西瓜皮来源富角质提取物（WCRE）与超声处理改性甲基纤维素（MC）膜及其活性包装性能研究

《Next Materials》：Watermelon cutin-rich extract and sonication treatment for modifying methylcellulose films for active packaging

　　

西瓜皮富角质提取物与超声处理用于改性甲基纤维素（MC）膜以实现活性包装。研究人员制备了含西瓜皮富角质提取物（WCRE）的MC膜；西瓜皮富角质提取物改善了MC膜的机械性能和表面性能；超声处理（sonication treatment）增强了MC膜的抗氧化性能。

研究背景：食品包装需求随人口增长而增加，包装可保持食品外观、风味、气味和营养价值，但塑料包装废弃物进入生态系统并造成污染，因此生物聚合物食品包装材料受到关注。甲基纤维素（methylcellulose，MC）具有水溶性、可生物降解、成膜性、无毒性、可食性和易制备等优点，膜透明光滑且力学性能较好，但高水敏感性和氧渗透性限制其应用。天然疏水化合物被用于改善生物聚合物膜性能。角质（cutin）是交联聚酯，主要由缩合脂肪族多羟基酸组成，作为亲脂性细胞壁屏障聚合物基质，控制气体、水和溶质运动；其疏水性、热性能和力学性能支持其在生物塑料中的应用，并可降低吸水率和蒸汽渗透性、改善耐热性和机械强度，同时具有抗氧化和光阻隔功能。西瓜皮外蜡层含脂肪酸等成分，可作为富角质提取物来源。但将西瓜皮来源富角质提取物（watermelon cutin-rich extract，WCRE）加入MC膜的研究有限，因此研究人员开展本研究，评估WCRE浓度对MC膜光学、物理、力学和抗氧化性能的影响，并确定超声处理是否进一步改善这些性能。研究结论表明，WCRE增加膜厚度、降低溶解度和吸湿性、增强疏水性和抗氧化活性，但45% WCRE降低拉伸强度（tensile strength，TS）和断裂伸长率（elongation at break，EAB）；超声效果取决于WCRE浓度，5% WCRE经30 min超声处理综合性能最佳，具有高于纯MC的抗氧化能力、降低的吸湿性和最高接触角，显示其在可生物降解活性包装体系中的应用潜力，但仍需优化阻隔性能。

关键技术方法（不超过250字）：西瓜皮样本采集自Negeri Sembilan Senawang当地商场。研究人员采用碱水解提取WCRE，经酸沉、离心、洗涤和冻干获得提取物；以铸膜法制备MC及MC-WCRE膜（WCRE 5%、25%、45%，w/w相对MC；部分样品经120 W、40 kHz超声30 min）。表征包括扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）、厚度、颜色和不透明度、水分吸收、溶解度、接触角、水蒸气透过率（water vapour permeability，WVP）、氧气透过率（oxygen permeability，OP）、TS/EAB、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infra-red，FTIR）、总酚含量（total phenolic content，TPC）、DPPH和ABTS自由基清除活性；所有测试三次，采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey多重比较，显著性设为p<0.05。

研究结果：
3.1 Morphological Properties（形态学性质）：通过SEM观察膜表面和截面，纯MC膜表面光滑均匀；WCRE增加使表面粗糙、颗粒可见，5% WCRE最均匀，25%和45% WCRE出现颗粒沉积和结构破坏；超声改善MC-WCRE分散、减少颗粒聚集，使膜更光滑。
3.2 Thickness（厚度）：厚度测量显示WCRE显著提高膜厚度，未超声45% WCRE膜从对照33.60±1.50 μm增至116.60±1.60 μm，归因于固体含量增加；超声显著降低45% WCRE膜厚度至89.80±1.30 μm，与分散改善和颗粒聚集减少有关。
3.3 Opacity（不透明度）：不透明度测定显示WCRE显著提高不透明度，45% WCRE未超声膜达27.76±1.36%，对照为3.01±0.10%，与厚度增加和结构致密有关；超声显著降低不透明度，45% WCRE膜降至22.13±1.11%，与相容性改善和液滴尺寸减小有关。
3.4 Colour（颜色）：色度测量显示L*值从对照91.84±0.31降至40.28±0.67（未处理）和42.06±1.18（处理），膜变暗；5% WCRE降低a*（更绿），25%和45% WCRE提高a*和b*；总色差ΔE随WCRE增加；超声提高L*并增加a*，仅5% WCRE降低b*，45% WCRE处理与未处理间b*无显著差异。
3.5 Solubility（溶解度）：水溶解度测定显示WCRE显著降低溶解度，未超声45% WCRE膜从对照84.11±1.02%降至17.07±1.01%，与角质疏水性增强耐水性有关；超声显著增加各WCRE水平溶解度，可能因分散改善暴露更多亲水区域，但仍远低于纯MC。
3.6 Moisture absorption（吸湿性）：吸湿性测定显示WCRE显著降低吸湿性，最低为5% WCRE超声膜42.95±2.14%，对照为111.60±1.98%，与疏水组分减少羟基暴露和填充自由体积有关；45% WCRE吸湿性增加，因过量角质破坏MC基质、扩大间隙和孔道；超声在5%和25% WCRE进一步降低吸湿性，45% WCRE略增加。
3.7 Hydrophobicity（疏水性）：接触角测定显示5% WCRE超声膜接触角最高，为66.48±3.35°，比对照48.68±2.60°提高约37%，超过疏水阈值65°；25%和45% WCRE未进一步改善疏水性，因过量WCRE破坏其与MC相互作用并引起相分离；超声使5% WCRE接触角增加，因大脂质颗粒破碎、形成均匀乳液及小颗粒上浮结晶。
3.8 Water vapour permeability（WVP，水蒸气透过率）：WVP测定显示5% WCRE未超声对WVP无显著影响；WCRE增加使WVP升高，45% WCRE未超声膜达12.60±0.08×10^?12 g s^?1 m^?1 Pa^?1，对照为4.01±0.77×10^?12 g s^?1 m^?1 Pa^?1，高WCRE扩大孔隙；超声仅在5% WCRE改善WVP，SEM显示更光滑且裂纹和孔洞更少。
3.9 Oxygen permeability（OP，氧气透过率）：OP测定显示低浓度WCRE无明显影响，25%和45% WCRE使OP分别增至1.84±0.00和2.09±0.02×10^?3 g m^?2 s^?1，对照为1.14±0.01×10^?3 g m^?2 s^?1，与MC甲氧基固有高氧渗透及高WCRE裂纹孔洞提供扩散路径有关；超声在高WCRE水平显著降低OP，因颗粒减小、分散改善和膜更致密，但仍未低于纯MC。
3.10 Mechanical properties（力学性能）：拉伸测试显示5% WCRE显著提高TS和EAB至37.33±3.72 MPa和22.45±0.63%，对照为23.72±2.89 MPa和13.45±1.73%；45% WCRE两者下降，因分布差或弱结合；超声膜EAB低于未处理膜，25%和45% WCRE分别降至7.10±0.35%和6.20±1.58%，TS不受超声显著影响。
3.11 FTIR（傅里叶变换红外光谱）：FTIR显示WCRE具有O-H、C-H、C=O、酯相关、酚类和黄酮基团；MC膜显示C-O/C-O-C、H-O-H、CH₃和O-H；MC-WCRE中保留WCRE特征带，2800–2900 cm^?1的-CH₃和-CH₂伸缩及1700–1702 cm^?1酯基表明WCRE脂溶性组分和角质相关基团进入基质，但FTIR不能确认角质为WCRE主导成分。
3.12 Total phenolic content and antioxidant activity（TPC和抗氧化活性）：TPC测定显示WCRE显著提高TPC，从2.61±0.61增至91.01±0.31 mg GAE/g film，超声进一步增强TPC回收；DPPH测定显示45% WCRE处理膜最高为14.29±0.40%，对照为5.40±0.35%；ABTS测定显示45% WCRE处理膜达54.76±1.65%，对照为33.24±0.08%；超声在25%和45% WCRE显著提高ABTS，在5% WCRE无显著差异，与酚羟基稳定自由基及超声增加表面积和植物化学物释放有关。
3.13 Limitations of the study（研究局限性）：研究指出WCRE和超声效果并不一致，WCRE增加总体提高WVP和OP，超声仅在特定条件降低渗透性且随WCRE浓度变化，与WCRE组成、分布及其在MC基质中的相互作用有关；研究仅比较未超声与30 min超声，未考察超声时间变化，也未包括食品接触迁移和真实食品货架期研究，需进一步研究不同超声条件、迁移行为和实际食品体系中的膜性能。

讨论部分总结：讨论部分强调WCRE和超声对膜性能的影响受浓度和基质相互作用制约，尤其高WCRE下阻隔性能未一致改善，且超声时间、迁移和真实食品应用尚未研究。研究结论翻译：综上，将WCRE引入MC膜增加了膜厚度，降低了溶解度和吸湿性，增强了疏水性和抗氧化活性。然而，45% WCRE使TS和EAB下降。超声也依WCRE浓度影响膜性能，与未超声膜相比，5% WCRE时EAB下降、溶解度增加，但溶解度仍低于对照膜。含5% WCRE并经30 min超声处理的膜表现出最佳综合性能，具有高于纯MC的抗氧化能力、降低的吸湿性和最高接触角。这些结果表明其在可生物降解活性包装体系中的应用潜力，但仍需进一步优化阻隔性能。