《Food Res. Int.》广西大学黄丽婕：纤维素水凝胶使草莓保鲜品质全面提升！

采后水果在运输和存放期间，始终绕不开两道坎：一是搬运时的挤压、颠簸和磕碰会对果肉组织造成物理损伤，不仅加速营养流失，还等于给病原微生物打开了入侵的“大门”；二是市面上多数缓冲包装只起到“隔开、垫着”的被动作用，既无法抑制细菌滋生，更谈不上在腐败失控前主动出击。尽管纸托、泡沫、充气袋等传统材料仍在广泛使用，但它们要么怕水、要么回弹性差，加上难以降解、缺乏抗菌功能，始终差了一口气。因此，能否把“高效减震”和“持久抑菌”统一到同一种包装材料里，就成了延长果蔬货架期的关键突破口。

近日，广西大学轻工与食品工程学院黄丽婕课题组在期刊《Food Research International》上发表了最新研究成果“Antimicrobial and cushioning carboxymethyl cellulose hydrogel for strawberry quality preservation and shelf-life extension”。研究者突破传统包装的“被动缓冲”局限，首次将季铵化纤维素纳米纤维（QCNF）的纳米增强与锆离子（Zr⁴⁺）的配位交联协同集成于同一羧甲基纤维素水凝胶中，并结合ε-聚赖氨酸/单宁酸（ε-PL/TA）天然抗菌体系，构建出一种兼具“高效缓冲”与“主动杀菌”的双功能活性保鲜材料。

论文链接：

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

该研究首先对纳米纤维素进行了季铵化改性，通过Zeta电位、红外等表征手段证实了正电荷基团的引入。FTIR与XPS分析证实，QCNF、ε-PL及Zr⁴⁺均已成功引入水凝胶体系，且未破坏CK原有的主体网络结构。其中，QCNF增强了氢键作用，ε-PL引入酰胺特征峰，Zr⁴⁺则与羧酸根/硫酸酯基发生配位，同时与QCNF季铵基团产生静电相互作用，共同构建了更为稳定的多重交联网络，如图1所示。

图1（a）CNF与QCNF的红外光谱图；（b）四种水凝胶的红外光谱图；（c）CNF与QCNF的Zeta电位图；（d）CK水凝胶的C1s XPS谱图；CKQPZ水凝胶的（e）C1s、（f）N1s、和（g）Zr3d XPS谱图。

如何让水凝胶既撑得住长期堆压，又具备主动抗菌能力？研究团队以羧甲基纤维素（CMC）为主链，引入κ-卡拉胶（κ-CG）构建稳定的次级网络，同时加入季铵化纤维素纳米纤维（QCNF）作为纳米级物理骨架。在此基础上，引入Zr⁴⁺与羧基和羟基形成多点位配位键，构建动态交联网络；ε-PL和TA则通过静电相互作用和氢键进一步赋予水凝胶抗菌与抗氧化功能，形成机理如图2a所示。

扫描电镜图像显示，CK水凝胶呈现出规整的多孔结构；加入QCNF后（CKQ），网络更加致密；进一步引入ε-PL（CKQP），因静电相互作用形成更紧密的网络；最终载入Zr⁴⁺（CKQPZ），呈现出更加粗糙和致密的交联网络结构。能谱元素面扫显示C、Na、S、N、Zr均匀分布于水凝胶网络中，未见明显团聚，证实了多组分体系的均匀构建，如图2所示。

图2（a）水凝胶形成的示意图，ε-聚赖氨酸（ε-PL）；（b）QCNF、Zr⁴⁺协同增强压缩性能示意图；溶胀去离子水后，水凝胶截面的扫描电镜图，（c）CK（300x）；（d）CKQ（300x）；（e）CKQP（300x）；（f）CKQPZ（300x）；CKQPZ水凝胶的EDS扫描图（g）C；（h）Na；（i）S；（j）N；（k）Zr。

力学性能是功能集成的基石。研究团队通过单因素实验与响应面法，系统优化了CMC、κ-CG、QCNF与Zr⁴⁺的配比。最优配比下，CKQPZ水凝胶的压缩强度达到224.78 kPa，远超文献报道的羧甲基纤维素-甲基丙烯酸酯/羟基磷灰石水凝胶（~170 kPa）。韧性达到21.12 kJ/m³，较纯CK水凝胶（12.06 kJ/m³）有显著提升。即使在200次50%应变循环压缩后，水凝胶仍保持结构完整，高度保留率接近100%，展现出优异的抗疲劳性能，如图3所示。

图3不同QCNF含量的CK水凝胶70%应变下的（a）压缩强度和（b）韧性。（c）添加不同浓度Zr⁴⁺溶液的CKZr水凝胶的压缩应力-应变曲线；CKQ水凝胶的（d）压缩强度和（e）韧性；（f）CKQZr水凝胶的压缩应力-应变曲线。（g）不同水凝胶在去离子水中的溶胀率。（h）CKQPZ水凝胶在不同pH值磷酸盐缓冲溶液中的溶胀率。CKQPZ水凝胶对不同浓度单宁酸（i）溶胀率，单宁酸（TA）；（j）不同水凝胶储能模量E’和损耗模量E’’与振动频率的关系曲线。（k）热重曲线；（l）热重微分曲线。

更为关键的是，CKQPZ水凝胶的能量耗散系数在50%–70%应变下达到29.28%–55.37%，静态缓冲系数和能量损失系数均优于商用发泡聚乙烯（EPE）。直观实验中，鸡蛋从50 cm高度落在CKQPZ水凝胶上完好无损，而落在EPE上则弹起撞击桌面导致破裂，如图4所示。

图4（a）发泡聚乙烯（Expanded Polyethylene, EPE）、胞外聚合物质（Extracellular Polymeric Substances, EPS）和CKQPZ水凝胶的静态缓冲系数-应变曲线。（b）CKQPZ水凝胶、（c）EPE在不同压缩应变下的应力-应变曲线。（d）CKQPZ水凝胶和EPE在不同压缩应变下的能量损失系数和高度保持率对比。（e）、（f）CKQPZ水凝胶在50%应变下不同循环压缩次数时的加载-卸载曲线和（g）高度保持率；（h）溶胀不同浓度的TA溶液后的压缩应力-应变曲线；（i）在50%和60%应变下的压缩和恢复图。鸡蛋从50cm高度落至（j）EPE和（k）CKQPZ水凝胶衬垫上的过程照片；（l）溶胀不同浓度的TA溶液后，鸡蛋从50cm高度跌落至水凝胶上的过程图片。

团队利用ε-PL的阳离子特性与TA的广谱抗菌活性，将机械保护与主动抗菌功能合二为一。ε-PL通过其带正电荷的氨基与细菌细胞表面负电荷组分发生静电相互作用，破坏膜完整性；TA则通过结合细胞壁蛋白、螯合金属离子等多重机制发挥抗菌作用。

含TA的CKQPZ-TA水凝胶对大肠杆菌的抑菌率达97.66%，对单核细胞增生李斯特菌达99.22%。DPPH自由基清除率方面，CKQPZ-TA30和TA50分别达到91.41%和95.68%。CCK-8细胞毒性实验表明，在0.1、1、10 mg/mL浓度下，L929细胞存活率分别为98.21%、96.33%和77.90%，均高于ISO 10993-5规定的70%细胞毒性阈值，证实了良好的生物相容性，如图5所示。

图5（a）水凝胶的抗菌机制示意图。（b）不同水凝胶共培养后的细菌悬浮液琼脂平板的照片；对（c）大肠杆菌和（d）李斯特菌的抑菌圈和（e）抑菌率；（f）不同浓度的CKQPZ-TA30水凝胶对L929细胞活力的影响；（g）不同水凝胶对DPPH自由基的清除能力。

在25°C、相对湿度70%条件下储存5天，CKQPZ-TA水凝胶通过“物理防护+主动抗菌+微环境调控”三重机制显著延长草莓货架期，如图6所示：

外观与腐烂率：空白组第5天腐烂率达41.67%，而CKQPZ-TA组仅4.2%，果实饱满有光泽，微生物滋生得到有效抑制；

失重率：对照组失重19.97%，CKQPZ-TA组仅3.53%，得益于水凝胶提供的稳定湿度环境；

硬度与TSS：CKQPZ-TA组有效延缓了果实软化与代谢消耗，第5天TSS含量达7.1%（对照组下降更显著），硬度保持最佳；

可滴定酸与总酚：CKQPZ-TA组酸度下降最慢，总酚含量仅从3.21降至2.88 mg GAE/g，有效延缓酚类氧化降解；

数据充分证明：该水凝胶不仅能“高效缓冲”，更能“主动抗菌”，从物理保护与生物防治两个维度全面守护水果品质。

图7（a）在25℃、70%RH条件下储存期间观察到草莓的变化；（b）储存第5天，草莓表面微生物生长状况；草莓理化特性的变化，（c）腐烂率，（d）失重率，（e）硬度，（f）总可溶性固形物，（g）可滴定酸和（h）总酚含量。

综上所述，本研究摒弃了传统缓冲包装“只挡不杀”的单一功能，成功开发出一种集“高效缓冲保护”与“长效主动抗菌”于一体的多功能水凝胶。其优异的能量耗散能力可有效抵御运输过程中的机械损伤，而ε-PL/TA天然抗菌体系则为微生物入侵提供了持续、安全的“主动防御”手段。这种“被动缓冲+主动抗菌”的协同策略，为开发下一代智能、可持续的生鲜保鲜包装提供了全新的理论框架与材料原型。

个人简介

黄丽婕，工学博士，广西大学副教授、硕士生导师，中国化工学会会员，广西农业产业商会专家库专家，广西标准化专家库专家，广西自然科学基金项目评审专家，教育部学位中心学位论文评审专家，《包装工程》期刊青年编委。先后主持国家自然科学基金项目1项，参与国家自然科学基金项目2项，主持完成广西自然科学基金项目2项、南宁市科技攻关项目2项、广西高校中青年教师科研基础能力提升项目1项、山东省及广西省重点实验室项目4项，其他项目多项，参加省部级科研项目5项、教改项目2项，参与广西科技厅创新团队项目1项、南宁市科技攻关项目1项。授权发明专利13项，实现专利转让5项，多家高新技术企业技术顾问。在Food Hydrocolloids、Chemical Engineering Journal、Journal of Manufacturing Processes等国内外高水平期刊上发表论文50余篇。2020年入选“广西千名青年骨干教师培养计划”。先后获得了广西青年学术年会论文评选二等奖、广西高校教育教学信息化大赛二等奖、区教学成果一等奖等奖项。长期从事生物质功能包装材料、环保型高性能3D打印材料、可再生资源利用与环境保护等方面的研究与开发。