01 研究背景

采后水果腐败是食品保鲜领域的长期挑战。水果在贮藏过程中因呼吸和蒸腾作用，易在包装内形成高湿环境，甚至导致水分聚集，促使病原菌繁殖、加速果实品质劣变，严重影响其营养价值与食用安全。因此，开发一种兼具定向水分传输与湿度响应抗菌功能的智能包装材料，对延长水果货架期具有重要意义。

02 文章概述

近日，广西大学轻工与食品工程学院王双飞院士团队段青山副教授课题组在水果智能保鲜包装领域取得重要进展。团队通过静电纺丝与共沉淀技术，成功开发了一种具有定向水分传输功能的湿度响应型抗菌垫（PCL/ICs/PVA）。该抗菌垫能感知环境湿度变化，主动将包装内多余水分定向排走，在98% RH下持续精准释放肉桂醛（CIN）达168小时，有效抑制微生物生长，显著延长草莓保鲜期。研究成果以题为《Humidity-responsive PCL/ICs/PVA pad with directional water transport for fruit preservation》发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上，2022级硕士研究生宋旭玲和2023级硕士研究生王正峰为本研究的共同第一作者，段青山副教授为通讯作者，研究生周敏新、尚柏均、罗懿、许贝、栗剑锋参与研究。

03 图文导读

1. 智能抗菌垫的设计策略

该抗菌垫以聚己内酯（PCL）和聚乙烯醇（PVA）静电纺丝分别作为疏水层和亲水层，具有湿度响应特性的β-环糊精肉桂醛包合物（ICs）作为中间层。通过构建润湿梯度实现水分定向传输，并触发CIN的湿度响应释放。当包装内的湿度升高，抗菌垫将多余水分定向排走，同时精准释放天然抗菌分子。

图1 β-环糊精肉桂醛包合物（ICs）和PCL/ICs/PVA抗菌垫的制备

2. ICs的形成与表征

FTIR、XRD、TG/DTG和SEM等表征证实β-环糊精（β-CD）包封CIN成功，形成ICs包合物。FTIR和XRD结果表明，CIN分子进入了β-CD的疏水空腔，其特征峰消失或减弱，晶体结构发生改变。热分析显示，ICs提高了CIN的热稳定性，其蒸汽压大幅降低。此外，SEM显示ICs形态发生改变，粒径增大，表明ICs的成功制备。

图2 ICs的物理化学性质

3. 抗菌垫的制备与表征

以14 wt% PCL制备的抗菌垫综合性能最优。PCL层独特的蜂窝孔洞结构增强了其捕获水分子并定向传输的能力，并为ICs提供了稳定的负载位点。PVA层则迅速吸收并锁定由PCL传输来的水分，实现高效的定向水分传输。并且，该抗菌垫展现出良好的机械强度与热稳定性，显示出作为新一代抗菌垫的巨大潜力。

图3 PCL/ICs/PVA抗菌垫的基础性能和结构表征

4. 定向水分传输的现象与机制

该抗菌垫的定向水分传输特性是由Janus结构的亲疏水材料决定的。具体而言，当液滴从PCL侧施加时，可在静水压与毛细力的驱动下穿透至PVA层并被其吸收；相反，当液滴由PVA侧施加时，PCL层的低表面能可有效阻止水分反向渗透，表现出明确的反向阻水。这种非对称的润湿性结构实现了水分的单向传输，为调控果实表面微环境湿度、防止局部积水提供了有效的材料解决方案。

图4 PCL/ICs/PVA抗菌垫的定向水传输和反向拒水现象与机制

5. 定向水分传输下的湿度响应释放

CIN的累积释放量随环境湿度与时间递增，且在抗菌垫中的释放明显优于纯ICs。在98% RH下168小时后，抗菌垫中CIN释放率高达64.07%，远高于纯ICs的37.07%。该释放过程分为三个典型阶段：开始时，游离水分子渗透至ICs引发部分CIN释放；随着湿度升高，PCL层的蜂窝结构捕获更多水分子并形成液桥，定向输送至ICs促使结构松弛；最终PVA层充分吸水，ICs在高湿环境中发生结构坍塌，实现CIN的加速释放。这一由定向水分传输驱动的释放机制，实现了根据环境湿度智能调控抗菌剂释放的功能。

图5 定向水分传输下PCL/ICs/PVA抗菌垫的湿度响应释放及机理

6. PCL/ICs/PVA抗菌垫的抗菌性能

当ICs含量为33.3%时，对大肠杆菌和李斯特菌的抑菌率超过99%。在不同湿度环境下储存一周后，该抗菌垫的抑菌圈直径随预储存湿度升高而扩大，体现出“越湿越强”的智能响应特性。

图6 PCL/ICs/PVA抗菌垫的抗菌性能

7. 草莓保鲜效果验证

该抗菌垫能有效防止水分聚集，通过湿度响应释放抗菌剂，延缓草莓品质劣变，延长货架期。在98% RH下储存7天，实验组失重率仅为1.77%，维生素C、硬度等指标均显著优于对照组。

图7 PCL/ICs/PVA抗菌垫在草莓保鲜中的应用

04 结论

本研究成功开发出集定向水分传输与湿度响应于一体的智能抗菌垫。通过PCL的蜂窝孔洞负载ICs，并促进游离水分子的聚集与传输。ICs在吸湿后产生间隙与通道，实现CIN的可控释放。与此同时，PVA亲水层及时吸收多余水分，共同实现定向水分传输与微生物的主动调控，构建了一个自我调节系统。在98% RH条件下，该抗菌垫能持续释放CIN达168小时，有效抑制细菌生长并延长草莓保鲜期。该研究通过巧妙的材料与结构设计，为应对高湿环境引发的水果采后腐败问题提供了新的思路和有效策略，在智能保鲜包装领域具有广阔的应用前景。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725104397