从柠檬草到纤维素纳米晶体：合成、表征及其在樱桃番茄（Solanum lycopersicum）采后品质控制中的应用

《International Journal of Biological Macromolecules》：From lemongrass to cellulose nanocrystals: Synthesis, characterization, and application in postharvest quality control of cherry tomato ( Solanum lycopersicum)

本研究利用柠檬草秸秆制备纤维素纳米晶体（CNCs），与丁香精油结合形成Pickering乳液作为天然保鲜涂层，显著延缓樱桃番茄成熟，抑制微生物生长，保持营养成分和物理特性，为农业废弃物资源化提供了新途径。

　　

龙福柳（Long Phuoc Lieu）|黄英黛（Hoang Anh Thy Do）|蒂凯万范（Thi Khanh Van Pham）|莉凯贞（Ly Khanh Trinh）|杜克梯（Duc Tri）|钟坚团（Trung Kien Doan）|胡芳阮（Huu Phuong Nguyen）|国团陈（Quoc Tuan Tran）|安泰顺（An The Huynh）|丁权阮（Dinh Quan Nguyen）

越南胡志明市理工大学（HCMUT）化学工程学院生物燃料与生物质研究实验室，地址：莱通基特街268号，第恩洪区，胡志明市，邮编700000

摘要

开发天然且多功能的可食用涂层，以保持水果品质并延缓成熟过程，同时尽量减少合成防腐剂的使用，仍是采后技术中的一个关键挑战。在本研究中，利用丰富的农业废弃物——柠檬草秸秆，通过碱性漂白预处理和硫酸水解将其转化为纤维素纳米晶体（CNCs），并作为丁香精油（CEO）基皮克林乳液（CEO-PE）的天然稳定剂。这些CNCs具有棒状形态和高结晶度，优化的CEO-PE乳液显示出928.5±65.6纳米的液滴尺寸和0.349±0.016的多分散指数（PDI），表明其乳液分散良好且具有动态稳定性。该体系在接近中性的pH值（6–7）和低离子强度条件下表现出优异的稳定性，并对大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和胶孢霉属（Colletotrichum）具有强烈的抗菌活性。当将其作为可食用涂层应用于在常温下储存12天的青葡萄樱桃番茄时，CEO-PE显著延缓了成熟过程，减少了氧气消耗和乙烯产生，降低了重量损失，保持了果实的硬度，并提高了总酚类、类胡萝卜素和抗坏血酸的含量（p<0.05）。这种效果归因于CNCs和CEO的协同作用：CNCs形成了半透性的氧气屏障，而CEO提供了抗氧化和抗菌保护。这项工作展示了一种可持续的增值方法，将农业废弃物转化为可用于可食用涂层的高活性皮克林乳液，为延长新鲜农产品的采后保质期提供了一种绿色且有效的策略。

引言

确保新鲜水果在收获后的品质并延长其储存时间至关重要，尤其是在消费者偏好新鲜、外观吸引人且营养价值完整的产品的情况下。为满足这些需求，需要有效的采后管理策略，以减少损失并保持水果品质，从而提高生产者的经济效益并增强水果的全年供应[1]。收获后的水果和蔬菜在储存过程中的降解不仅会降低其营养价值，还会影响其市场价值和出口潜力。导致这种退化的主因包括真菌污染和不适宜的储存条件[2][3]。与谷物等耐储存作物相比，易腐烂的农产品（如水果和蔬菜）特别容易受到微生物的侵害，尤其是病原真菌[4]。

尽管化学防腐剂被广泛用于控制番茄的采后腐烂，但由于对化学残留物、潜在健康风险以及抗性真菌菌株的出现，其使用受到越来越多的限制。此外，合成杀菌剂在番茄中的效果往往受到法规残留限量和消费者接受度的限制，这突显了需要更安全、天然的防腐策略[5][6]。在这方面，精油因其高扩散性、强抗菌活性以及处理后产品中无毒性残留而成为有前景的生物防腐剂。这些由植物自然产生的挥发性次级代谢物在植物抵御生物和非生物胁迫的防御机制中起着关键作用，使其成为采后保护应用的理想候选者[7][8][9]。然而，精油在实际应用中仍受到固有局限性的制约，包括水溶性差、挥发性高和物理化学稳定性有限[11]。为了克服这些挑战，人们探索了多种配方技术来提高其效果。其中，包封技术在改善精油成分的保留性、稳定性和环境条件下的可控释放方面显示出巨大潜力，同时还能减轻强烈的气味等不良感官效应[12]。这些进展为将精油作为安全、有效且消费者友好的替代品应用于采后系统提供了可行的途径。

基于乳液的体系是输送精油最常用的载体之一[13]。近年来，皮克林乳液作为一种新型乳液受到了广泛关注，其稳定性是通过在油水界面吸附固体胶体颗粒来实现的，取代了传统的表面活性剂。这些颗粒通常处于纳米或亚微米级别，在水相和油相中都表现出部分润湿性，同时保持不溶性，从而形成坚固的界面膜，防止乳液凝聚并提高稳定性[14][15]。与传统由合成表面活性剂稳定的乳液相比，皮克林乳液具有更好的物理化学稳定性、更高的生物相容性以及更强的生物活性物质持续释放潜力。这些特性使其特别适合用于食品、制药和采后保护应用中的精油包封。

在用于皮克林稳定的各种固体颗粒中，纤维素纳米晶体（CNCs）已成为最有前景的候选者之一。由于其纳米级尺寸、高表面积、两亲性质和可再生来源，CNCs能够在油水界面有效吸附，形成具有增强长期稳定性的乳液[16][17]。与传统低分子量表面活性剂相比，CNCs主要通过颗粒锚定和界面堵塞作用提供稳定性，无需持续补充表面活性剂即可减少液滴凝聚[18]。与无机纳米颗粒（如二氧化硅）和合成聚合物颗粒相比，CNCs在生物降解性、生物相容性和适用性方面具有明显优势[19]。此外，与其他天然生物聚合物基稳定剂（如淀粉或蛋白质颗粒）相比，CNCs通常具有更高的硬度和长宽比，这有助于增强界面吸附并形成机械强度高的界面层[20]。当CNCs被纳入含有精油的皮克林乳液中时，不仅提供了结构稳定性，还有助于减缓水分流失和氧化降解[21]。同时，将精油封装在CNC稳定的乳液中还带来了多种功能益处，包括保护挥发性化合物、控制释放、改善在水环境中的分散性以及延长抗菌效果。这些特性在采后水果保存中尤为有利，因为在最低加工条件下需要同时控制微生物污染、快速成熟和营养损失[19]。虽然已经使用了多种植物基和工业纤维素来源来生产CNCs，但探索未充分利用的农业废弃物提供了一种符合循环生物经济原则的可持续替代方案[22][23][24]。在这方面，柠檬草秸秆（LS）是Cymbopogon citratus种植的副产品，是一种丰富但尚未得到充分利用的木质纤维素资源[25]。柠檬草秸秆含有约30%的α-纤维素，木质素含量相对较低（3–17%），这使得使用较温和的预处理方法即可分离出CNCs[26]。相比之下，富含木质素的残渣（如榛子壳，木质素含量为40–50%）需要更严格的脱木质化处理[27]，而香蕉假茎的纤维素含量较低且不稳定，需要额外的加工步骤[28]。因此，柠檬草秸秆通过提取纳米纤维素具有巨大的增值潜力。将柠檬草秸秆转化为CNCs不仅为农业废弃物增加了价值，还为食品相关应用开发了成本效益高、可生物降解的材料[29][30]。

尽管柠檬草秸秆作为可持续CNC原料具有巨大潜力，但其转化为CNCs并进一步用作采后水果保存中的皮克林稳定剂的应用仍研究不足，尤其是在同时追求品质保持和微生物抑制的可食用涂层系统中。因此，本研究旨在从柠檬草秸秆中提取和表征CNCs，制备含有丁香精油的CNC稳定的皮克林乳液，并评估其在常温储存条件下对樱桃番茄的稳定性、抗菌效果和采后保存性能。我们假设从柠檬草秸秆中提取的CNCs可以通过形成坚固的界面层和半透性屏障基质，作为有效的颗粒稳定剂和涂层构建块，而丁香精油则提供补充的抗菌和抗氧化保护。因此，这种多功能CNC-CEO皮克林涂层有望减少腐败并延缓品质恶化，为采后保存提供一种可持续且实用的方法。

材料

柠檬草秸秆（Cymbopogon citratus）从越南胡志明市的一家当地超市购买，风干后通过60目筛子研磨。用于纤维素分离的硫酸（98%）、氢氧化钠、过氧化氢、乙醇及其他试剂均购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。

丁香精油（CEO）通过蒸馏Syzygium aromaticum的干燥花蕾获得，购自VietPlantex联合股份公司（胡志明市）

纤维素纳米晶体表征

原始柠檬草秸秆（LS）和处理后的柠檬草秸秆（TLS）的化学成分见表1。碱处理和漂白处理显著改变了生物质的化学组成。

处理后，木质素含量从20.4%降至2.8%，表明脱木质化效果显著。同时，半纤维素含量从28.5%降至11.1%，表明在碱性处理过程中部分去除。相比之下，α-纤维素含量有所增加

结论

本研究展示了一种由从柠檬草秸秆中提取的纤维素纳米晶体（CNCs）和丁香精油（CEO）组成的绿色创新皮克林乳液涂层，为在常温储存条件下保持水果品质提供了可持续的方法。将柠檬草秸秆转化为CNCs不仅促进了农业废弃物的循环利用，还产生了高效的颗粒乳化剂，确保了界面稳定性而无需使用合成表面活性剂。

CRediT作者贡献声明

龙福柳（Long Phuoc Lieu）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法学研究、数据分析、数据整理。黄英黛（Hoang Anh Thy Do）：初稿撰写、方法学研究、数据分析、概念化。蒂凯万范（Thi Khanh Van Pham）：可视化处理、验证、资源协调、数据分析、正式分析。莉凯贞（Ly Khanh Trinh）：撰写——审稿与编辑、正式分析、概念化。杜克梯（Duc Tri）：撰写——审稿与编辑、可视化处理

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了ChatGPT来改进语言和可读性，但使用了该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢胡志明市理工大学（HCMUT）对这项研究的支持。