椰子油在基于果胶和琼脂的生态可持续涂层中延长柑橘保鲜期的作用

《Progress in Organic Coatings》：Role of coconut oil in eco-sustainable coating based on pectin and agarose for mandarin shelf-life extension

　　鲍-特兰·范-特兰|林赫·阮-努特|图埃·金·潘|兰·蒂·庄|蒂·图昂·维·特兰|通·蒂·阮

越南胡志明市西贡高科技园阮达清大学高科技发展中心，邮编71516

摘要
食品安全问题以及日益严重的环境担忧，是推动生态可持续材料发展的关键因素。本研究开发了以果胶和琼脂糖为代表的环保型可再生生物聚合物，并结合椰子油作为天然增塑剂，用于制作多功能涂层，以此延长金桔的保质期。含有椰子油的果胶/琼脂糖/甘油复合膜比仅用甘油增塑的膜具有更高的柔韧性。傅里叶变换红外光谱、差示扫描量热法以及力学分析结果均证明了椰子油在薄膜形成过程中的增塑作用。此外，椰子油还显著提升了材料的阻隔性能，包括对水分的阻隔能力（表面疏水性、含水量、膨胀指数、水蒸气渗透率以及溶解度）和紫外线阻隔能力（UV-C透光率接近0%，UV-B透光率低于10%）。添加椰子油还能显著提升PAG涂层的抗氧化性能，这对于采后水果的保存具有重要意义。经测试，含有椰子油的PAG可食用涂层可使金桔的保质期延长至21天，而未涂覆的果实仅能保持6天，充分展现了其在生态可持续采后保存方面的应用潜力。

引言
近几十年来，由于石油基塑料具有多样性、丰富性以及良好的物理化学性质，包装制造行业一直严重依赖这类材料[1]。全球塑料产量呈指数级增长，从2015年的约2.8亿公吨上升至2022年的约4亿公吨[1]。然而，传统塑料的持久性及其缓慢降解速度引发了严重的环境问题，甚至在地球最偏远的地区——从北极地区和海洋深处到大气层和云层中——都发现了塑料残留物[1][2]。在食品饮料行业中，一次性塑料仍然发挥着重要作用，它们能够保护产品、延长保质期、保持产品感官品质，并减少采后损失，在发展中国家，采后损失可能高达总产量的40%[2]。因此，开发生态可持续且可再生的包装材料至关重要，这有助于减少对石油基塑料的依赖，同时保持其防护功能。

果胶是一种相对廉价、天然存在的多糖，已被美国食品药品监督管理局认定为安全食品添加剂[3]。由于其无毒、成本低、易获取且可生物降解，果胶被视为食品包装领域替代传统塑料的理想材料，因此越来越受到重视[4]。不过，果胶具有很强的亲水性强，这限制了它的应用范围。为此，人们将果胶与其他聚合物如琼脂糖混合，以改善基于果胶的薄膜的亲水性。琼脂糖是从红藻类植物如 Gelidium、Pterocladia 和 Gracilaria 中提取的一种常见多糖，由交替连接的β-(1,3)-和α-(1,4)-半乳糖单元组成，同时还含有硫酸基团[5]。由于具有良好的成膜性和凝胶化能力，琼脂糖被广泛用于可生物降解薄膜的生产中[6][7]。我们之前的研究显示，果胶与琼脂糖之间具有良好的相容性和混溶性[8]。然而，由于果胶与琼脂糖的功能基团之间存在分子间相互作用，混合使用琼脂糖会显著降低薄膜的柔韧性和段运动能力，这一点从纯果胶薄膜相比混合薄膜更高的玻璃化转变温度中可以看出。由于柔韧性较差，果胶/琼脂糖涂层在储存过程中难以有效保护水果，因为这些涂层容易开裂和脱落。为了解决这一问题，增塑是提高基于生物聚合物的薄膜柔韧性的关键手段。

增塑剂通常是低分子量化合物，它们可以插入聚合物链之间，从而减弱链与链之间的分子间作用力，包括氢键和范德华力[9]。这样一来，聚合物的自由体积和链的运动能力都会显著增加，进而导致玻璃化转变温度下降。甘油因其能与聚合物中的羟基形成强氢键，而被广泛用作基于生物聚合物的薄膜系统中的增塑剂[10]。不过，由于其极高的亲水性，甘油会导致过度吸水，从而降低薄膜在储存过程中的机械强度和阻水性能。为了解决这些问题，人们提出了使用疏水性脂类增塑剂作为增强亲水性聚合物阻水性能的替代方案。多种脂类添加剂——如棕榈油、初榨椰子油、硬脂酸等——常被用来提升材料的阻水性能[9]。众所周知，椰子油是一种植物源性油脂，其主要饱和脂肪酸为月桂酸。近年来，由于其良好的生物相容性、可生物降解性、低细胞毒性以及可持续性，椰子油引起了大量研究兴趣。椰子油中的中链脂肪酸可作为内部润滑剂，通过增加聚合物基质内的空间距离，减少分子间相互作用，进而提升链的运动能力[11]。许多研究表明，椰子油能够显著提升材料的阻水蒸气性能，表现为水蒸气透过率下降，同时还能提高材料的断裂伸长率，而对薄膜基材的拉伸强度影响甚微。例如，将0.25–1.5毫升/克的椰子油加入1%（重量/体积）的壳聚糖薄膜中，可使该薄膜的断裂伸长率从纯壳聚糖薄膜的10.21%提升至含1.25毫升/克椰子油薄膜的39.72%[12]。同时，椰子油还能将水蒸气透过率从4.75×10?12克/米·秒·帕斯卡降至3.36×10?12克/米·秒·帕斯卡，而对无椰子油薄膜及含1.25毫升/克椰子油薄膜的拉伸强度仅带来轻微下降，分别为81.7兆帕和57.1兆帕。肖等人也报告了类似的研究结果[13]，他们研究了以玉米淀粉（0.8%，重量/体积）、海藻酸钠（0.8%，重量/体积）和阿拉伯树胶（0.4%，重量/体积）为原料制成的可食用薄膜。与不含椰子油的对照薄膜相比，后者的水蒸气透过率为17.3–9.65×10?11克/米·秒·帕斯卡，断裂伸长率为17.2%，拉伸强度为29.5兆帕；而在含50%椰子油（以阿拉伯树胶为基准计算）的薄膜中，水蒸气透过率降至约10×10?11克/米·秒·帕斯卡，断裂伸长率升至24.5%，拉伸强度则降至20.5兆帕。肖等人的另一项研究[14]也表明，在以魔芋葡甘露聚糖、琼脂和阿拉伯树胶为原料的对照薄膜中，加入0.1–0.6%（按总固体含量2%的重量/体积比例计算）的椰子油后，薄膜的断裂伸长率提高了1.29–1.75倍，水蒸气透过率降低了1.16–1.52倍，接触角提高了1.07–1.24倍，膨胀程度降低了1.01–1.44倍，同时溶解度和拉伸强度分别降低了1.35–1.96倍和1.03–1.21倍。此外，含有0.4%（重量/体积）椰子油的乳化薄膜也因其出色的拒水性能，显示出在保鲜新鲜黄瓜方面的应用潜力。还有研究指出，将3–5%（重量/体积）的椰子油加入以象脚薯淀粉（3%，重量/体积）、羧甲基纤维素（0.5%，重量/体积）和纳米结晶纤维素（5%，重量/体积）为原料制备的薄膜中，可使薄膜的断裂伸长率从原始膜的69.17%提升至75.34–90.74%。与此同时，椰子油的添加使薄膜的拉伸强度从4.88兆帕降至4.07–3.22兆帕，溶解度从40.59%降至39.40–36.04%，水蒸气透过率从6.56克/米2·小时降至6.22–3.99克/米2·小时[15]。总体而言，将椰子油引入基于生物聚合物的薄膜中越来越受到关注，但大多数研究主要集中在材料的物理性能、亲水/疏水行为上，对于所制材料的抗氧化性能以及在实际食品保存中的应用效果则研究较少。

本研究旨在将甘油和椰子油作为共增塑剂，用于果胶/琼脂糖薄膜的制备，以此提升薄膜的柔韧性、抗氧化性能以及阻水性能。我们推测，椰子油在聚合物基质中的分散作用兼具结构改性与增塑双重功能。为确保脂类在多糖连续相中均匀分布，本研究还加入了聚山梨酯80作为乳化剂，它既可作为薄膜基质的组成部分，也能在薄膜形成过程中起到稳定作用。此外，本研究还详细探讨了将含有椰子油的果胶/琼脂糖涂层用于金桔保存的可行性。据我们所知，虽然已有研究将椰子油应用于多种基于生物聚合物的薄膜中，但这些研究主要集中于以淀粉、壳聚糖或树胶为基料的体系，重点在于研究其物理化学性质和阻水性能。而关于将椰子油作为天然共增塑剂用于果胶/琼脂糖基质的研究则相对较少，尤其是在其抗氧化功能以及在实际采后保存中的应用方面。因此，预计引入椰子油将进一步提升基于果胶的材料的各项功能，为其在可持续食品包装领域的应用提供有力支持。

材料部分
果胶（聚-D-半乳糖醛酸甲酯，酯化度为65–70%，半乳糖醛酸含量≥65%）购自印度HiMedia Laboratories Pvt. Ltd.公司。琼脂糖则从新加坡VWR Singapore Pte. Ltd.公司购买。甘油和聚山梨酯80则由中国Xilong Scientific Co., Ltd.公司提供。用于研究的有机初榨椰子油是通过冷压工艺生产的，购自越南Vietcoco - Luong Quoi Coconut Co., Ltd.公司，其成分符合标准要求。

薄膜微观结构分析
通过扫描电子显微镜对薄膜的外表面和内表面进行了分析（见图1）。PAG薄膜的外表面致密、连续且均匀。而含有椰子油的薄膜则呈现出不连续且更为粗糙的表面，表面上有圆形凸起。随着椰子油浓度从5%升高到15%（重量/重量），圆形凸起的数量也会相应增加。在高浓度椰子油的作用下，薄膜基质内部保留油滴的能力下降，从而导致……

结论
本研究表明，椰子油作为一种天然共增塑剂，具有在基于果胶/琼脂糖的薄膜和涂层中用于采后保存应用的潜力。将5–15%（重量/重量，以果胶计）的椰子油引入薄膜后，可显著降低薄膜的含水量、溶解度以及膨胀程度。混合薄膜的水蒸气透过率与水接触角以及扫描电子显微镜观察结果一致。含有5%（重量/重量）椰子油的薄膜表现出最低的……

作者贡献声明
鲍-特兰·范-特兰：撰写原文初稿、数据可视化、方法设计、实验研究、正式数据分析、数据整理。
林赫·阮-努特：实验研究、正式数据分析。
图埃·金·潘：实验研究、正式数据分析。
兰·蒂·庄：数据可视化、结果验证、正式数据分析。
蒂·图昂·维·特兰：数据可视化、结果验证。
通·蒂·阮：撰写审稿与编辑版本、项目监督、项目管理、研究构思。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了越南胡志明市阮达清大学的资助，资助编号为2026.01.19。