒。如图1所示，随着ZnO含量的增加，水蒸气渗透性（WVP）持续下降，当使用3 wt% ZnO时（CSA18GZ3），WVP达到最低值4.01×10^?9 g·m^?1·h^?1·Pa^?1。这一降低归因于ZnO与聚合物链之间的强相互作用，降低了亲水性并阻碍了水蒸气扩散。ZnO纳米颗粒通过形成曲折路径和与极性基团（如–OH和–COOH）交联，有效限制了水分子在基质中的移动。

结论 (Conclusion)

本研究成功开发并表征了一种新型可生物降解纳米复合水凝胶膜，基于羧甲基纤维素（CMC）和壳聚糖（CS），通过柠檬酸交联并增强氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）。该薄膜专为活性食品包装应用设计，重点关注新鲜西兰花的包装。添加不同浓度的ZnO NPs显著改善了薄膜的物理化学、机械和抗菌性能。