廣西大學王雙飛院士團隊段青山課題組【Chem. Eng. J.】具有定向輸水與濕度響應雙功能的智能抗菌墊用于水果保鮮
01 研究背景
采后水果腐敗是食品保鮮領域的長期挑戰。水果在貯藏過程中因呼吸和蒸騰作用，易在包裝內形成高濕環境，甚至導致水分聚集，促使病原菌繁殖、加速果實品質劣變，嚴重影響其營養價值與食用安全。因此，開發一種兼具定向水分傳輸與濕度響應抗菌功能的智能包裝材料，對延長水果貨架期具有重要意義。
02 文章概述
近日，廣西大學輕工與食品工程學院王雙飛院士團隊段青山副教授課題組在水果智能保鮮包裝領域取得重要進展。團隊通過靜電紡絲與共沉淀技術，成功開發了一種具有定向水分傳輸功能的濕度響應型抗菌墊（PCL/ICs/PVA）。該抗菌墊能感知環境濕度變化，主動將包裝內多余水分定向排走，在98% RH下持續精準釋放肉桂醛（CIN）達168小時，有效抑制微生物生長，顯著延長草莓保鮮期。研究成果以題為《Humidity-responsive PCL/ICs/PVA pad with directional water transport for fruit preservation》發表在近期的《Chemical Engineering Journal》上，研究生宋旭玲和王正峰為本研究的共同第一作者，段青山副教授為通訊作者，研究生周敏新、尚柏均、羅懿、許貝、栗劍鋒參與研究。
03 文章導讀
1.智能抗菌墊的設計策略
該抗菌墊以聚己內酯（PCL）和聚乙烯醇（PVA）靜電紡絲分別作為疏水層和親水層，具有濕度響應特性的β-環糊精肉桂醛包合物（ICs）作為中間層。通過構建潤濕梯度實現水分定向傳輸，并觸發CIN的濕度響應釋放。當包裝內的濕度升高，抗菌墊將多余水分定向排走，同時精準釋放天然抗菌分子。
2.ICs的形成與表征
FTIR、XRD、TG/DTG和SEM等表征證實β-環糊精（β-CD）包封CIN成功，形成ICs包合物。FTIR和XRD結果表明，CIN分子進入了β-CD的疏水空腔，其特征峰消失或減弱，晶體結構發生改變。熱分析顯示，ICs提高了CIN的熱穩定性，其蒸汽壓大幅降低。此外，SEM顯示ICs形態發生改變，粒徑增大，表明ICs的成功制備。
3.抗菌墊的制備與表征
以14 wt% PCL制備的抗菌墊綜合性能最優。PCL層獨特的蜂窩孔洞結構增強了其捕獲水分子并定向傳輸的能力，并為ICs提供了穩定的負載位點。PVA層則迅速吸收并鎖定由PCL傳輸來的水分，實現高效的定向水分傳輸。并且，該抗菌墊展現出良好的機械強度與熱穩定性，顯示出作為新一代抗菌墊的巨大潛力。
4.定向水分傳輸的現象與機制
該抗菌墊的定向水分傳輸特性是由Janus結構的親疏水材料決定的。具體而言，當液滴從PCL側施加時，可在靜水壓與毛細力的驅動下穿透至PVA層并被其吸收；相反，當液滴由PVA側施加時，PCL層的低表面能可有效阻止水分反向滲透，表現出明確的反向阻水。這種非對稱的潤濕性結構實現了水分的單向傳輸，為調控果實表面微環境濕度、防止局部積水提供了有效的材料解決方案。
5.定向水分傳輸下的濕度響應釋放
CIN的累積釋放量隨環境濕度與時間遞增，且在抗菌墊中的釋放明顯優于純ICs。在98% RH下168小時后，抗菌墊中CIN釋放率高達64.07%，遠高于純ICs的37.07%。該釋放過程分為三個典型階段：開始時，游離水分子滲透至ICs引發部分CIN釋放；隨著濕度升高，PCL層的蜂窩結構捕獲更多水分子并形成液橋，定向輸送至ICs促使結構松弛；最終PVA層充分吸水，ICs在高濕環境中發生結構坍塌，實現CIN的加速釋放。這一由定向水分傳輸驅動的釋放機制，實現了根據環境濕度智能調控抗菌劑釋放的功能。
6.PCL/ICs/PVA抗菌墊的抗菌性能
當ICs含量為33.3%時，對大腸桿菌和李斯特菌的抑菌率超過99%。在不同濕度環境下儲存一周后，該抗菌墊的抑菌圈直徑隨預儲存濕度升高而擴大，體現出“越濕越強”的智能響應特性。
7.草莓保鮮效果驗證
該抗菌墊能有效防止水分聚集，通過濕度響應釋放抗菌劑，延緩草莓品質劣變，延長貨架期。在98% RH下儲存7天，實驗組失重率僅為1.77%，維生素C、硬度等指標均顯著優于對照組。
04 結論
本研究成功開發出集定向水分傳輸與濕度響應于一體的智能抗菌墊。通過PCL的蜂窩孔洞負載ICs，并促進游離水分子的聚集與傳輸。ICs在吸濕后產生間隙與通道，實現CIN的可控釋放。與此同時，PVA親水層及時吸收多余水分，共同實現定向水分傳輸與微生物的主動調控，構建了一個自我調節系統。在98% RH條件下，該抗菌墊能持續釋放CIN達168小時，有效抑制細菌生長并延長草莓保鮮期。該研究通過巧妙的材料與結構設計，為應對高濕環境引發的水果采后腐敗問題提供了新的思路和有效策略，在智能保鮮包裝領域具有廣闊的應用前景。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725104397