小麦麸皮纤维素纳米晶体与茶多酚协同增强纤维素基复合膜在水果保鲜中的应用

《Food Bioscience》：Synergistic Reinforcement of Cellulose-based Composite Films by Wheat Bran Cellulose Nanocrystals and Tea Polyphenols for Fruit Preservation

　　

摘要

从农业副产品小麦麸中提取出纤维素纳米晶，再与茶多酚结合到羧甲基纤维素基质中，从而制成一种兼具结构增强和保鲜功能的复合薄膜。通过氢键作用以及协同的界面相互作用，纤维素纳米晶与茶多酚在CMC基质中形成了紧密的网络结构，进而提升了薄膜的微观结构与整体性能。纤维素纳米晶增强了薄膜的机械强度和阻隔性能，而茶多酚则具有抗氧化和抗菌作用。在所测试的各种配方中，含有0.5%纤维素纳米晶和2.0%茶多酚的薄膜表现最佳，其抗拉强度为10.28 MPa，水接触角为55.62°。该薄膜还具备更好的热稳定性以及防潮、隔氧性能，同时对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有显著的抗菌效果。保鲜试验表明，在25℃条件下，这种复合薄膜能使草莓的可见变质情况延迟7天，香蕉的变质情况延迟6天。此外，它还能有效减少重量损失，延缓果实硬度和颜色的变化。本研究为小麦麸的高值利用、可降解包装材料的开发以及果蔬的绿色保鲜提供了参考。

引言

采后损耗是由呼吸作用、微生物感染以及水分流失等因素导致的，这是全球食品供应链中面临的一个严重问题，会给相关行业带来巨大损失并造成食物浪费（Q. Q. Jia, Lin, Yang, & Duan, 2024）。目前，以石油为原料的材料仍是食品包装中最常用的材料（Y. Xu, Deng, Ruan, Xu, & Zeng, 2024）。然而，这类材料不可生物降解，因此造成了严重的“白色污染”以及其他环境问题（Zhou, et al., 2023）。所以，研究新型环保包装材料是推动社会绿色发展的重要举措。

在众多可生物降解材料中，纤维素因其易获取、可再生、良好的生物相容性以及完全可降解的特性，被视为制备绿色包装的理想材料（Pillai, Eapen, Zhang, & Roy, 2024; Y. Xu, et al., 2024）。但纯纤维素薄膜通常机械强度不足，阻水性能较差，功能也较为有限，难以满足水果保鲜对包装材料的高要求，且缺乏有效的保鲜功能，无法有效延缓水果的变质（Ruan, Zhao, Zhang, & Zeng, 2024）。这些固有缺陷严重限制了纯纤维素薄膜在水果保鲜领域的应用潜力（Cabrera-Barjas, et al., 2025）。

为克服这些缺陷，研究人员通常采用两种策略：物理增强和化学功能化处理（Liu, et al., 2023）。一方面，引入纳米级增强相是提升基质性能的有效方法。其中，纤维素纳米晶是从纤维素中提取出的刚性纳米颗粒，具有较高的比表面积和结晶度，非常适合用于增强薄膜的性能（Dmitrenko, et al., 2025; L. Wang, et al., 2024; M. X. Wang, et al., 2024）。另一方面，添加功能性成分也是赋予包装材料特定功能的有效途径（Zhou, et al., 2023）。作为天然植物提取物，茶多酚具有广谱杀菌和抗氧化能力，将其添加到包装材料中，有望有效抑制水果表面微生物的生长，延缓氧化变质现象（Liu, et al., 2023; Yuan, et al., 2019）。

纤维素纳米晶的均匀分散状态以及它们与纤维素基质的界面相互作用，是决定其增强效果的关键因素；但如果纤维素纳米晶未能得到良好分散，就很容易发生团聚现象（Du, Shi, Luan, Wang, & Song, 2023）。此外，直接添加茶多酚也可能因为分子间作用力较弱，导致其容易迁移，功能持久性差，甚至会对薄膜的完整性产生负面影响（H. Chen, et al., 2025）。因此，人们提出了一种协同策略，旨在整合纤维素纳米晶和茶多酚各自的优点。近期研究显示，由于二者都含有大量的羟基，可以通过氢键等分子间作用力将它们结合在一起（Bian, et al., 2024）。这说明茶多酚可能起到桥梁作用，有助于改善纤维素纳米晶的分散状态。同时，纤维素纳米晶还可以作为茶多酚的固定载体，减缓其释放速度，从而实现机械增强功能和保鲜功能的同步优化（W. L. Zhang, Jiang, Rhim, Cao, & Jiang, 2022）。

在本研究中，以小麦麸为原料制备的纤维素纳米晶与茶多酚被用作功能组分，用于构建基于羧甲基纤维素的活性复合薄膜体系。研究的目的是开发一种兼具结构增强和保鲜功能的活性包装材料。通过对薄膜的微观结构、热性能、机械性能、吸水性、阻隔性能以及抗氧化和抗菌性能等进行系统分析，阐明了薄膜体系中纤维素纳米晶与茶多酚之间的相互作用及其协同增强机制。此外，还以草莓和香蕉作为模型水果，评估了该薄膜的实际保鲜效果。本研究可为农业副产品的高值利用、多组分活性包装材料的设计以及绿色保鲜技术的发展提供理论依据和实践参考。

章节节选

材料

纯度为98%的绿茶多酚购自上海源恩生物科技有限公司。羧甲基纤维素、溴化钾、LB液体培养基以及其他生物试剂则来自上海麦克林生化科技有限公司。小麦麸则购自北京宏润宝顺科技有限公司。无水乙醇、α-淀粉酶（4,000 U/g）、草酸、浓硫酸、氢氧化钠、冰醋酸、亚氯酸钠以及氯化钠

纤维素纳米晶的表征

图1展示了样品的扫描电子显微镜图像。可以看出，小麦麸经过了α-淀粉酶处理、碱处理以及漂白处理，分别去除了其中的淀粉、半纤维素和木质素。这样一来，就得到了一种纤维素含量较高且纤维直径明显变小的结构。在每个净化阶段，纤维素的含量都会显著增加，最终的小麦麸中的纤维素含量达到了90.5%（见表1）。这些结果表明，预处理和提取工艺是非常有效的

结论

通过混合酸水解法从小麦麸中制备出了纤维素纳米晶，随后将其与茶多酚一起加入基于羧甲基纤维素的活性薄膜中。傅里叶变换红外光谱的变化以及扫描电子显微镜观察结果表明，薄膜各组分之间的分子间相互作用得到了增强，兼容性也有所提高，这一过程很可能涉及氢键的作用。在所测试的条件下，纤维素纳米晶主要起到了结构增强的作用，而茶多酚则具有抗氧化和抗菌功能。在

作者贡献说明

刘晓：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化处理，方法设计，实验研究，概念构思。李茹萌：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化处理，方法设计，实验研究。崔莎：结果验证，软件应用，实验研究。王文佳：软件应用，实验研究。梁一平：软件应用，实验研究。张慧娟：项目监督，资源协调，资金申请，概念构思

未引用参考文献

Meng等人，2024年；Wang等人，2024年。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：32372365）以及北京科技商务大学的新兴交叉学科建设项目支持。

Xiao Liu|Rumeng Li|Sa Cui|Wenjia Wang|Yiping Liang|Huijuan Zhang

中国北京市100048，教育部北京科技商务大学老年营养与健康重点实验室