深共晶溶剂对含有葫芦巴纤维提取物的羧甲基纤维素钠薄膜的影响：结构、物理化学性质、食品保鲜作用及生物降解性

《Food Packaging and Shelf Life》：Effects of deep eutectic solvent on sodium carboxymethyl cellulose films containing Trichosanthes kirilowii Maxim. pulp extract: Structure, physicochemical properties, food preservation, and biodegradability

　　

李希伟|刘天天|秦若然|盛涛|薛佳怡|朱德毅|楚雅雅|江龙伟|周一斌

中国安徽省合肥市230036，安徽农业大学食品与营养学院，农业农村部江淮农产品精深加工与资源化利用重点实验室，特色农产品高值利用安徽工程研究中心

摘要

在当前的食品包装领域中，含有天然提取物的活性包装因其生物活性而受到关注，但往往缺乏柔韧性，这极大地限制了其实际应用。因此，本研究采用以氯化胆碱和苹果酸为绿色增塑剂、羧甲基纤维素为基体的深共晶溶剂作为材料，并加入丝瓜浆提取物以赋予其生物活性。研究成功制备出了基于羧甲基纤维素的活性包装膜，并探讨了深共晶溶剂对薄膜成分及性能的影响。傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和X射线衍射分析表明，深共晶溶剂的加入通过分子间相互作用促进了密集氢键网络的形成，增强了薄膜内的分子堆积程度，使得薄膜结构更加紧密。此外，深共晶溶剂还有效提升了薄膜的柔韧性。其中，含有70%重量比深共晶溶剂的薄膜在干燥状态下的断裂伸长率为100.27±1.36%，在湿润状态下为142.33±1.17%，充分体现了深共晶溶剂的优异增塑效果。另外，由于深共晶溶剂具有丰富的密集氢键交联结构，该薄膜还具备出色的可修复性。在室温下通过简单的重叠按压即可恢复其承重能力，且修复后的薄膜仍能保持良好的机械性能。此外，该薄膜还具有较强的抗氧化和抗菌活性，能够延长树莓的保质期，延缓油脂氧化，同时可良好降解而不抑制油菜的生长。

引言

近年来，以聚乙烯和聚丙烯为代表的石油基塑料制成的食品包装材料在各个行业中被广泛使用（Zhao等人，2025）。然而，这类材料不可生物降解，对生态系统和人类健康构成严重威胁。随着全球人口的增长和环境意识的提高，研究重点逐渐转向可持续包装，人们开始探索源自蛋白质（如大豆分离蛋白、明胶和玉米醇溶蛋白等）以及天然多糖（如羧甲基纤维素、淀粉和壳聚糖等）的可生物降解和生物基材料（Wu等人，2024c；Li等人，2024）。

羧甲基纤维素是一种富含羧基和羟基的多功能聚合物，具有优异的水溶性、成膜能力和生物相容性（Meas, Wi, Chang, & Hwang, 2024），因此有望被用于包装领域。不过，单纯的羧甲基纤维素薄膜抗氧化和抗菌性能较差，制约了其实际应用和商业化发展（Gao等人，2025）。许多天然植物提取物富含黄酮类、酚类和萜类化合物，这些成分具有抗氧化、抗菌和抗病毒作用，非常适合用作功能性包装材料的活性填料（Baishya和Kumar，2025；Yang等人，2025）。因此，已有不少研究将这类提取物引入基于羧甲基纤维素的薄膜中，以开发出多功能包装材料。例如，将葱头废弃物提取物和贡菊提取物加入基于羧甲基纤维素的薄膜中，可显著提升其抗菌和抗氧化性能，证明了天然植物提取物在提升包装性能方面的潜力（Thivya, Bhosale, Anandakumar, Hema, & Sinija, 2021；Yun Wang, Zhang, & Zhang, 2022）。

丝瓜是葫芦科丝瓜属植物，因其较高的药用价值而广受重视（Lewtak, B?aszczyk, Kucharuk, D?browska, & Tchórzewska, 2024）。丝瓜中含有多种生物活性成分，如黄酮类、三萜类和多糖类，这些成分使其具有抗菌、抗氧化和抗炎等多种生物活性（Zhang等人，2019a）。历史上，丝瓜曾被用来治疗呼吸系统疾病、心血管疾病和炎症性疾病（Yu等人，2018）。虽然丝瓜的产量较高，但目前相关研究和应用还较为有限，主要集中在其果皮、种子和根部上（Hu等人，2020；Peng等人，2024），而其果肉往往作为农业废弃物被丢弃，不仅造成资源浪费，还可能引发环境污染。将这类废弃物转化为有价值的资源，既能提升种植经济效益，又能减少污染（Dai等人，2025）。此外，植物果肉通常含有大量的黄酮类和多糖类等生物活性成分（Taher, Tadros, & Dawood, 2018），因此丝瓜果肉有望成为多功能活性包装材料的理想填料。于是，我们将丝瓜果肉提取物引入基于羧甲基纤维素的薄膜中。虽然所得薄膜性能优异，但其柔韧性较差，因此添加增塑剂是一种有效且简便的提升柔韧性的方法（Cazón, Vázquez, & Velazquez, 2018）。

尽管传统的增塑剂（如甘油和山梨醇）能够改善薄膜的机械性能，但它们往往会影响薄膜中的生物活性成分。此外，这类增塑剂稳定性差且易挥发，可能会从薄膜基质中迁移出来，从而破坏薄膜结构，对食品安全构成潜在风险（Vieira, da Silva, dos Santos, & Beppu, 2011）。近年来，深共晶溶剂作为一种新型的绿色增塑剂，在材料科学领域受到了广泛关注（Haq等人，2021）。深共晶溶剂是由氢键受体和氢键供体按照特定摩尔比混合而成的液态混合物，氢键受体如氯化胆碱，氢键供体如羧酸和多元醇，它们的形成依赖于强大的氢键和静电相互作用（Taghizadeh, Taghizadeh, Vatanpour, Ganjali, & Saeb, 2021；Hansen等人，2021）。其中，氯化胆碱因其天然来源、良好的生物相容性、易获取性、低成本，以及能够与多种多元醇和羧酸形成深共晶溶剂的特性，被视为理想的氢键受体（Hansen等人，2021）。作为天然二元羧酸，苹果酸能够与氯化胆碱产生稳定的协同作用（Iyyappan等人，2019）。

苹果酸中的羧基和羟基可作为有效的氢键供体，与氯化胆碱紧密结合，进而提升深共晶溶剂体系的稳定性。深共晶溶剂具有成本低、可生物降解且无毒等优点（Musarurwa和Tavengwa，2021；Perna等人，2020）。它们能够有效降低聚合物的玻璃化转变温度，提升聚合物链的柔韧性（Sokolova等人，2018）。研究表明，含有羧酸型氢键供体的深共晶溶剂能够与多糖链上的功能基团形成氢键，从而形成稳定的体系，这使得深共晶溶剂成为传统增塑剂的理想绿色替代品（Javed等人，2025）。例如，Almeida等人（2018）发现，氯化胆碱/乳酸深共晶溶剂能够有效增塑壳聚糖薄膜，提升其拉伸性能和机械性能。Sousa等人（2022）则发现，用氯化胆碱/草酸/抗坏血酸深共晶溶剂增塑的淀粉薄膜，其物理、光学和机械性能均优于用甘油增塑的薄膜。因此，深共晶溶剂作为生物聚合物体系的新兴增塑剂，展现出巨大的应用潜力。

本研究首先分析了丝瓜果肉提取物中的生物活性成分，将其作为活性填料引入基于羧甲基纤维素的基质中，进而制备出活性包装薄膜。我们通过将氯化胆碱和苹果酸结合形成深共晶溶剂，将其作为可持续增塑剂，研究其对基于羧甲基纤维素的复合薄膜的成分及理化性能的影响。随后，这些薄膜被用于树莓的保鲜和菜籽油的储存，同时研究了它们在天然土壤中的可生物降解性以及对土壤微生物群落的影响，旨在推动可持续资源利用和可持续食品包装的发展。

章节节选

材料

相关材料信息见补充资料部分。

丝瓜果肉提取物的提取

丝瓜果肉提取物的提取方法是参照已有文献，并稍作修改后进行的（Liang, Sun, Cao, Li, & Wang, 2019）。首先将丝瓜清洗、去皮、去籽，然后进行冷冻干燥并捣碎成粉末。筛分后，取10克粉末置于100毫升60%（体积比）的乙醇溶液中浸泡1小时（固体与液体的比例为1:10）。之后将混合液超声处理10分钟，此步骤重复三次。随后

丝瓜果肉提取物的表征

丝瓜果肉提取物的表征结果见补充资料的第S.5.1节。

结构表征

深共晶溶剂及其两种纯组分的傅里叶变换红外光谱见补充资料的第S.5.2节。通过傅里叶变换红外光谱分析了复合薄膜的分子相互作用情况（图1c）。在进行傅里叶变换红外光谱分析之前，所有薄膜都在105℃下烘干至恒定重量，以避免残留的结合水对-OH振动信号的干扰。在羧甲基纤维素薄膜中，3550–3200厘米波数范围内存在一个宽吸收带

结论

本研究成功制备出了基于羧甲基纤维素和丝瓜果肉提取物的活性包装薄膜，而氯化胆碱-苹果酸深共晶溶剂显著提升了这些薄膜的理化性能。X射线衍射和扫描电子显微镜的分析结果表明，丝瓜果肉提取物、深共晶溶剂与羧甲基纤维素之间具有良好的生物相容性，共同形成了均匀且致密的结构。含有70%重量比深共晶溶剂的薄膜具有优异的柔韧性，干燥状态下的断裂伸长率为100.27±1.36%，湿润状态下的断裂伸长率为142.33±1.17%。与相同厚度的商用塑料薄膜（PE）相比，其自由基清除能力

CRediT作者贡献说明

楚雅雅：资源提供。朱德毅：资源提供。薛佳怡：软件使用。盛涛：实验研究。秦若然：软件使用。刘天天：数据整理。李希伟：论文撰写——初稿编写、软件使用、实验研究、正式分析、概念设计。周一斌：论文撰写——审阅与编辑、验证、指导、资金获取。江龙伟：论文撰写——审阅与编辑、验证、指导、项目管理、方法设计、正式分析、概念设计。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了安徽省重大科技专项（编号：202423l10050050）、国家自然科学基金（编号：32172162）以及安徽农业大学人才引进项目的支持。