《Foods》：Reinforced Chitosan Active Film with Deep Eutectic Solvent and Chestnut Shell Extract: Physicochemical Characteristics, Structure, and Application in Strawberry Preservation
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本研究制备了由壳聚糖（CH）、低共熔溶剂（DES）和板栗壳提取物（CSE）组成的三元复合活性包装膜，并对其理化性质、结构特征及在草莓保鲜中的应用进行了研究。结果表明，DES氢键网络可能促进CSE与CH之间的相互作用，增强相容性与稳定性。当CSE添加量为5%时，
本研究制备了由壳聚糖（CH）、低共熔溶剂（DES）和板栗壳提取物（CSE）组成的三元复合活性包装膜，并对其理化性质、结构特征及在草莓保鲜中的应用进行了研究。结果表明，DES氢键网络可能促进CSE与CH之间的相互作用，增强相容性与稳定性。当CSE添加量为5%时，抗氧化活性（DPPH：80.49%，ABTS：86.69%）和抗菌活性（对大肠杆菌（Escherichia coli）的抑菌圈直径（AZD）为27.61 mm，对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）为27.15 mm）达到最大值。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明CSE与聚合物基质之间存在氢键作用。X射线衍射（XRD）结果表明，CSE的添加提高了膜基质的结晶度，而扫描电子显微镜（SEM）显示其促进了致密结构的形成。分子对接结果提供了计算层面的证据，表明DES可能作为连接CH和CSE的界面桥梁。令人满意的是，经CH–DES–CSE-5%膜处理后，草莓的货架期显著延长。储存8天后，其腐烂率（36.67%）显著低于对照组（96.67%），原始品质指标得到良好保持。本研究为板栗壳废弃物的资源化利用及基于CSE的活性食品包装材料的开发提供了理论基础。
论文解读：基于低共熔溶剂与板栗壳提取物的壳聚糖活性膜在草莓保鲜中的应用
一、研究背景与意义
采后水果因温度、光照、氧气及微生物等多种因素的作用，极易发生腐烂和商业价值损失。据统计，全球每年有25%–50%的采后水果因保鲜策略不足而腐烂，造成严重的资源浪费和经济损失。传统保鲜手段包括石油基塑料包装、物理处理（如臭氧处理、高压处理）及化学防腐剂（如甲醛、硫酸铜、山梨酸钾、亚硝酸盐等），这些方法虽能在一定程度上延长水果货架期，但存在操作复杂、设备成本高、部分添加剂有害等局限，且与可持续发展理念相悖。因此，开发安全、可生物降解且多功能化的绿色活性包装材料已成为水果保鲜产业的迫切需求。
在众多天然生物聚合物中，壳聚糖（CH）因具有良好的生物活性、天然广谱抗菌效果、无毒性和优异的可降解性，被视为理想的成膜材料。然而，纯壳聚糖膜在抗氧化、抗菌及紫外阻隔性能方面存在明显不足，限制了其在活性食品包装中的实际应用。将多酚类化合物（如板栗壳提取物，CSE）掺入成膜液是增强膜抗氧化和抗菌性能的有效策略。板栗壳约占板栗总重量的10%，常作为废弃物丢弃，造成环境压力和资源危机。前期研究已从板栗壳提取物中鉴定出36种化合物，其中包含28种酚类化合物，表现出优异的抗氧化活性。然而，多酚与壳聚糖之间的分子间相互作用较弱，界面相容性差，易在膜体系中发生聚集和相分离，导致膜力学强度、结构致密性和阻隔性能下降。传统增塑剂（如甘油、离子液体）虽能改善力学性能，但无法提升多酚与基质的界面相容性，且存在潜在毒性或成本效益差等问题。
低共熔溶剂（DES）由氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）通过氢键作用形成，具有环境友好、成本低廉、对多糖溶解度高、可生物降解等优点。氯化胆碱（ChCl）是常用的廉价、无毒HBA。研究表明，基于氯化胆碱的DES可作为高效增塑剂显著改善壳聚糖膜的力学性能，同时DES还能通过多重氢键作用对多酚表现出优异的溶解和分散能力。理论上，DES兼具增塑基质和多酚分散剂的双重功能，有望作为氢键桥接介质，调控壳聚糖基质的力学性能并改善多酚与基质的界面相容性。然而，目前DES在壳聚糖膜中的应用仍主要局限于增塑剂角色，关于DES介导板栗壳多酚在壳聚糖膜体系中均匀分散的研究鲜有报道。因此，本研究采用氯化胆碱–乳酸DES作为潜在氢键桥接介质，制备CH–DES–CSE三元复合活性膜，系统表征其理化性质、微观结构及抗氧化抗菌活性，并评估最优膜对采后草莓的保鲜效果。该研究为板栗壳废弃物的高值化利用及CSE基活性食品包装材料的开发提供了理论基础。论文发表于《Foods》。
二、主要技术方法
研究人员采用溶剂浇铸法制备复合膜：将壳聚糖溶于1%稀乙酸，加入60 wt% DES（基于CH干重）及不同含量（1%、3%、5%）的CSE，干燥成膜。CSE通过超声辅助乙醇提取获得。表征手段包括：色度计测定颜色、紫外–可见分光光度计测定光学性能、电子拉力试验机测定力学性能、气体透过分析仪测定阻隔性能、接触角分析仪测定水接触角、热重分析仪（TGA）评估热稳定性、扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团、X射线衍射（XRD）表征结晶度，并采用AutoDock进行分子对接模拟。抗菌活性通过牛津杯法测定，抗氧化活性采用DPPH和ABTS自由基清除实验评估，生物安全性通过绿豆芽萌发实验验证。草莓保鲜实验在25 °C下进行8天，监测腐烂率、失重率、硬度、pH和可滴定酸度等品质指标。
三、研究结果
3.1 膜的表征
颜色与光学性能方面，随着CSE含量从1%增至5%，膜颜色由浅黄色逐渐变为浅红棕色，L值逐渐降低，a、b*、ΔE和不透明度值呈上升趋势。5% CSE添加时膜表面出现可见的不均匀着色，归因于CSE组分的局部聚集。紫外–可见透射光谱显示，CSE添加显著降低了200–350 nm波段的紫外透射率，5%添加量时几乎降至零，这归因于CSE中多酚和黄酮类化合物的紫外吸收效应，增强了膜的紫外阻隔能力。
力学性能方面，断裂伸长率（EB）随CSE含量增加逐渐下降，而拉伸强度（TS）在3% CSE添加时达到最大值22.99 MPa，显著高于CH–DES对照组，归因于DES介导的CSE最佳分散及CSE、CH、DES间增强的分子间相互作用形成的致密内部网络。更高浓度下，过量CSE在膜基质中聚集形成结构缺陷，导致力学强度下降。纯CH–DES膜表现出最大EB值85.60%，3% CSE添加后降至55.93%，相对下降34.66%，原因是CSE颗粒填充了膜基质内部空隙，且CH与CSE间新形成的氢键限制了链段运动。
气体阻隔性能方面，CSE添加对氧和水蒸气阻隔性能产生不同影响。CH–DES–CSE-1%膜获得最低的透氧系数（OP），而CH–DES–CSE-3%样品观察到最低的水蒸气透过系数（WVP）。适量CSE添加增加了膜厚度，延长了氧和水蒸气分子的曲折扩散路径；同时CSE与壳聚糖氨基或羟基间形成的氢键增强了分子间作用力，减少了聚合物自由体积，延缓了气体扩散。然而，5% CSE添加导致OP和WVP均显著上升，尽管膜厚度继续增加，说明不利的结构缺陷超过了厚度增加带来的阻隔收益，CSE分散不良和局部聚集恶化了阻隔性能。
含水量（MC）和水溶性（WS）方面，CSE添加后MC呈明显下降趋势，下降幅度为12.83%–15.83%，可能归因于CSE与CH和DES结合取代了水分子，或CSE中酚类化合物与CH–DES的羟基和氨基间强烈的分子间相互作用限制了水分子的结合。WS随CSE含量增加呈上升趋势，可能是CSE中亲水性化合物（如儿茶素和表儿茶素）破坏了CH–DES致密的氢键网络，促进水分子渗入基质。
水接触角（WCA）方面，所有膜均表现出亲水性，WCA顺序为CH–DES（79.97°）> CH–DES–CSE-1%（65.36°）> CH–DES–CSE-3%（63.09°）> CH–DES–CSE-5%（43.14°）。WCA随CSE含量增加而降低，归因于DES的亲水性本质以及CSE中大量酚羟基增加了膜表面和本体的亲水位点。
3.2 抗氧化与抗菌活性
抗氧化活性方面，CH–DES的DPPH自由基清除率为62.47%，CSE添加后显著提高，1%、3%、5%添加量分别为72.13%、77.84%和80.49%。ABTS测试呈现类似趋势，CH–DES的ABTS清除率为48.34%，比各CSE组低14.57%–38.05%。这归因于CSE富含多酚类化合物，赋予膜显著的抗氧化能力。
抗菌活性方面，所有膜液对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出强抗菌活性（+++级）。对大肠杆菌的抑菌圈直径范围为20.79–27.61 mm，对金黄色葡萄球菌为21.74–27.15 mm，且随CSE浓度增加而增强。CH–DES的抗菌效果可能归因于有机酸造成的低pH环境破坏细菌细胞膜，而CSE中的多酚类化合物是天然抗菌成分，能有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。
3.3 生物安全性评估
绿豆芽萌发实验显示，用自来水及四种不同膜溶液浇灌的绿豆芽平均萌发率均高于92%，各组间平均株高无显著差异（13.97–14.18 cm），表明CH–DES和CH–DES–CSE膜溶液在测试条件下对绿豆无明显植物毒性。但该评估不能完全确认食品接触生物安全性，实际食品包装应用前仍需进一步综合安全评价。
3.4 结构特征
热重分析（TGA）显示所有膜在20–600 °C范围内呈现三个主要失重阶段：20–150 °C为吸附水蒸发，150–250 °C为DES热分解，250–600 °C为CH分解。CSE负载的复合膜热稳定性高于CH–DES膜，600 °C时CH–DES–CSE-5%的残余重量为初始重量的41%，显著高于CH–DES膜的26%。DTG曲线显示添加CSE后膜峰值降解温度从253 °C升至257 °C，表明CSE有效抑制了热分解过程，这归因于CSE、CH和DES间形成了更稳定的分子间相互作用网络及氢键结构重组。
扫描电子显微镜（SEM）显示CH–DES表面光滑均匀完整，CSE添加后表面无明显变化。截面形貌呈现明显变化规律：CH–DES对照组截面有明显孔隙和较疏松结构；CSE添加量从1%增至3%时，截面孔隙逐渐减少，结构日益致密光滑，无明显相分离界面；5%添加时截面开始出现细颗粒聚集痕迹，均匀性略有下降。1–3% CSE添加时截面形貌的改善是DES介导界面相容性增强的微观证据。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，与CH–DES相比，CH–DES–CSE膜在3730、3712、3624和3575 cm-1处出现新吸收峰，来源于CSE引入的O-H伸缩振动。随CSE含量增加，3575–3799 cm-1宽带吸收强度逐渐增大，归因于CSE中游离-OH基团数量增加及分子间氢键的形成。该趋势在5% CSE负载时几乎达到平台，表明DES的桥接分散能力接近饱和。紫外–可见全波长扫描未观察到新的特征吸收峰，表明CSE与壳聚糖基质间未形成共价键，二者主要通过氢键等非共价力相互作用。
X射线衍射（XRD）显示壳聚糖在11.6°和18.7°处出现特征衍射峰，分别对应水合微晶结构和无定形结构。CSE添加后，两峰位置向左偏移，偏移范围分别为11.52–11.36°和18.64–18.48°，5% CSE含量时2θ偏移距离最大，且峰强度随CSE含量增加而增强，表明CSE添加可扩大壳聚糖晶格并提高结晶度。此外，16.2°处的特征衍射峰在CSE添加后消失，可能是多酚与其他膜组分间氢键形成产生了更好的晶格结构，多酚作为“生物交联剂”促进壳聚糖分子链的有序堆叠。
分子对接结果显示，DES与CH之间形成四个氢键，总结合能为?2.6 kcal/mol；DES与儿茶素形成一个氢键（结合能?2.3 kcal/mol）；DES与calomelanol F同时表现出氢键和疏水相互作用（结合能?2.5 kcal/mol）。CH与calomelanol F通过π相互作用和氢键结合（?3.4 kcal/mol），与儿茶素通过氢键和疏水相互作用结合（?3.1 kcal/mol）。值得注意的是，CH–DES–calomelanol F和CH–DES–catechin三元体系的结合能分别为?3.8和?3.5 kcal/mol，比二元体系更负，表明三元体系可能具有更高的结构稳定性。DES通过四个氢键锚定CH分子骨架，同时通过氢键锚定多酚分子，在π相互作用和疏水相互作用辅助下形成连续的三维氢键网络，为DES作为界面桥接介质提供了分子层面的理论支持。
3.5 复合膜对草莓的保鲜效果
外观变化方面，储存第4天CK组出现局部腐烂，CH–DES组出现少量损伤，而含CSE组无明显变化。第6天CK组所有果实大面积腐烂，CH–DES组也出现严重腐烂，而CH–DES–CSE-1%和3%组直到第8天才出现明显腐烂病斑。CH–DES–CSE-5%组在第8天仍保持良好的外观状态。
腐烂率方面，储存8天后CK组腐烂率接近100%，CH–DES组为66.67%，CH–DES–CSE-1%和3%组分别为63.33%和53.33%，而CH–DES–CSE-5%组仅为36.67%，比CK组低60.00%。膜可能通过作为氧阻隔层降低O2透过率，抑制草莓呼吸作用从而延缓果实成熟，同时优异的阻隔和抗菌性能减少了氧化和微生物腐烂。
理化品质方面，储存8天后未包装草莓的失重率为52.22%，而CH–DES–CSE-5%膜组为29.69%，比CK组低22.53%。所有组草莓硬度随储存时间延长而下降，8天后CK组硬度为0.22 N，CH–DES–CSE膜组维持在0.30–0.33 N，比CK组高37.10%–47.96%。储存期间pH逐渐升高而可滴定酸度（TA）逐渐降低，8天后CH–DES–CSE-5%组的pH显著低于CK和CH–DES组（3.82）。CK组TA在第3天下降最快，可能与微生物污染加速草莓呼吸代谢有关。
四、结论
本研究利用CH、DES和CSE制备了活性包装膜，并评估了对草莓的保鲜效果。DES发挥了关键的增塑作用，赋予膜增强的柔韧性。CSE的添加显著提高了膜液的抗氧化和抗菌活性。同时，DES和CSE的联合掺入有助于提高复合膜的抗菌能力。紫外–可见光谱结果表明，随着CSE含量增加，膜的紫外阻隔性能显著改善。SEM、FTIR和XRD结果表明，膜结构变得更加致密，CSE与CH–DES基质之间存在强烈的氢键相互作用，导致良好的相容性和改善的成膜性能。分子对接结果表明DES能形成氢键，可能桥接CH与CSE多酚之间的相互作用，有助于CH–DES–CSE三元网络的形成。值得注意的是，膜包装减少了草莓的腐烂和水分损失，同时保持了果实的硬度和酸度相关品质属性。使用CH–DES–CSE-5%包装的草莓腐烂率比CK组低60%。总之，CSE可作为CH基膜中的生物活性剂，增强其保鲜性能。
