廣西大學黃麗婕團隊：水凝膠，讓草莓保鮮品質全面提升！

采后水果在運輸和存放期間，始終繞不開兩道坎：一是搬運時的擠壓、顛簸和磕碰會對果肉組織造成物理損傷，不僅加速營養流失，還等于給病原微生物打開了入侵的“大門”；二是市面上多數緩沖包裝只起到“隔開、墊著”的被動作用，既無法抑制細菌滋生，更談不上在腐敗失控前主動出擊。盡管紙托、泡沫、充氣袋等傳統材料仍在廣泛使用，但它們要么怕水、要么回彈性差，加上難以降解、缺乏抗菌功能，始終差了一口氣。因此，能否把“高效減震”和“持久抑菌”統一到同一種包裝材料里，就成了延長果蔬貨架期的關鍵突破口。

近日，廣西大學輕工與食品工程學院黃麗婕課題組在期刊《Food Research International》上發表了最新研究成果“Antimicrobial and cushioning carboxymethyl cellulose hydrogel for strawberry quality preservation and shelf-life extension”。研究者突破傳統包裝的“被動緩沖”局限，首次將季銨化纖維素納米纖維（QCNF）的納米增強與鋯離子（Zr??）的配位交聯協同集成于同一羧甲基纖維素水凝膠中，并結合ε-聚賴氨酸/單寧酸（ε-PL/TA）天然抗菌體系，構建出一種兼具“高效緩沖”與“主動殺菌”的雙功能活性保鮮材料。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.foodres.2026.119891

該研究首先對納米纖維素進行了季銨化改性，通過Zeta電位、紅外等表征手段證實了正電荷基團的引入。FTIR與XPS分析證實，QCNF、ε-PL及Zr??均已成功引入水凝膠體系，且未破壞CK原有的主體網絡結構。其中，QCNF增強了氫鍵作用，ε-PL引入酰胺特征峰，Zr??則與羧酸根/硫酸酯基發生配位，同時與QCNF季銨基團產生靜電相互作用，共同構建了更為穩定的多重交聯網絡，如圖1所示。

圖1（a）CNF與QCNF的紅外光譜圖；（b）四種水凝膠的紅外光譜圖；（c）CNF與QCNF的Zeta電位圖；（d）CK水凝膠的C1s XPS譜圖；CKQPZ水凝膠的（e）C1s、（f）N1s、和（g）Zr3d XPS譜圖。

如何讓水凝膠既撐得住長期堆壓，又具備主動抗菌能力？研究團隊以羧甲基纖維素（CMC）為主鏈，引入κ-卡拉膠（κ-CG）構建穩定的次級網絡，同時加入季銨化纖維素納米纖維（QCNF）作為納米級物理骨架。在此基礎上，引入Zr??與羧基和羥基形成多點位配位鍵，構建動態交聯網絡；ε-PL和TA則通過靜電相互作用和氫鍵進一步賦予水凝膠抗菌與抗氧化功能，形成機理如圖2a所示。

掃描電鏡圖像顯示，CK水凝膠呈現出規整的多孔結構；加入QCNF后（CKQ），網絡更加致密；進一步引入ε-PL（CKQP），因靜電相互作用形成更緊密的網絡；最終載入Zr??（CKQPZ），呈現出更加粗糙和致密的交聯網絡結構。能譜元素面掃顯示C、Na、S、N、Zr均勻分布于水凝膠網絡中，未見明顯團聚，證實了多組分體系的均勻構建，如圖2所示。

圖2（a）水凝膠形成的示意圖，ε-聚賴氨酸（ε-PL）；（b）QCNF、Zr??協同增強壓縮性能示意圖；溶脹去離子水后，水凝膠截面的掃描電鏡圖，（c）CK（300x）；（d）CKQ（300x）；（e）CKQP（300x）；（f）CKQPZ（300x）；CKQPZ水凝膠的EDS掃描圖（g）C；（h）Na；（i）S；（j）N；（k）Zr。

力學性能是功能集成的基石。研究團隊通過單因素實驗與響應面法，系統優化了CMC、κ-CG、QCNF與Zr??的配比。最優配比下，CKQPZ水凝膠的壓縮強度達到224.78 kPa，遠超文獻報道的羧甲基纖維素-甲基丙烯酸酯/羥基磷灰石水凝膠（~170 kPa）。韌性達到21.12 kJ/m3，較純CK水凝膠（12.06 kJ/m3）有顯著提升。即使在200次50%應變循環壓縮后，水凝膠仍保持結構完整，高度保留率接近100%，展現出優異的抗疲勞性能，如圖3所示。

圖3不同QCNF含量的CK水凝膠70%應變下的（a）壓縮強度和（b）韌性。（c）添加不同濃度Zr??溶液的CKZr水凝膠的壓縮應力-應變曲線；CKQ水凝膠的（d）壓縮強度和（e）韌性；（f）CKQZr水凝膠的壓縮應力-應變曲線。（g）不同水凝膠在去離子水中的溶脹率。（h）CKQPZ水凝膠在不同pH值磷酸鹽緩沖溶液中的溶脹率。CKQPZ水凝膠對不同濃度單寧酸（i）溶脹率，單寧酸（TA）；（j）不同水凝膠儲能模量E’和損耗模量E’’與振動頻率的關系曲線。（k）熱重曲線；（l）熱重微分曲線。

更為關鍵的是，CKQPZ水凝膠的能量耗散系數在50%–70%應變下達到29.28%–55.37%，靜態緩沖系數和能量損失系數均優于商用發泡聚乙烯（EPE）。直觀實驗中，雞蛋從50 cm高度落在CKQPZ水凝膠上完好無損，而落在EPE上則彈起撞擊桌面導致破裂，如圖4所示。

圖4（a）發泡聚乙烯（Expanded Polyethylene, EPE）、胞外聚合物質（Extracellular Polymeric Substances, EPS）和CKQPZ水凝膠的靜態緩沖系數-應變曲線。（b）CKQPZ水凝膠、（c）EPE在不同壓縮應變下的應力-應變曲線。（d）CKQPZ水凝膠和EPE在不同壓縮應變下的能量損失系數和高度保持率對比。（e）、（f）CKQPZ水凝膠在50%應變下不同循環壓縮次數時的加載-卸載曲線和（g）高度保持率；（h）溶脹不同濃度的TA溶液后的壓縮應力-應變曲線；（i）在50%和60%應變下的壓縮和恢復圖。雞蛋從50cm高度落至（j）EPE和（k）CKQPZ水凝膠襯墊上的過程照片；（l）溶脹不同濃度的TA溶液后，雞蛋從50cm高度跌落至水凝膠上的過程圖片。

團隊利用ε-PL的陽離子特性與TA的廣譜抗菌活性，將機械保護與主動抗菌功能合二為一。ε-PL通過其帶正電荷的氨基與細菌細胞表面負電荷組分發生靜電相互作用，破壞膜完整性；TA則通過結合細胞壁蛋白、螯合金屬離子等多重機制發揮抗菌作用。

含TA的CKQPZ-TA水凝膠對大腸桿菌的抑菌率達97.66%，對單核細胞增生李斯特菌達99.22%。DPPH自由基清除率方面，CKQPZ-TA30和TA50分別達到91.41%和95.68%。CCK-8細胞毒性實驗表明，在0.1、1、10 mg/mL濃度下，L929細胞存活率分別為98.21%、96.33%和77.90%，均高于ISO 10993-5規定的70%細胞毒性閾值，證實了良好的生物相容性，如圖5所示。

圖5（a）水凝膠的抗菌機制示意圖。（b）不同水凝膠共培養后的細菌懸浮液瓊脂平板的照片；對（c）大腸桿菌和（d）李斯特菌的抑菌圈和（e）抑菌率；（f）不同濃度的CKQPZ-TA30水凝膠對L929細胞活力的影響；（g）不同水凝膠對DPPH自由基的清除能力。

在25°C、相對濕度70%條件下儲存5天，CKQPZ-TA水凝膠通過“物理防護+主動抗菌+微環境調控”三重機制顯著延長草莓貨架期，如圖6所示：

外觀與腐爛率：空白組第5天腐爛率達41.67%，而CKQPZ-TA組僅4.2%，果實飽滿有光澤，微生物滋生得到有效抑制；

失重率：對照組失重19.97%，CKQPZ-TA組僅3.53%，得益于水凝膠提供的穩定濕度環境；

硬度與TSS：CKQPZ-TA組有效延緩了果實軟化與代謝消耗，第5天TSS含量達7.1%（對照組下降更顯著），硬度保持最佳；

可滴定酸與總酚：CKQPZ-TA組酸度下降最慢，總酚含量僅從3.21降至2.88 mg GAE/g，有效延緩酚類氧化降解；

數據充分證明：該水凝膠不僅能“高效緩沖”，更能“主動抗菌”，從物理保護與生物防治兩個維度全面守護水果品質。

圖7（a）在25℃、70%RH條件下儲存期間觀察到草莓的變化；（b）儲存第5天，草莓表面微生物生長狀況；草莓理化特性的變化，（c）腐爛率，（d）失重率，（e）硬度，（f）總可溶性固形物，（g）可滴定酸和（h）總酚含量。

綜上所述，本研究摒棄了傳統緩沖包裝“只擋不殺”的單一功能，成功開發出一種集“高效緩沖保護”與“長效主動抗菌”于一體的多功能水凝膠。其優異的能量耗散能力可有效抵御運輸過程中的機械損傷，而ε-PL/TA天然抗菌體系則為微生物入侵提供了持續、安全的“主動防御”手段。這種“被動緩沖+主動抗菌”的協同策略，為開發下一代智能、可持續的生鮮保鮮包裝提供了全新的理論框架與材料原型。

個人簡介

黃麗婕，工學博士，廣西大學副教授、碩士生導師，中國化工學會會員，廣西農業產業商會專家庫專家，廣西標準化專家庫專家，廣西自然科學基金項目評審專家，教育部學位中心學位論文評審專家，《包裝工程》期刊青年編委。先后主持國家自然科學基金項目1項，參與國家自然科學基金項目2項，主持完成廣西自然科學基金項目2項、南寧市科技攻關項目2項、廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目1項、山東省及廣西省重點實驗室項目4項，其他項目多項，參加省部級科研項目5項、教改項目2項，參與廣西科技廳創新團隊項目1項、南寧市科技攻關項目1項。授權發明專利13項，實現專利轉讓5項，多家高新技術企業技術顧問。在Food Hydrocolloids、Chemical Engineering Journal、Journal of Manufacturing Processes等國內外高水平期刊上發表論文50余篇。2020年入選“廣西千名青年骨干教師培養計劃”。先后獲得了廣西青年學術年會論文評選二等獎、廣西高校教育教學信息化大賽二等獎、區教學成果一等獎等獎項。長期從事生物質功能包裝材料、環保型高性能3D打印材料、可再生資源利用與環境保護等方面的研究與開發。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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