通过超临界二氧化碳技术将丁香酚、百里酚、β-香叶醇及其混合物浸渍到可持续的醋酸纤维素珠中，用于控制微生物和害虫

《International Journal of Biological Macromolecules》：Sustainable cellulose acetate beads impregnated with eugenol, thymol, β-citronellol, and their mixtures via supercritical carbon dioxide for microbial and pest insect control

生物可降解纤维素乙酸微球通过超临界CO2浸渍法负载植物精油成分，有效抑制储藏豆类害虫并控制活性成分释放。摘要：采用超临界CO2浸渍技术开发了负载丁香油、百里香酚和β-柠檬烯的纤维素乙酸微球，成功实现7.5wt%的高负载率，材料孔隙率降低至0.2μm，并展现出显著的抗菌和驱虫效果，为可持续食品储存提供新方案。

　　

作者：Stoja Milovanovic、Darka Markovi?、Darka ?e?lija Jovanovi?、Aleksandra Dap?evi?、Danijela Mi?i?、Jelica Lazarevi?、Ivana Lukic

塞尔维亚贝尔格莱德大学技术学院与冶金学院，Karnegijeva 4号，11120，贝尔格莱德

摘要

豆类作物在收获后的损失主要是由于微生物污染和害虫侵袭造成的，这对粮食安全和可持续储存系统构成了重大挑战。本研究采用环境友好的超临界浸渍工艺，开发出了可生物降解的纤维素醋酸酯珠（CA_B）作为保护豆类的功能性材料。将丁香酚、百里酚、β-香叶醇及其混合物掺入CA_B中，3小时内可实现最高7.5%的负载量。浸渍过程显著降低了材料的平均孔径（从约0.5微米降至0.2微米），表明聚合物基质发生了结构变化。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC/TGA）分析证实了这些生物活性化合物的成功掺入及其与纤维素醋酸酯的相互作用。所得材料能够在25°C下持续释放活性化合物超过一个月，符合实际的储存条件。生物学评估显示其具有有效的抗菌活性，并对干豆甲虫具有显著的抑制效果。总体而言，这项工作为基于碳水化合物的材料的组成-结构-生物活性关系提供了新的见解，同时展示了超临界CO₂辅助浸渍技术在开发食品储存功能性材料方面的潜力。

引言

纤维素醋酸酯（CA）是一种可生物降解的碳水化合物聚合物，来源于最丰富的天然多糖——纤维素，兼具可再生性、加工性和环境兼容性等优点[1][2][3]。通过控制取代度和加工条件，可以精细调节其物理化学性质，如疏水性、孔隙率和机械强度[4][5][6]。正是由于这种多功能性，CA被广泛应用于多个领域，包括水净化膜、气体分离、食品新鲜度监测以及全天候辐射冷却[5][7][8][9][10][11]。基于CA的材料还应用于生物医学设备和药物输送系统、食品工业的包装材料，甚至作为生物活性化合物的控制释放基质[1][12][13][14]。将生物活性成分通过超临界二氧化碳（SC-CO₂）辅助浸渍技术掺入CA基质中，可以扩展其功能。这种方法因其无需溶剂、加工条件温和且能高效将活性化合物输送到多孔结构中而受到广泛关注[13][15][16][17]。此外，天然生物活性化合物（NBCs）的掺入还能改善材料对环境条件的高敏感性及挥发性问题，并实现受控释放和活性[18][19]。因此，超临界浸渍技术在将NBCs掺入不同基质（如聚酰胺、聚乳酸和聚乙烯）中具有广泛应用前景，尤其是在食品包装领域[15][20][21][22][23][24][25]。然而，针对基于多糖的基质（尤其是CA）的研究仍较为有限[16][17]。据我们所知，尚未有关于丁香酚、β-香叶醇及其混合物的超临界浸渍研究。以往的研究主要集中在使用百里酚或香芹酚浸渍的CA作为抗菌材料[26][27][28][29]。 因此，本研究探索了一个未开发的领域，通过展示在相对较短的时间内生产出含有丁香酚、百里酚和β-香叶醇（单一成分及其混合物）的生物活性CA基材料，强调了所选生物活性成分在浸渍过程中的作用、材料的物理化学性质、受控释放效果以及对害虫的抑制效果。丁香酚来自丁香精油（EO），百里酚富含于百里香精油中，而β-香叶醇则大量存在于香茅精油中，这些成分均具有环境友好性、可生物降解性和强生物活性[11][19][30][31]。精油成分已知具有抗菌、杀虫、熏蒸或驱虫作用[32][33]。本研究的一个假设是探索这种材料的新型应用——即保护储存中的豆类免受害虫侵害。另一个假设是，含有多种生物活性化合物混合物的CA材料比仅含单一成分的CA材料具有更强的生物活性，因为混合物通常表现出协同效应[11][15][30][34]。 豆类的保护尤为重要，因为储存过程中虫害会严重损害其营养价值和经济价值。害虫通过直接取食减少豆类数量，降低种子质量和发芽潜力，同时降低市场接受度。虫害还会加速微生物污染，导致变质；物理损伤（如穿孔）也会降低消费者接受度和商业价值。因此，有效的保护措施对于减少食物浪费、保障农民收入和稳定食品供应至关重要。此类保护策略必须对人类和环境安全，以避免合成农药带来的资源浪费、环境污染和健康问题[35]。 本研究选择Phaseolus vulgaris（菜豆）作为模型，因为它是全球最广泛消费的可食用豆类作物之一，是淀粉、蛋白质和必需营养素的主要来源[36][37]。所制备材料的生物效果通过对抗干豆甲虫（一种主要的豆类储存害虫）进行了评估[38]。然而，这种害虫不仅限于P. vulgaris，还会侵害其他菜豆属物种（如P. lunatus、P. coccineus、P. acutifolius）以及豆科家族中的多种豆类作物（如鹰嘴豆、大豆、扁豆、豌豆、蚕豆），以及Vigna属植物（V. angularis、V. unguiculata、V. radiata等）和Cajanus cajan[39]。此外，本研究中使用的生物活性化合物已被证明对其他害虫（如Sitophylus oryzae、S. granarius、S. zemais、Tribolium castaneum、Rhyzopertha dominica、Callosobruchus maculatus、Ephestia kuehniella等）具有控制效果[33]。因此，虽然选择菜豆和干豆甲虫作为代表性和经过实验验证的模型，但所提出的材料概念具有普遍适用性，可扩展到其他储存豆类的保护。本研究开发的基于CA的材料为豆类的收获后保护提供了一种可持续且环保的解决方案。 据我们所知，这是首次报道使用丁香酚、β-香叶醇及其混合物对CA进行超临界浸渍以生产抗害虫生物活性材料的研究。通过分析（GC/MS和FTIR）、形态学（FESEM）、热分析（DSC和TGA）、功能测试（空气中的受控释放）和生物学测试（抗菌和昆虫行为）评估了基于碳水化合物聚合物的材料组成-性质-生物活性之间的关系。

材料

纤维素醋酸酯珠（CA_B，分子量n=18,000–19,000，乙酰含量32.0%，取代度1.8）购自Eastman（美国）。丁香酚（纯度99%）、百里酚（纯度>99%）和β-香叶醇（纯度95%）购自Sigma Aldrich（德国）。商业二氧化碳（纯度99.9%）由Messer-Tehnogas（塞尔维亚）提供。GC/MS测试使用的氦气（纯度99.999%）和甲醇（纯度96%）购自J.T.Baker（挪威）。

含有天然生物活性化合物的纤维素醋酸酯珠

在30 MPa压力和50°C温度下，经过3小时浸渍过程后进行0.5小时减压处理，使用所提出的GC/MS方法检测结果显示，百里酚在CA_B中的负载量略高（?5.4 g/100 g样品），但这一数值与丁香酚和β-香叶醇相比并无统计学差异。

结论

通过超临界浸渍工艺，在相对较短的3小时时间内制备出了含有丁香酚（E）、百里酚（T）和β-香叶醇（C）（这些成分存在于植物精油中）及其混合物的纤维素醋酸酯珠（CA_B）。天然生物活性化合物的掺入增加了它们在CA_B中的负载量，CA?+?E?+?T和CA?+?E?+?T?+?C样品的负载量分别达到7.2 g/100 g和7.0 g/100 g。结果表明，浸渍过程有效地改变了材料的性质。

作者贡献声明

Stoja Milovanovic：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目管理、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念化。 Darka Markovi?：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、研究实施、数据分析。 Darka ?e?lija Jovanovi?：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、研究实施、数据分析。

资助

本研究得到了塞尔维亚共和国科学基金（Program: Proof of Concept，项目编号：12929）的支持。此外，还得到了塞尔维亚共和国科学技术创新部（合同编号：451–03-34/2026–03/200135、451–03-33/2026–03/200007、451–03-33/2026–03/200017）的资助。

利益冲突声明

本手稿的结果符合联合国2030年可持续发展目标3（良好健康与福祉）的要求。

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Safic-Alcan Adriatic d.o.o.（塞尔维亚）的Branka Krsti? Paukovi?在获取纤维素醋酸酯珠方面提供的帮助。