MgO?NPs/CMCS复合纸的性质及其在香瓜常温保鲜中的应用

《Food Chemistry》：Properties of MgO?NPs/CMCS composite paper and its application in ambient temperature preservation of cantaloupe

　　

- 制备了MgO?纳米粒子/羧甲基壳聚糖（MgO?NPs/CMCS）复合保鲜纸，并测定了其各项性能指标。
- 该保鲜纸被用于哈密瓜保鲜，有效延缓了果实采后腐烂，保持了其良好品质。
- 初步探究了MgO?NPs/CMCS复合保鲜纸的保鲜机制。

**引言**

新鲜水果含水量高，采收后仍持续进行呼吸作用和蒸腾作用等采后生理活动（Xu等，2019）。若缺乏适当的包装及储运条件，水果在整个供应链中容易出现萎蔫、腐烂和品质劣变等问题。因此，市场对低碳节能的短途常温快递保鲜方案需求迫切。有效的保鲜技术不仅能帮助减少采后损失，还能在贮藏期间保持农产品的固有品质。目前，水果贮藏主要依赖气调或冷藏方式（Ho等，2021）。尽管这些方法有效，但能源消耗巨大，运营成本高。全球范围内，生鲜食品冷链物流每年产生高达13.2亿吨二氧化碳当量的温室气体排放。冷藏运输中的能耗和制冷剂泄漏是主要碳源，冷链时长显著增加了单位果蔬的碳足迹（Flammini等，2024）。2015年由196个签署国采纳的《巴黎协定》设定了全球净零排放目标（Tagomori等，2026）。在常温条件下延长货架期将大幅降低能耗并减少温室气体排放，但相关技术方案仍然有限。本研究以常温（20°C）保鲜为目标，开发了基于MgO?NPs的复合材料用于哈密瓜保鲜，并评估了新疆哈密瓜在常温贮藏、运输和零售条件下的货架期表现，以减少对冷链的依赖。本工作有望为全球节能减排提供关键技术参考。

基于生物聚合物的活性保鲜涂层已成为减少新鲜农产品损失的重要研究方向，大量研究工作致力于开发天然多糖功能纳米复合材料（Yuan等，2024；Zhou等，2023）。改性多糖复合膜集成了阻隔、抗菌和抗氧化功能，部分纳米复合材料在果蔬保鲜中表现出优异性能（He等，2024）。为满足工业对绿色包装的要求，具有持续功能活性的可生物降解纸质复合材料成为关键研究重点（Lu等，2025）。材料科学的进展拓宽了纳米材料在各领域的应用范围，其在食品保鲜领域的应用前景日益引起研究关注（Sagar等，2022）。SiO?（Meng等，2022）、SiOx、TiO?和CaCO?等代表性纳米材料能够抑制哈密瓜等水果的采后生理代谢并发挥杀菌作用，从而延长贮藏期并维持商品品质。这些纳米材料通常无味、无毒、抗菌、除臭，且对O?、CO?和水蒸气的透过率较低。然而，将这些纳米材料直接附着在水果表皮上仍存在困难。CMCS因其良好的可生物降解性、丰富的来源和固有的抗菌特性而得到广泛应用（Campos等，2010）。将CMCS制备成食品包装膜可为各类食品提供有效保护（Barik等，2024；Romanazzi等，2013）。将CMCS与其他材料混合制备的复合膜可实现稳定性、阻隔性能和抗氧化能力的增强（Liu等，2024），进一步提升保鲜效果（Sathiyaseelan等，2023）。

传统金属氧化物纳米材料的活性氧（ROS）释放效率较低。某些光催化纳米材料需要紫外光激发才能产生ROS，因此在水果运输和纸箱包装的黑暗贮藏条件下会失去抗菌活性，限制了其实用化部署。现有基于Mg的保鲜纳米材料研究主要集中在氧化镁纳米粒子（MgONPs）上。此前研究证实MgONPs具有良好的生物相容性和可忽略的细胞毒性，符合食品接触安全标准（Rao等，2014），常与高分子材料复合制备水果表面食用涂层。MgO?NPs降解为氧化镁并持续释放ROS以实现长效抑菌，已在水处理和土壤修复领域得到广泛应用。

尽管基于氧化镁的食用涂层在一定程度上可延缓果实衰老，但直接应用于水果表皮会使纳米级功能组分与果肉直接接触，存在纳米颗粒迁移进入可食组织的潜在风险。此外，对单个水果进行批量浸涂或喷洒操作流程繁琐，且薄的食用膜在运输和贮藏过程中易磨损脱落，阻碍了其在生鲜产业中的大规模商业化应用。相比之下，纸质活性包装属于间接接触体系，无需在果实表面直接涂覆，从而避免了纳米颗粒暴露于可食果肉的风险。此类包装符合现有水果加工流水线，便于包装操作。此外，纤维素基纸质基材完全可生物降解和回收，具有显著的实用和环境优势（Vilela等，2018）。

即便在纤维基包装基材中，不同类型纸张的物理化学性质也存在显著差异。牛皮纸具有致密的纤维结构，气体透过率低，容易导致包装内呼吸气体过度积累，加速果实腐败（Irimia等，2021）。相比之下，标准滤纸纤维间孔径过大且机械强度不足，对功能性添加剂的固定能力有限（Fernandes等，2017）。初步实验结果表明，宣纸具有独特的交织纤维结构，孔径适中。这一结构特征兼顾了良好的机械强度和可调控的气体透过性能，有利于调节包装内气体组成并抑制果实呼吸代谢。此外，宣纸纤维表面丰富的羟基官能团可有效锚定CMCS和MgO?NPs，降低功能活性层脱落的风险。总体而言，宣纸在综合应用性能上优于牛皮纸和滤纸等传统纸质基材。

呼吸作用和蒸腾作用是哈密瓜采后水分流失和腐烂的主要驱动力。传统冷藏保鲜运行成本高，迫切需要有效的常温保鲜策略。我们此前的研究表明，MgO?NPs可严重破坏新疆哈密瓜主要致腐真菌—— Alternaria alternata（Alternaria alternata）的细胞膜和细胞壁，从而抑制其生长繁殖（Liu, Kang等，2023）。目前尚不清楚将MgO?NPs与CMCS复合能否构建协同功能体系，以及负载于宣纸上的涂层能否在常温条件下实现ROS的稳定缓释以延长哈密瓜货架期。为此，我们将MgO?NPs/CMCS混合悬浮液涂覆于宣纸上制备复合纸，作为传统基于Mg的食用涂层的替代方案。本研究重点包括：（1）功能性MgO?NPs的开发；（2）常温保鲜长效缓释抗菌体系的构建；（3）锚定于宣纸纤维上的MgO?NPs与CMCS之间的相互作用机制；（4）基于全可生物降解组分和无冷链应用需求的低碳绿色保鲜策略开发。用所制备的MgO?NPs/CMCS复合纸包裹哈密瓜果实进行常温贮藏，通过表征复合纸对哈密瓜贮藏品质的影响来评价其保鲜效果和内在机制。同时，系统表征了复合纸的物理化学性质，包括微观形貌、力学性能、透气性和抗菌活性，以探究MgO?NPs与CMCS之间的协同机制。

**材料**

MgO?NPs、CMCS和宣纸分别由华中科技大学（中国）、北京索莱宝科技有限公司（北京，中国）和易鲜格（安徽，中国）提供。哈密瓜采收于中国新疆和田地区策勒县。LOX、SOD、MDA和H?O?检测试剂盒购自北京博桑格科技有限公司。

**复合纸制备**

宣纸具有疏松交织的纤维网络结构，可实现MgO?NPs的均匀负载。其透气性良好，有利于涂层内ROS的缓释和调控包装内的气体交换环境。涂层悬浮液均匀涂覆于宣纸上，目标负载量分别为0、20、25和30 g/m2，随后在室温下自然风干。所得复合纸从透气性、水蒸气透过率、抗张强度和抑菌圈直径等方面进行评价。如图2A和图2B所示，涂覆显著改变了宣纸的空气和水蒸气透过性。两项参数均呈现先降低后升高的变化趋势。

**讨论**

本研究开发的MgO?NPs/CMCS涂覆宣纸复合保鲜纸克服了传统壳聚糖涂层和氧化镁纳米系统的应用局限性。结合过氧化物镁纳米粒子、低成本纸质基材和无需冷链的常温保鲜能力，该包装材料在延缓哈密瓜采后衰老、降低物流成本和减少冷链相关能耗方面具有显著优势。

**结论**

MgO?NPs/CMCS复合保鲜纸作为一种新兴水果保鲜材料，利用MgO?NPs粒径小、比表面积大的特点，结合宣纸与CMCS的协同复合结构，抑制微生物增殖以延长果蔬货架期，同时宣纸基材的高抗张强度和韧性可有效保护哈密瓜在包装运输过程中免受机械损伤。

**致谢**

本工作由新疆维吾尔自治区天山英才"农业"核心人才培养项目（2024SNGGGCC012）和新疆维吾尔自治区自然科学基金-面上项目（2021D01C065）资助。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**作者贡献**

刘军：写作——审阅与编辑、监督、方法论、概念设计。娄磊：写作——初稿、调查研究、形式分析、数据管理。陆钦山：项目管理、调查研究。刘广瑞：软件、形式分析。谭松伟：形式分析。秦新正：软件、形式分析。吴哲：形式分析。杨磊：项目管理。邢军：调查研究。涂宜鲜：调查研究。刘运国：写作——审阅与编辑、方法论。