《Gels》：Transparent, Anti-Drying, Stretchable and Antibacterial Gelatin/Glycerol/NaCl Hydrogel for Strawberry Preservation
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水凝胶薄膜作为一种新兴的生物基包装材料，在保鲜草莓等易腐水果方面具有相当大的应用前景。然而，其应用受到保水性差、机械强度不足以及缺乏抗菌活性的限制。本研究将明胶与NaCl混合，随后浸泡于甘油/水二元溶剂体系中，制备了明胶/甘油/NaCl（GGN）水凝胶。结果表
水凝胶薄膜作为一种新兴的生物基包装材料，在保鲜草莓等易腐水果方面具有相当大的应用前景。然而，其应用受到保水性差、机械强度不足以及缺乏抗菌活性的限制。本研究将明胶与NaCl混合，随后浸泡于甘油/水二元溶剂体系中，制备了明胶/甘油/NaCl（GGN）水凝胶。结果表明，甘油的引入赋予水凝胶优异的抗干燥性能，9天后残余质量比达55%，透光率为75%。当NaCl含量为7.5%（w/w）时，水凝胶的拉伸强度达到110 kPa，断裂伸长率为250%，对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的抗菌率分别为75.60%和86.11%。草莓保鲜试验表明，GGN水凝胶在8天内有效降低了果实失重并维持了果实品质，优于对照组和商业PE膜组。总体而言，本研究提出了一种制备多功能明胶基水凝胶薄膜的简便策略，为易腐水果保鲜提供了石油基塑料的可行替代方案。
论文解读：基于明胶/甘油/NaCl多功能水凝胶的草莓保鲜研究
一、研究背景与意义
草莓作为一种高含水量、高呼吸速率的易腐水果，采后极易因水分流失、软化、霉菌生长和微生物侵染而发生品质劣变，其货架期通常仅有2–3天，对包装材料的保鲜性能提出了严苛要求。传统石油基塑料如聚乙烯（PE）薄膜虽能在一定程度上减少水分损失，但其生物降解性差，造成严重的环境污染；同时，其封闭结构易导致包装内部湿度过高并形成厌氧环境，反而加速果实腐败。因此，开发环境友好、安全且具有活性的包装材料已成为食品包装领域的关键研究方向。
水凝胶作为亲水性三维网络材料，能够吸收并保留大量水分而不发生结构破坏，凭借优异的湿度调节能力、良好的生物相容性和功能化潜力，水凝胶薄膜已成为用于水果保鲜的新兴生物基包装材料。明胶因来源广泛、成膜性能优异、可生物降解且可食用，被认为是构建水凝胶薄膜的理想基体。然而，纯明胶水凝胶存在机械强度不足、易脱水以及缺乏内在抗菌活性等固有缺陷，难以满足草莓保鲜包装的实际需求。
为克服上述局限，已有研究通过引入功能组分对明胶水凝胶进行改性。多元醇如甘油可通过降低水分活度并增强分子链间氢键作用赋予材料抗干燥性能，但该方法无法同时解决机械强度不足和缺乏抗菌活性的问题。精油和有机酸虽可抑制微生物，但其与亲水基质的相容性差且活性组分易过度挥发，往往影响实际功效。此外，大多数明胶基水凝胶依赖有毒化学交联剂（如戊二醛）或复杂改性手段，这损害了食品安全性和实际应用可行性。
值得注意的是，氯化钠（NaCl）作为公认的食品成分，可通过降低水分活度并诱导细胞渗透失衡发挥抗菌作用；同时，其静电屏蔽效应可促进聚合物链缠结和物理交联，从而增强网络稳定性与机械强度。然而，目前关于NaCl介导的双功能明胶水凝胶结合甘油诱导抗干燥性能的研究仍较为匮乏，尤其是在易腐水果保鲜应用方面。因此，本研究采用简便的甘油/水二元溶剂浸泡策略，通过多重非共价交联网络构建明胶/甘油/NaCl（GGN）水凝胶，系统考察甘油和NaCl对光学性能、抗干燥性能、力学性能和抗菌性能的影响，并进一步评估其对采后草莓的保鲜效果，为开发可持续的易腐水果活性包装材料提供理论与技术支撑。
二、研究内容与主要技术方法
研究人员通过简便的浸泡策略制备了具有多重非共价交联网络的GGN水凝胶。主要关键技术方法包括：将明胶与不同含量NaCl溶于去离子水后浇铸成膜，于4 °C下凝胶化形成物理交联预水凝胶；随后将预水凝胶浸泡于含柠檬酸钠（Na3Cit）的甘油/水二元溶剂中5小时，通过甘油与明胶间的氢键作用赋予抗干燥性能，同时柠檬酸根离子与明胶氨基间的离子络合形成额外物理交联以增强网络力学性能。采用扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶断面微观结构；通过紫外-可见分光光度计测定光透过率；采用斑马鱼存活实验评估生物安全性；通过质量变化监测抗干燥性能；测定水蒸气透过率（WVTR）；利用万能试验机进行拉伸性能测试；采用平板计数法评价对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性；最终以新鲜市售草莓（产自中国云南）为样本，在20 ± 5 °C、相对湿度45 ± 5%条件下进行8天保鲜贮藏实验，系统测定感官评分、失重率、可食率、硬度、丙二醛（MDA）含量、可溶性固形物（TSS）含量和花青素含量等品质指标。
三、研究结果
3.1 GGN水凝胶薄膜的合成
通过简单的浸泡策略制备了具有多重非共价交联网络的GGN水凝胶。明胶与NaCl溶于去离子水后浇铸于模具中，4 °C下储存50分钟，明胶链间氢键诱导链缠结形成交联网络，构成明胶预水凝胶。随后将预水凝胶浸泡于含Na3Cit的甘油/水二元溶剂中5小时，水分子与甘油部分交换，明胶与甘油间形成广泛氢键，赋予水凝胶优异的抗干燥性能；同时柠檬酸根离子与明胶质子化氨基发生静电相互作用，形成额外物理交联，增强网络力学稳健性。Na3Cit浓度（20 wt%）经预实验优化，确保在不损害网络柔韧性的前提下提供充分的离子交联。
3.2 表征
SEM观察显示GGN水凝胶呈现连续蜂窝状多孔结构，孔径范围为20–200 μm，相对均匀的孔分布表明甘油/水交换过程中形成了均一的网络结构。WVTR测试表明，含甘油的水凝胶（GG和GGN）较不含甘油的GN水凝胶具有更高的水蒸气透过率，这归因于甘油增强了明胶基质的亲水性和吸湿性，促进了水蒸气在凝胶网络内的溶解和连续扩散通道的形成；而GN水凝胶因缺乏甘油，水蒸气溶解和传输能力较低，WVTR相应降低。这种水蒸气渗透性与抗干燥性能之间的权衡凸显了甘油在平衡包装系统湿度调节中的关键作用。
斑马鱼存活实验显示所有斑马鱼均存活，表明GGN水凝胶具有令人满意的生物安全性，可作为食品包装材料的初步急性毒性筛选依据。
光学性能与抗干燥性能方面，第0天所有水凝胶在可见光区（400–800 nm）透光率均约为90%，初始高度透明。然而，室温开放储存9天后差异显著：GGN和GG水凝胶在可见光区透光率维持在75%以上，而GN水凝胶骤降至34%；同时GGN和GG水凝胶的残余质量比（RMT）保持在约55%，显著高于GN水凝胶的28%。GGN与GG的RMT值相当，表明NaCl不会损害甘油的保水功能，这种功能独立性允许抗菌与抗干燥性能在配方设计中分别优化。相比之下，GN水凝胶遭受严重脱水和收缩，透明度显著降低，无法满足包装薄膜的基本形态要求。
3.3 性能测试
力学性能方面，随着NaCl用量（2.5–15.0%，w/w）增加，拉伸强度先升后降，在7.5%时达到最大值109.11 kPa，较GG水凝胶（80.81 kPa）提高约35%；断裂应变同样呈相似趋势，GGN-7.5水凝胶达到246.43%，实现了强度与韧性的平衡。过量NaCl因过度静电屏蔽削弱分子链间相互作用而导致强度显著降低。宏观力学行为展示GGN-7.5水凝胶可均匀拉伸至原始长度的约2.5倍，并在扭转与拉伸联合作用下保持结构完整性。
抗菌性能方面，GG水凝胶对金黄色葡萄球菌仅表现出约27.09%的抑制率；随着NaCl浓度增加，抗菌率显著提升至49.11%，并在5–15%（w/w）范围内达到67.08–85.86%的高水平。对大肠杆菌，GG水凝胶抗菌率约为18.82%，而NaCl含量≥7.5%（w/w）的水凝胶抗菌率超过86.11%。结合力学性能分析，GGN-7.5水凝胶在保持优异抗菌活性的同时展现出最优力学性能，被确定为综合性能最佳配方。
3.4 草莓保鲜应用
在8天常温贮藏期间，未包装对照组第2天出现局部软化，第4天严重霉变腐烂，第8天完全丧失商品价值；商业PE膜组虽初期外观相对良好，但第4天后因高湿包装环境下微生物增殖而出现大面积霉斑，第8天腐烂程度与对照组相当；GG水凝胶组前4天保持较好色泽和形态，但第6天后出现局部霉变，第8天伴随明显腐烂，主要归因于其抗菌活性不足，无法在贮藏后期有效抑制微生物增殖；GGN水凝胶组在整个8天贮藏期内表现出最佳保鲜效果，果实表面色泽维持良好，软化、霉变和腐烂程度均显著低于其他各组。感官评分方面，GGN组第8天得分1.5，显著高于对照组（0）和PE膜组（0.3）。
定量品质指标方面，未包装对照组第8天失重率达37.55%，可食率降至16.67%，完全丧失商业价值；PE膜通过致密物理屏障将失重控制在约3%，但其密封环境阻碍气体交换并促进厌氧呼吸，导致硬度下降至初始值的48.08%；GG水凝胶组失重率为20.36%，可食率为54.16%，表明甘油赋予的保水性能有效缓解了果实水分损失，但有限的抗菌活性无法抑制贮藏后期微生物增殖；GGN水凝胶组综合保鲜效果最优，第8天失重率仅为19.03%，可食率保持66.67%，硬度维持初始值的77.87%，均显著优于其他各组。生理代谢指标方面，GGN组丙二醛（MDA）含量（1.35 nmol/g FW）低于对照组和PE组，表明有效缓解了氧化应激损伤；可溶性固形物（TSS）第4天达峰值后缓慢下降，第8天仍保持6.80%；花青素含量峰值达1.16 U/g，高于其他各组，且后期下降更为平缓。
四、讨论与结论
GGN水凝胶通过抗菌活性与保水性能的协同作用，有效延缓了果实软化和品质劣变。水凝胶凭借三维多孔结构调节包装顶空湿度，防止果实表面凝结水和微生物积聚；甘油维持基质内部水分平衡，避免材料干燥和功能退化；同时内在抗菌活性通过降低包装顶空和水凝胶表面的微生物负载促进保鲜。GGN水凝胶在失重率、可食率、硬度、MDA、TSS和花青素含量等关键指标上均优于对照组和商业PE膜，表明水凝胶的主动湿度调节和抗菌功能协同作用优于合成薄膜的被动阻隔密封，能够在延长贮藏期内维持果实综合品质。
本研究通过简便的浸泡方法成功制备了具有多重非共价交联网络的GGN水凝胶，系统表征了其光学性能、抗干燥行为、力学性能和抗菌活性，并验证了其在草莓保鲜中的实际可行性。结果表明，甘油/水二元溶剂浸泡赋予水凝胶优异的抗干燥稳定性，9天后RMT约为55%，显著高于不含甘油的GN水凝胶（28%）；添加7.5%（w/w）NaCl将拉伸强度提升至110 kPa，断裂伸长率达250%；NaCl还将对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率从27.09%和18.82%分别大幅提升至75.60%和86.11%。草莓保鲜试验证实，GGN水凝胶通过保水与抗菌的协同作用在8天内有效维持了果实外观和生理品质，在失重率、可食率、硬度、MDA、TSS和花青素含量等关键指标上均优于对照组和商业PE膜。所制备的GGN水凝胶具有高透明度、良好的抗干燥稳定性、优异的机械强度和抗菌活性，为易腐水果的活性包装材料设计提供了绿色可行的策略，在采后保鲜领域具有广阔的应用前景。
