基于温和水热与碱预处理的芒果全副产物零废弃增值转化为差异化功能包装薄膜

《Biomass and Bioenergy》：Zero-waste valorization of whole mango byproducts into distinct functional packaging films via mild hydrothermal and alkaline pretreatments

　　

研究人员将芒果加工工业副产物全组分（果皮与精修果肉PeP、种仁SeK、种皮SeT）经温和水热预处理（HTP，121 °C、0.5 h、纯水）或稀碱预处理（DALP，0.06 mol L?1 NaOH）后，不分离固液直接成膜，并结合羧甲基纤维素（CMC）增强，成功将各组分升级回收为生物基包装薄膜。分级表征表明，两种预处理诱导了组分特异性分配：HTP更利于保留还原糖与糖苷结构，DALP促进果胶酯皂化、蛋白质水解与脂肪皂化。PeP富果胶、SeK富淀粉/脂质/蛋白、SeT富半纤维素/纤维素/木质素，成膜行为各异——SeT单独不成膜，SeK经DALP成膜性优于HTP，PeP与重组PePSe均可成膜。所得薄膜均具近全紫外屏蔽与显著抗氧化活性，部分含CMC薄膜对E. coli与S. aureus具抑菌圈。该简易生物炼制路径无需酸提取、不产生额外残渣，实现了芒果副产物零废弃转化。

研究背景与立项依据

全球芒果加工量巨大，果汁制造产生占果重最高达60%的果皮（Pe）与种子（Se）副产物，传统思路多聚焦于单一多糖（果胶、淀粉、半纤维素）或纳米材料（CNC、SNC）的分离提取，或直接将副产物粉体掺入聚乳酸（PLA）等基体，前者因酸法提取带来高水耗能耗与二次残渣，后者受限于高添加量劣化力学性能。已有综合利用于生物塑料的尝试仍依赖酸性工艺，生命周期评价显示环境负担显著。基于此，研究人员提出以绿色溶剂、低能耗、全组分利用为原则的简易生物炼制策略，采用温和水热预处理（HTP）与稀碱预处理（DALP）对Palmer芒果浓缩汁厂副产物（PeP、SeK、SeT）进行整浆转化，制备具差异功能剖面的食品包装薄膜，推动副产物循环增值。

主要技术方法

研究人员以巴西COAGROSOL提供的Palmer芒果浓缩汁工业副产物为样本，手动分离为PeP（32.3%）、SeK（45.1%）、SeT（22.6%，烘干基），粉碎过0.5 mm筛。分别配制5% w/w悬浮液，HTP于121 °C（1.2 kgf cm^?2）处理30 min，DALP用0.06 mol L^?1 NaOH同条件处理；固液两相经离心分离后分别做X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、还原糖、乙醇沉淀固体（EPS）、总酚（TPC）分析。成膜时取整浆（不调pH、不纯化），加30% w/w_MBP甘油，DALP体系另加10% w/w_MBP CMC作粘结剂，均质脱气后流延于PET板、50 °C干燥20 h。薄膜表征涵盖扫描电镜（SEM）、拉伸（TS/EB，ASTM D882）、水蒸气透过率（WVP，ASTM E96）、接触角（WCA）、紫外-可见透光（UVB/UVA屏蔽率、可见光透射T_Vis）、ABTS/DPPH抗氧化、总酚及抑菌圈法（E. coli ATCC 25922、S. aureus ATCC 25923）。

研究结果

3.1 原料副产物表征

研究人员测得PeP提取物达64%（富果糖/葡萄糖/蔗糖、类胡萝卜素、多酚），含14%果胶；SeK含55%葡聚糖、14%淀粉、5.7%蛋白、8.1%己烷提取物（油酸为主）；SeT含21%纤维素、9.4%半纤维素、23.1%木质素。XRD中SeT呈纤维素I型峰，SeK呈淀粉A型结晶，PeP因高提取物呈弥散峰。FTIR印证各组分特征官能团：SeK 1743 cm^?1酯羰基与1540 cm^?1酰胺II带并存，SeT 1510/1608 cm^?1木质素芳香骨架明显，PeP 1736 cm^?1归果胶酯键。

3.2 预处理诱导的结枃变化与固液分配

HTP后SeT固收率62.3%、PeP 24.3%、SeK仅22%，结晶度（CI）SeT/PeP升高（非晶提取物溶出）、SeK下降（淀粉糊化凝胶转入液相）。液相中PeP-HTP还原糖17.2 g_GlcE L^?1最高，SeK-HTP的EPS达31.7 g L^?1（淀粉主导）。DALP使pH更低、果胶酯皂化（1608/1424 cm^?1羧酸盐带增强），SeK蛋白酰胺带消失、脂类信号入液相；SeT酯键1730 cm^?1消失，留纤维素-木质素骨架。HTP更保糖与糖苷完整性，DALP更彻底脱蛋白脱脂并活化酚类溶出。

3.3 薄膜表征

3.3.1 形态学

SeT单组不成膜；SeK-DALP成均质膜而SeK-HTP粘板脱落；PeP与PePSe两预处理均可成膜，DALP-CMC版裂纹减少。SEM显示SeK膜表面平滑但截面含油相微区（亮边暗腔），PeP/PePSe膜粗糙、含横向微裂，HTP膜因低分子糖增塑裂纹少于DALP，CMC作大分子粘结剂抑裂。

3.3.2 拉伸性能

DALP-PeP与DALP-PePSe的TS高于HTP对应膜（DALP液相寡糖少、SeT纤维界面增强）；SeK-DALP-CMC膜TS满足操作需求。EB未显糖增塑预期，受脂质微区与微裂竞争影响。

3.3.3 水相互作用与光学

WVP以SeK膜较低（脂质与淀粉连续相），PeP膜较高；WCA显示PeP膜较亲水、SeK膜较疏水。所有膜S_UVB与S_UVA近100%，T_Vis随色素/木质素负载降低，PePSe-DALP-CMC呈深棕近不透明。

3.3.4 抗氧化与抗菌

含CMC膜TPC达1.4–2.7 g_GAE L^?1级迁移量，AA_ABTS 与 AA_DPPH 显著（Trolox当量μ mol g^?1_DW），PeP源膜因多酚高而最优；抑菌圈显示DALP-CMC膜对两菌均有抑制环，归酚类与CMC协同非特异作用。

讨论与结论翻译

讨论指出，相较酸法多产物提取与纳米材料路线，HTP/DALP整浆成膜规避了纯化废液与高碳排；DALP因脱蛋白脱脂、皂化果胶更利连续相形成，HTP适保糖但SeK易粘板。PePSe体系以果胶-淀粉为连续基质、SeT微纤为生物增强相，实现全副产物流向单一薄膜无剩余渣。结论：芒果果汁厂全副产物经HTP或DALP整浆流延可零废弃转化为具近全UV屏蔽、可调力学/水阻/抗氧化剖面的功能包装薄膜；稀碱预处理配合10% CMC最适平衡成膜性与强度；该策略可扩展至其它果废生物炼制。论文发表于《Biomass and Bioenergy》。