基于多壁碳纳米管/壳聚糖包装材料的微波加热均匀性提升

《Food Chemistry》：Microwave heating uniformity enhancement based on multi-walled carbon nanotube/chitosan packaging

利用羧基修饰多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）增强复合薄膜的微波吸收和热传导性能，显著改善微波加热过程中稻球的温度不均匀性，消除热点与冷点，并通过介电损耗和焦耳热效应实现热量均匀分布。该环保包装材料在确保机械强度的同时，为即食食品的微波加热提供了高效解决方案。

　　

吴玉青|张俊俊|黄晓伟|张新爱|邹晓波|施继勇

江苏省江苏大学食品与生物工程学院农产品加工与贮藏实验室，镇江市，江苏212013，中国

摘要

非均匀加热是微波食品加工中的一个主要挑战。为了解决这个问题，我们通过将羧基修饰的多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）掺入壳聚糖（CS）基质中，开发了一种可生物降解的、具有微波活性的复合薄膜。MWCNT-COOH显著改善了介电性能，并在CS中形成了均匀、分散良好的网络结构，从而增强了界面兼容性和导热性。优化后的CS/MWCNT-COOH-0.9薄膜作为一种高效的微波吸收和导热层发挥作用。当该薄膜用于模型食品（米球）并在700 W的微波辐射下使用时，红外热成像显示其显著提高了加热均匀性。该薄膜通过介电损耗和焦耳热将微波能量转化为热能，减少了食品内部的温差，消除了热点和冷点。这项工作为即食食品的微波加热提供了实用的包装解决方案，并采用了先进的加工技术，最终得到的包装具有环保特性。

引言

微波加热技术在食品加工中具有显著优势，包括快速加热、高能量效率、有效的杀菌效果，以及广泛应用于谷物干燥、果蔬预处理和方便食品再加热等领域（Deng等人，2024年；Fatima等人，2023年）。与传统加热方法相比，微波加热通过与材料内部的极性分子和带电粒子直接相互作用实现即时加热，无需依赖导电介质（Yang、Wang和Chen，2024年；Liu、Zhou等人，2023年）。然而，微波加热效率经常受到非均匀电磁场分布和食品材料复杂性的限制，这些因素会导致温度分布不均和产品质量不稳定（Cheng、Yang、Li、Xiao和Gao，2022年；Dutta等人，2024年；Xu等人，2024年）。

食品包装在解决这些不均匀性问题中起着关键作用。不同包装材料（如铝箔和塑料）之间的导热性差异显著影响了微波加热过程中的热量传递（Shin、Thanakkasaranee、Kambiz和Seo，2023年；Thanakkasaranee、Sadeghi和Seo，2023年）。设计良好的包装可以通过调节微波能量分布和增强导热性来提高加热均匀性（Taguchi等人，2025年；Tasci、Liu、Erdogdu和Ozturk，2024年）。先进的包装技术，包括微波吸收剂和场修饰技术，可以实现电磁能量吸收和热转换的精确控制（C. Liu等人，2024年）。此外，活性包装系统可以通过辐射和传导机制重新定向微波能量，从而提高加热效果和最终产品的质量。

碳纳米管（CNTs）在材料科学、纳米技术和食品包装领域具有巨大潜力，因为它们具有出色的稳定性、低密度、优异的导电性，且结构易于修改（Chenyang Liu等人，2025年；Chen和Mitra，2008年）。多壁碳纳米管（MWCNT）由多个同心碳纳米管组成，具有较大的比表面积和更强的导电性（Tao、Yang、Qiu、Cui和Hu，2023年）。这些特性使MWCNT能够有效吸收电磁波，尤其是在微波频率范围内（Huang等人，2023年；Gao等人，2022年）。MWCNT表面的大量化学反应位点使其可以通过与多种化学基团的反应引入或修改表面官能团（Chopra等人，2019年）。同时，CNTs在低浓度下的良好生物相容性使其成为生物医学、传感器和环境修复等领域的理想材料（Da Silva等人，2023年；George等人，2021年；Rabba'a、Abu-Zurayk、Abu-Irmaileh、Mallouh和Bustanji，2024年；Wang、Nakatsuji、Yoshii、Kasai和Nishihara，2025年）。

尽管碳纳米管复合材料的微波吸收性能已经得到充分验证，但本研究通过开发一种专为改善实际微波再加热效果设计的食品级包装薄膜，实现了重要突破。通过将羧基修饰的MWCNT（MWCNT-COOH）整合到壳聚糖（CS）基质中制成外包装层，我们开发出了一种功能性材料，它不仅利用了MWCNT的天然微波吸收能力，还利用了另一种微波诱导的特性——即通过焦耳热产生的导热效应来进行针对性加热。这种方法解决了食品加工中的两个关键问题：首先，它使微波场均匀化，实现均匀加热并提高食品安全性；其次，使用天然聚合物CS作为支撑材料，确保了MWCNT-COOH的机械强度，同时最大限度地保留了其环保性能。因此，这项工作不仅展示了微波活性，还为制造符合食品安全原则的结构稳定复合材料提供了新的见解。这种结合场均匀化和可控焦耳热的综合方法在当前包装研究中仍较少探索。

材料与仪器

多壁碳纳米管（MWCNT，含量>95%，直径：40–60 nm）、PEG-8000（分子量：8000 g/mol，纯度：99%）、浓硝酸（HNO?，纯度：65.0–68.0%）和浓硫酸（H?SO?，纯度：95.0–98.0%）均购自Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd。所有试剂均按原样使用，无需进一步纯化。壳聚糖购自中国上海的Sangon Biotechnology Corp.

MWCNT-COOH的制备

MWCNT在H?SO?和HNO?（体积比3:1）的浓酸混合物中于70°C下进行回流处理

材料形态表征

图1A和1B展示了化学功能化前后MWCNT的扫描电子显微镜（SEM）图像。原始的MWCNT具有特征性的长而直的管状形态，直径非常均匀。而经过酸介导的功能化处理后，观察到明显的结构变化：部分纳米管发生断裂，长度缩短，表面粗糙度增加。这些形态变化与功能化反应的结果一致

结论

总之，本研究成功开发了一种可生物降解的、功能性的壳聚糖基复合薄膜，该薄膜含有CS/MWCNT-COOH成分，可作为微波活性包装材料使用。这种材料的主要应用在于显著提高微波加热的均匀性，特别是对于容易产生热点和冷点的食品。通过将包装材料改造成高效的微波吸收和导热界面，

CRediT作者贡献声明

吴玉青：撰写初稿、软件开发、方法设计、概念构思。张俊俊：数据验证、软件使用、数据管理。黄晓伟：软件开发、方法设计、概念构思。张新爱：实验研究。邹晓波：数据可视化、资源获取、资金申请。施继勇：数据验证、资源管理、资金申请。

未引用的参考文献

Jain等人，2019年

Jamadi、Seyed-Yazdi、Ebrahimi-Tazangi和Hosseiny，2024年

Luo等人，2024年

Moon、Mim、Billah和Masud，2025年

Shao等人，2021年

Tang等人，2020年

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFD2100603）、国家自然科学基金（项目编号：3231101269、32272407）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20220058、BE2022313、BK20200103、BK20220111）以及江苏省特聘教授基金（项目编号：202074）和江苏省高等教育机构重点学术计划（PAPD）的支持。