第一作者：Seohui Jung
通訊作者：Muhammad M. Rahman，Pulickel M. Ajayan
通訊單位：萊斯大學
研究亮點：
1. 由雞蛋衍生的聚合物和纖維素納米材料組成的保鮮涂層可有效減緩食物腐爛。
2. 這種涂層是可食用，可清洗且廉價的，這為解決世界范圍內(nèi)的食物浪費提供了一種可行的方案。
食品腐爛造成的浪費超乎你的想象
世界饑餓是一個日益嚴重的問題：饑餓和長期營養(yǎng)不良影響著8億多人，相當于全世界人口的10.7%。然而，全球生產(chǎn)的三分之一的食物被浪費了，而且從未被食用。這主要是由于易腐食品在從農(nóng)場到零售商店運輸過程中或之后不久就會過期。這一問題在水果和蔬菜等新鮮農(nóng)產(chǎn)品中尤為突出，在田間每年約有40%–50%的農(nóng)作物被浪費。而且，即使送到了商店，它們的保質(zhì)期也只有幾天，很容易腐爛。
影響產(chǎn)品質(zhì)量和保質(zhì)期的主要因素：
1）水分流失或脫水
2）質(zhì)地惡化
3）呼吸和衰老過程
4）微生物生長
通過控制這些因素來延長農(nóng)產(chǎn)品的保質(zhì)期，對于減少食品浪費至關重要。
延長食品保質(zhì)期的傳統(tǒng)方法
一種延長食品保質(zhì)期的常用方法是水果打蠟，它通過使用弱有機酸及其衍生物人為地給水果涂上防腐劑來延長保質(zhì)期。然而，當防腐劑進入人體后，腸道細胞會將其分解成離子以維持生理平衡，導致離子積累、細胞膜破壞、必要代謝物抑制等不良反應。其他增加保質(zhì)期的普遍方法包括冷藏，增加二氧化碳濃度的改良大氣包裝（MAP）和石蠟基活性涂料。但這些方法不僅昂貴、耗時，而且會在視覺上改變水果的外觀并影響水果的風味。
因此，迫切需要一種綠色替代策略，在不改變易腐食品生物學、物理化學和生理學特性的情況下，增加易腐食品的保質(zhì)期。
成果簡介
有鑒于此，萊斯大學Muhammad M. Rahman與Pulickel M. Ajayan等人研制了一種基于雞蛋蛋白的可食用，可洗滌納米復合保鮮膜，該涂層可通過抑制微生物的生長、呼吸和水果脫水，來減緩食物腐爛。
圖1. 纖維素納米晶增強聚(蛋白)納米復合涂層的制備與表征。
要點1. 納米復合涂層對水果保鮮的有效性
評估了該涂層對四種常見的代表性水果保鮮的有效性，包括三種呼吸躍變型水果（香蕉、鱷梨和木瓜）和一種非呼吸躍變型水果（草莓）。購買后8-11天，未涂膜的呼吸躍變型水果外觀均表現(xiàn)出酶促褐變和腐爛，而涂膜后的樣品外觀未發(fā)生明顯霉變。同樣的，涂膜水果內(nèi)部的成熟度也比未涂膜的水果要低。涂層的保鮮性也在非呼吸躍變型水果中得到了體現(xiàn)，7天后，與未涂膜的草莓相比，涂膜草莓的外觀更好，重量保留率更高。鑒于涂膜草莓、木瓜、香蕉和鱷梨比未涂膜的水果具有更長的壽命，這證明了涂層對易腐爛水果具有保鮮的作用。
圖2. 納米復合涂層對水果成熟度的影響。
要點2. 納米復合涂層對水果保鮮的機理
通過對自支撐的納米復合薄膜進行實驗，研究了納米復合涂層對水果保鮮的機理。這種薄膜非常柔韌，可以反復彎曲和折疊而不會斷裂，良好的機械性能是該薄膜作為水果涂層的基本要求之一，以防止在搬運和儲存過程中過早失效或開裂。通過測量納米復合薄膜的水蒸汽傳遞速率，了解了涂層防腐和除濕的能力。其水蒸汽傳遞速率為~15 g mm m?2 day?1，遠低于殼聚糖、聚乳酸(PLA)、果膠、分離蛋白等其他常用的包裝用生物聚合物。低的水蒸汽傳遞速率表明，涂層為水果提供了一個水汽屏障，使水分更有效地保留在水果中。
還使用大腸桿菌菌株評估了涂層的抗菌性能，因為已知微生物的生長有助于水果的易腐性。盡管立即暴露在涂層薄膜上不會降低細菌的滴度，但在薄膜上孵育一晚后，細菌的滴度為零。這表明，該膜可在24小時內(nèi)有效消除細菌在表面上的生長，強大的抗菌活性，可減少新鮮農(nóng)產(chǎn)品的軟腐，并增強食用安全性。
圖3. 納米復合涂層的特性及保鮮機理研究。
要點3. 納米復合涂層的可食用性
使用人類胰腺癌細胞系（Panc02）進行體外研究，評估了涂層的毒性，以評估其可食用性。生物相容性對涂層應用于水果至關重要，因為消費者在食用水果時可能有意或無意地攝入涂層。用0.1–1 μg mL?1涂層孵育24小時后，Panc02細胞沒有明顯變化。在每個濃度的涂層中，超過90%的細胞存活，這表明納米復合溶液沒有細胞毒性，因此降低了將涂層用于水果的食品安全問題。
圖4. 納米復合膜的阻氣性、可食性、抗菌性和可洗性研究。
小結
這項工作通過4個水果模型的演示，證明了由聚蛋白和纖維素納米材料組成的保鮮涂層可以保持水果新鮮、外觀和香氣至少1周以上，驗證了涂層在防止水果腐爛的普遍有效性。其可食用性（生物相容性）和可水洗性（溶解性）也降低了食品安全問題。這項研究為解決全球食品浪費問題提供了一種綠色、廉價和高度可擴展的方法。
參考文獻
Seohui Jung, et al. Multifunctional Bio-Nanocomposite Coatings for Perishable Fruits. Adv. Mater. 2020, 1908291.
DOI: 10.1002/adma.201908291.
https://doi.org/10.1002/adma.201908291
