基于生物基木薯淀粉膜富集椰子衍生物（*Cocos nucifera* L.）和非洲罗勒（*Ocimum gratissimum*）精油的建模与优化——基于其阻隔和机械性能

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Modeling and Optimization of Bio-Based Cassava Starch Film Enriched With Coconut Derivatives (Cocos nucifera L.) and Ocimum gratissimum Essential Oil Based on Its Barrier and Mechanical Properties

　　

食品的一般采后品质，尤其是蔬菜等极易腐烂产品，是当今的主要关注点。本研究旨在利用响应面法（Box–Behnken设计）开发一种掺入天然物质的木薯淀粉基薄膜配方，用于食品保鲜。自变量为非洲罗勒（*Ocimum gratissimum*）精油（OEO）浓度、脱脂椰子粉（DCF）和初榨椰子油（VCO）百分比。第一部分重点生产计划中指定的15种不同成分的配方。第二部分是根据薄膜性能确定最优薄膜。结果显示，这些变量对所有薄膜特性均有显著影响（*p* ≤ 0.05）。此外，OEO（0.7 至 0.8 mg/L）和DCF（*Cocos nucifera* L.）（0% 至 10%）分别影响薄膜的拉伸强度和厚度。精油对薄膜的拉伸强度具有二次效应。此外，VCO（0% 至 10%）的掺入显著降低了薄膜的水蒸气透过率（1.605 × 10^-10 至 3.9 × 10^-11 g/s·Pa·m）和断裂伸长率（12% 至 34%）。薄膜制备的最优配方包含0.80 mg/L OEO、6% DCF和4% VCO。X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）测试表明，最优薄膜配方中的组分通过氢键或离子键相互作用，且这些相互作用改变了材料结构，将其从无定形网络转变为结晶重排结构。这些发现为薄膜性能与生产所用组分之间复杂的相互作用提供了宝贵见解。可使用该配方制备食品涂层薄膜，用于蔬菜保鲜。

**论文解读文章**

**研究背景**

当前，食品采后品质维持，尤其是蔬菜等极易腐烂产品的保鲜，是食品工业面临的重大挑战。合成聚合物包装材料虽广泛使用，但其不可生物降解性带来了严重的环境问题。因此，开发基于天然生物聚合物（如淀粉）的可降解、安全且无毒的可食性薄膜成为研究热点。木薯（*Manihot esculenta* Crantz）淀粉因其来源广泛、成本低廉且成膜性好而备受关注。然而，纯淀粉膜具有强烈的亲水性，导致其水蒸气阻隔性能差，机械性能（如拉伸强度）不足，限制了其在食品保鲜中的应用。为克服这些局限，研究人员通常会采用聚合物共混、添加增塑剂、纳米粒子、天然提取物或生物活性成分等策略。其中，掺入天然植物提取物（如精油和植物油）被认为是改善淀粉膜功能特性的有效途径。非洲罗勒（*Ocimum gratissimum*）精油（OEO）富含丁香酚、百里香酚等酚类化合物，具有抗菌和抗氧化活性，并能降低薄膜的水蒸气透过率。初榨椰子油（VCO）作为一种天然增塑剂，富含中短链脂肪酸（特别是月桂酸），可改善薄膜的疏水性和机械性能。脱脂椰子粉（DCF）富含纤维素纤维，可作为增强填料，提高薄膜的硬度和结构致密性。然而，目前对于OEO、VCO和DCF三种成分在木薯淀粉基质中的协同作用及最优配比研究尚不充分。因此，本研究旨在利用响应面法（RSM）系统优化这三种天然物质的组合，以制备兼具优异阻隔性能和机械性能的生物基复合薄膜，为蔬菜保鲜提供可行方案。该论文发表在《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》。

**研究内容与结论**

研究人员通过响应面法（Box–Behnken设计）对基于木薯淀粉、富集OEO、DCF和VCO的薄膜配方进行建模与优化，系统考察了三种自变量对薄膜厚度、水蒸气透过率、拉伸强度和断裂伸长率的影响，并通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对最优薄膜进行了结构表征。结论表明，最优薄膜配方（0.80 mg/L OEO、6% DCF、4% VCO）具有较低的厚度（0.14 mm）和水蒸气透过率（1.5×10^-10 g/s·Pa·m），以及适中的拉伸强度（2.87 MPa）和断裂伸长率（25.07%），显示出作为蔬菜保鲜涂层的潜力。成分相互作用诱导了淀粉基质从无定形向V型结晶重排（如直链淀粉-脂质包合物），增强了薄膜的阻隔性和机械性能。

**关键技术与方法**

本研究主要采用了响应面法（Response Surface Methodology, RSM）中的Box–Behnken设计（BBD）进行实验设计和优化。通过该设计，研究人员建立了自变量（OEO浓度、DCF百分比、VCO百分比）与因变量（薄膜厚度、水蒸气透过率、拉伸强度、断裂伸长率）之间的二次多项式数学模型。利用X射线衍射（XRD）分析薄膜的晶体结构及结晶度指数（CI%），通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析薄膜中化学键的相互作用。样本来源：木薯（Olekanga品种）来自科特迪瓦Dimbokro市附近的Kangrassou-Aluibo；椰子（*Cocos nucifera* L.）购自当地市场；非洲罗勒（*Ocimum gratissimum*）叶片在实验室干燥后水蒸馏提取精油。

**研究结果**

**3.1. 薄膜特性的调整与预测建模**

通过BBD获得15种配方，薄膜厚度（TH）范围为0.08–0.22 mm，水蒸气透过率（WVP）为4.519×10^-11–1.5613×10^-10 g/s·Pa·m，拉伸强度（TS）为1.147–3.464 MPa，断裂伸长率（EAB）为15.118%–30.856%。模型拟合良好（*p* > 0.05失拟项不显著），决定系数R²均在0.87以上，表明模型预测能力可靠。线性、交互和二次项的*p*值分析显示：OEO（X₁）及其二次项（X₁²）显著影响TS；DCF（X₂）显著影响TH和TS，其二次项（X₂²）显著影响EAB；VCO（X₃）显著影响WVP和EAB；X₁X₃交互作用显著影响EAB。

**3.2. 生产参数对薄膜特性的影响**

**3.2.1. 厚度（TH）**：研究通过三维响应面图发现，DCF是影响TH的最主要因素，其增加导致TH显著降低（系数负值），归因于纤维填充使基质更致密。VCO对TH有轻微增加作用，而OEO浓度增加在中间水平有一定增厚效应。最优TH（<0.3 mm）符合食品包装要求。

**3.2.2. 水蒸气透过率（WVP）**：VCO是降低WVP的最主要因素，因其高含量饱和脂肪酸（尤其月桂酸）形成直链淀粉-脂质复合物，增加基质疏水性和曲折度。DCF通过纤维素纳米晶体的抗塑化效应和增加扩散路径曲折度降低WVP。OEO通过酚类化合物与淀粉的氢键作用减少亲水位点，降低WVP。

**3.2.3. 拉伸强度（TS）**：OEO浓度增加显著提高TS（线性系数正），但存在二次效应，过高浓度会因破坏淀粉自身相互作用而降低TS。DCF增加显著降低TS（线性系数负），因纤维含量高时发生团聚、弱化了应力传递。VCO降低TS但不显著，其塑化效应使膜变软。

**3.2.4. 断裂伸长率（EAB）**：VCO是降低EAB的最主要因素（线性系数负且绝对值大），因其疏水脂质相破坏了基质的连续性和柔韧性。DCF的二次效应（正）表明在中等含量（2%–6%）时EAB降低最显著，高含量时因纤维分散不均导致脆性增加。OEO对EAB影响较小，呈负相关。

**3.3. 涂膜配方优化与验证**

通过期望函数（DI=0.76）获得最优配方：OEO 0.80 mg/L、DCF 6%、VCO 4%。验证实验表明预测值与实测值一致（R²=0.91，*p* ≥ 0.05），模型有效。实测TH=0.14 mm，WVP=1.52×10^-10 g/s·Pa·m，TS=2.87 MPa，EAB=25.07%。

**3.4. X射线衍射（XRD）分析**

对照膜（FC）显示较宽的衍射峰（14°，17°，21°），为B型淀粉结构，具有高无定形性（结晶度CI%=23.06%）。最优膜（FOP）出现新的衍射峰（9°，13°，17°，20°，23°），其中9°和20°峰为V型直链淀粉-脂质包合物特征，13°和23°峰分别指示V型晶体和纤维素纤维。FOP的CI%上升至37.35%（增加162%），表明掺入OEO、VCO和DCF促进了结晶重排，形成更有序的结构。

**3.5. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析**

FOP与FC相比，羟基（O–H）吸收峰（~3270 cm^-1）向高波数蓝移至3288 cm^-1且强度减弱，表明氢键减弱、基体疏水性增加；C–H伸缩峰（2800–3000 cm^-1）增强，显示大量饱和脂肪酸（如月桂酸）引入；在1744 cm^-1出现尖锐的羰基（C=O）峰，证明油相成功乳化及DCF中半纤维素的存在。1022 cm^-1和1047 cm^-1处的吸光度比值（R_1047/1022）在FOP中显著升高（0.651 vs 0.643），表明有序结构增加，支持V型包合物形成。

**总结讨论与结论**

研究通过系统优化，成功制备了基于木薯淀粉并复配OEO、DCF和VCO的复合膜，系统阐明了各组分对薄膜阻隔与机械性能的贡献及相互作用机制。DCF是影响厚度、拉伸强度和断裂伸长率的最主要因素，VCO主要降低水蒸气透过率和断裂伸长率，OEO主要影响拉伸强度。最优配方（0.80 mg/L OEO、6% DCF、4% VCO）所得薄膜具有低厚度、低水蒸气透过率、适中的拉伸强度和断裂伸长率，在蔬菜保鲜领域展现出应用潜力。XRD和FTIR分析证实，成分间的氢键、离子键及疏水相互作用导致淀粉基质从无定形态向V型结晶重排，这是性能改善的结构基础。

**结论**：本研究旨在优化基于木薯淀粉并掺入天然物质的复合膜配方。脱脂椰子粉（DCF）是影响本研究中薄膜厚度、拉伸强度和断裂伸长率的主要因素。此外，所有考虑的因素（OEO、DCF和VCO）对薄膜的阻隔和机械性能具有不同影响。所得薄膜具有低厚度（0.14 mm）和约1.5×10^-10 g/s·Pa·m的水蒸气透过率。这些数值表明其具有减少水分流失的良好能力，同时保持气体交换的良好平衡。此外，断裂强度（2.87 MPa）和断裂伸长率（25.07%）的值表明在强度和柔韧性之间达到了最优折中，这是确保整个储存期间有效保护的关键特性。这些结果可用于制备科特迪瓦蔬菜保鲜用的可食性薄膜。