具有分级孔隙结构的血管微网络模板包装薄膜：辐射冷却、自增强与闭环可回收性

《Food Packaging and Shelf Life》：Vascular micro-network-templated packaging films with hierarchical porosity: Radiative cooling, self-reinforcement, and closed-loop recyclability

　　

摘要

开发兼具低能耗与环境兼容性的包装材料对于提高食品冷链效率并减少食品损失至关重要。在此，通过采用天然丝瓜络纤维作为基体，并利用碱性过氧化氢（AHP）处理选择性脱木质素以调节多尺度孔隙结构，以可扩展的方式制备了一种柔性丝瓜络纤维基辐射冷却膜（LRCF）。微米至亚微米孔隙增强了太阳散射，实现了 92.25% 的加权太阳反射率和 95.40% 的中红外发射率，达到了 6.70 ℃的低于环境温度冷却效果。丝瓜络固有的微网络提供了无需添加剂的坚固自增强作用，实现了 54.63 MPa 的拉伸强度。户外储存测试表明，LRCF 抑制了蘑菇和香蕉的水分流失、褐变和腐烂，性能优于商业包装材料，并对大肠杆菌。表现出 98.64% 的抗菌率。在水中，该膜可以快速重新分散成纤维浆料并重新形成均匀的纤维网络。此外，土壤埋藏测试确认了其显著的生物降解行为。这项工作展示了一种利用低成本植物纤维构建多功能可生物降解辐射冷却膜的可行方法，为绿色冷链包装和可持续食品保鲜提供了有前景的材料解决方案。

引言

全球食品供应链和冷链物流的迅速扩张使得低温储存和运输对于将食品从生产地运送至消费者变得日益关键。然而，传统冷链系统通常具有高能耗、高运营成本和强烈依赖电力的特点（Mustafa 等人，2024, Neusel 和 Hirzel，2022）。统计表明，全球约 20% 的电力消耗和 2.5% 的温室气体排放源于冷链活动（Dong 和 Miller，2021, Dupont，2019）。制冷设备带来的大量能耗和碳排放不仅增加了环境负担，还限制了其在偏远地区和电力接入受限区域的部署（Marchi 和 Zanoni，2022, 联合国环境规划署和联合国粮食及农业组织，2022）。此外，在强烈的太阳照射或波动的高温条件下，食品产品容易发生脱水、质量恶化及微生物变质，导致严重的资源浪费（Mercier 等人，2017, Munné-Bosch 和 Vincent，2019）。因此，开发一种无能耗、低成本且环保的保鲜策略对于实现绿色冷链运输和可持续发展具有重要意义。

近年来，温度管理包装被认为是减少食品冷链能耗和延长食品保质期的重要策略（Hu 等人，2026）。与依赖制冷设备的传统主动冷却系统不同，被动温度管理材料主要通过相变储能（Hu 等人，2025）、热绝缘（Chen 等人，2020）、蒸发冷却（Defraeye 等人，2023）和被动日间辐射冷却（Lei 等人，2024）等策略来调节温度，从而减少对外部能源的依赖。在这些策略中，被动日间辐射冷却（PDRC）技术近年来因其能够在无能耗的情况下实现自发的低于环境温度冷却而受到广泛关注（Raman 等人，2014, Zhao 等人，2019）。其基本机制依赖于材料的光谱选择性，这使得材料能够在 8–13 μm 的大气窗口内高效地向外太空辐射热能，同时通过高太阳反射率抑制太阳热增益（Yin 等人，2020, Zhai 等人，2017）。理想的辐射冷却材料应同时具有高太阳反射率和高红外发射率，以实现全天冷却性能。目前的研究主要集中在金属 - 介电多层膜（Rephaeli 等人，2013）、纳米光子结构（Fan 和 Li，2022）和多孔聚合物（Mandal 等人，2018）。虽然这些系统可以提供优异的冷却性能，但它们往往存在制备工艺复杂、成本高、成分不可生物降解以及大规模生产受限等问题，这阻碍了它们在食品包装等绿色应用中的应用。此外，关于辐射冷却材料在食品保鲜场景中的系统研究仍然稀缺，从而限制了其在冷链运输中的潜在部署。

与这些方法相比，天然植物纤维凭借其广泛 availability、低成本、可再生性和可生物降解性，为开发绿色辐射冷却材料提供了一条新途径。纤维素基材料本身具有低太阳吸收率和高红外发射率，其结构设计可以进一步增强光学散射效率（Jaramillo-Fernandez 等人，2022, Yan 等人，2025）。Zhang 等人开发了一种具有分级多孔结构的醋酸纤维素/ZnO 复合膜，具有高太阳反射率和高中红外发射率，实现了对金针菇和草莓等食品的零能耗保鲜（Zhang 等人，2023）。Chen 等人构建了一种多层 ZnO 纳米棒/纤维素膜 - 淀粉膜@越橘花青素复合材料，开发出一种集成了高效辐射冷却与新鲜度监测的可持续食品包装材料（Chen 等人，2023）。Ding 等人制备了一种柔性和抗紫外线的细菌纤维素复合膜用于日间辐射冷却，进一步展示了纤维素基材料在被动日间辐射冷却中的应用潜力（Ding 等人，2025）。然而，目前的纤维素基辐射冷却材料仍存在一些局限性。基于纳米纤维素、细菌纤维素或醋酸纤维素的系统通常需要相对复杂的制备、修饰或复合加工。此外，一些报道的材料依赖于无机填料，如 ZnO、TiO? 和 SiO?，以增强太阳散射或机械性能，这可能会损害其完全生物基的特性和可生物降解性。

丝瓜络纤维（LF）是一种源自植物维管束的天然多孔结构材料，主要由约 60–67% 的纤维素、17–30% 的半纤维素和 9–15% 的木质素组成（da Costa 和 Fajardo，2023, Tanobe 等人，2005）。与木浆纤维、传统纸质材料和纳米纤维素不同，丝瓜络纤维（LF）具有连续的三维互连维管束网络、高纤维素骨架含量和丰富的生物活性成分。这些独特的结构特征使 LF 能够作为构建多尺度光散射路径和自支撑机械网络的天然模板，从而同时提供简单的制备工艺、高光散射能力、固有机械增强、食品保鲜功能和可生物降解性。然而，目前丝瓜络纤维的应用主要集中在复合材料（Alhijazi 等人，2020）、污染物吸附（Anastopoulos 和 Pashalidis，2020）和生物医学材料（Baysan 等人，2022）方面，而其在辐射冷却食品包装材料中的应用鲜有报道。因此，本研究提出了一种基于天然丝瓜络纤维作为基本构建块的丝瓜络纤维基辐射冷却膜（LRCF）。通过利用其固有的三维互连网络结构、纤维素骨架和生物活性特征，并仅调节多尺度孔隙结构，所得 LRCF 同时集成了辐射冷却能力、机械坚固性、抗菌活性和可生物降解性。所得材料的加权太阳反射率高达 92.25%，在 8–13 μm 大气窗口内的平均发射率为 95.40%，从而实现了超过 6.7 ℃的被动日间冷却效果。同时，其优异的机械强度、抗菌活性和可生物降解性满足了水果和蔬菜等易腐食品在绿色冷链运输过程中的包装要求，显著提高了保鲜性能和能效。

章节摘要

材料

天然丝瓜络果实采自中国浙江省温州市。使用前，去除残留的种子和杂质，然后进行清洗和预干燥。氢氧化钠（NaOH，分析纯，≥96%）购自国药集团化学试剂有限公司（中国上海）。过氧化氢溶液（H₂O₂，30 wt%）购自阿拉丁生化科技股份有限公司（中国上海），在使用前用去离子水稀释至工作浓度（5 wt%）。

设计策略

为了制造用于绿色包装应用的丝瓜络纤维基冷却膜，材料设计应满足三个关键标准：(1) 在可见光范围内保持高反射率，同时在中红外区域表现出强发射率，以实现有效的被动辐射冷却；(2) 具有足够的机械性能和工艺可扩展性，以便在宏观尺度上稳定构建；以及 (3) 具有良好的环境兼容性，使其适用于

结论

本研究报道了一种基于天然丝瓜络纤维的柔性辐射冷却膜的制备。通过 AHP 预处理构建的多尺度多孔结构赋予了材料 92.25% 的高太阳反射率和 95.40% 的中红外发射率，实现了稳定的被动日间冷却。丝瓜络纤维固有的微网络结构提供了坚固的机械稳定性，无需额外的增强剂，LRCF-6 展现出拉伸强度为

CRediT 作者贡献声明

Weina Guo: 撰写 – 原稿，软件，方法论，数据整理，构思。He Zhu: 可视化，软件，数据整理。Liyao Cao: 验证，方法论，资金获取。Hua Shen: 资源，资金获取，正式分析。Guangbiao Xu: 验证，监督，资源，资金获取。Wenliang Xue: 监督，资源，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些情况可能会影响本研究中报告的工作。

致谢

本工作得到了浙江省自然科学基金（项目编号 LQN26E030045）、上海市教育委员会人工智能增强研究项目（项目编号 SMEC-AI-DHUY-02）、上海市自然科学基金（项目编号 24ZR1402100）以及中央高校基本科研业务费（项目编号 2232024D-07）的支持。

Weina Guo|He Zhu|Liyao Cao|Hua Shen|Guangbiao Xu|Wenliang Xue

教育部纺织科学与工程重点实验室，东华大学纺织学院，中国上海 201620