润湿性梯度双层纳米纤维膜用于调控微生物生长、水果保存过程中的微环境以及水分的定向传输

《Food Control》：Wettability-gradient bilayer nanofiber membranes for regulating microbial, moisture microenvironment and directional water transport in fruit preservation

双相纳米纤维膜通过整合天然深共熔溶剂与聚多酚银纳米颗粒协同抑制微生物并调控湿度，有效延长李干保质期至15天。

　　

林王|刘伟|陈先瑞|吴珍珍|王泽艺|关秀清|张怀文|郝静城

教育部胶体与界面化学重点实验室，山东大学，济南，250100，中国

摘要

采后品质的保持依赖于能够同时调节微生物和水分微环境的包装材料。在本研究中，设计了一种不对称双层纳米纤维膜，将天然深共晶溶剂（NADESs）和多酚功能化的银纳米粒子（PF-Ag）结合在一起，以协同调控这些保鲜过程。核磁共振（NMR）证实了NADESs的氢键结构，而扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）则验证了PF-Ag的形态和表面化学性质。这些活性单元被嵌入亲水性和疏水性纤维中，并通过静电纺丝技术组装成具有润湿性不对称性的双层结构。NADESs提高了界面相容性和纤维均匀性，而PF-Ag则有效抑制了微生物生长并具有自由基清除能力。这种双层结构还实现了定向水分传输，从而建立了严格调控的微生物和水分微环境。与单层或无添加剂的对照组相比，该膜表现出显著改善的机械稳定性、气体阻隔性能和水分管理能力。应用于新鲜西梅时，该膜有效减缓了微生物腐败，减少了表面水分积累，稳定了内部气体组成，并将保质期延长至室温下的15天。这项工作阐明了一种NADES–PF-Ag协同策略在微环境响应型双层纳米纤维中的应用，为可持续的采后包装提供了一个有前景的平台。

引言

新鲜水果因其富含维生素和其他必需营养素而受到广泛喜爱；然而，新鲜水果也极易发生采后腐败（Rajestary, Landi, & Romanazzi, 2021）。全球每年约有三分之一的食物被浪费，导致巨大的经济损失、资源枯竭以及对食品安全和可持续性的严重威胁。微生物污染是水果品质下降的主要原因（Pietrysiak, Smith, & Ganjyal, 2019）。此外，持续的呼吸作用和蒸腾作用会释放水蒸气，动态改变包装内的水分环境（Belay, Caleb, & Opara, 2019）。过多的水分积累会促进微生物繁殖并加速腐烂（He, et al., 2024）。水分传输和水分管理是采后保鲜中的关键因素，但常常被忽视。因此，有效的微生物抑制策略、内部水分微环境的调节以及定向水分传输被认为是延长水果和蔬菜保质期的三个核心挑战。

迄今为止，已经探索了多种减轻微生物污染的策略，包括抗生素、植物多酚、抗菌肽和金属纳米粒子。然而，传统方法（如杀菌抗生素）往往效果有限（Diaz-Tang, et al., 2022），而抗菌肽的使用则面临高成本和合成复杂的挑战（Zhu, Liu, & Niu, 2017）。长期使用季铵盐类物质还会引发细菌抗性的问题（Boyce, 2023）。因此，具有广谱抗菌活性、制备简便且不易诱导抗性的银纳米粒子在这方面受到了广泛关注（Cao, et al., 2017）。通过多酚（如多巴胺或普芦兰）的功能化处理，可以提高银纳米粒子的分散性、稳定性和相容性，从而增强其在安全有效抗菌包装中的应用潜力（Chen, et al., 2024）。

NADES是一类绿色溶剂，通常由天然、生物相容的氢键供体（例如有机酸、糖类）和氢键受体（例如氯化胆碱）混合而成。它们的关键特性是熔点远低于任何单一成分，这主要是由于强烈的分子间相互作用，尤其是氢键作用。为了赋予材料抗菌、抗氧化和阻隔紫外线等生物活性，NADES作为一种可持续且高度可调的材料应运而生，其成分完全由天然代谢物组成，包括氨基酸、有机酸和酚类化合物（Achkar, Greige-Gerges, & Fourmentin, 2021）。与传统含有合成成分的DES相比，NADES具有更好的生物相容性、环境安全性和化学灵活性（Tian, et al., 2025）。除了作为绿色溶剂外，NADES还作为聚合物基基材的多功能添加剂，其密集的氢键网络和分子相互作用提高了材料的柔韧性、水分管理和抗氧化性能（Xu, et al., 2024）。重要的是，NADES的可调极性、粘度和蒸汽亲和力使其能够选择性地与水分子相互作用，从而调节水分和气体的溶解度、扩散性和渗透性（Pelaquim, Barbosa Neto, Dalmolin, & Costa, 2021）。这些特性使得NADES成为维持平衡水分微环境的有希望的策略，这对于保持采后水果品质至关重要（Gidado, Gunny, & AlNashef, 2025）。

静电纺丝技术在制备具有高孔隙率、可调纤维直径和可控层间结构的功能性食品包装材料方面具有巨大潜力（Xu, et al., 2025）。设计具有亲水层和疏水层的双层纳米纤维膜可以实现定向水分传输（Si, et al., 2022），亲水层吸收水分并将其导向外部，而疏水层保持干燥表面，从而稳定内部水分微环境（Zhu, et al., 2025）。这种双层结构还作为活性剂的有效载体，使得PF-Ag和NADES的协同结合成为可能。通过调节纤维排列、孔径和层组成，不仅可以增强抗菌效果和调节气体渗透性，还可以实现可控的水分传输，为水果和蔬菜提供综合的物理和化学保护，延长其保质期（Dong, et al., 2025; Li, et al., 2025）。

基于这些策略，本研究重点设计和制备了一种亲水-疏水双层纳米纤维膜（PCP-GPZ），通过顺序静电纺丝法结合了PF-Ag和NADES（图1）。该膜旨在实现三种协同功能：（i）强效抑制微生物；（ii）调节内部水分微环境；（iii）促进定向水分传输。膜的亲水层包含普鲁兰、羧甲基壳聚糖、亲水性NADES和P-Ag纳米粒子，而疏水层则包含PBS、玉米醇溶蛋白、疏水性NADES和G-Ag纳米粒子。这种双层结构借鉴了荷叶的润湿性梯度原理，克服了传统Janus材料的局限性，为持续的水分管理提供了持久且高效的解决方案。本研究的全面评估表明，该膜具有改进的机械强度、气体阻隔性能和抗菌性能，凸显了其作为可持续多功能活性包装材料的潜力。

材料

实验中使用的所有材料均来自商业渠道，具有指定的纯度和分子量（Mw），并按其功能角色分类：

聚合物：玉米醇溶蛋白（纯度98%，Mw = 169.87）和普鲁兰（纯度98%，Mw = 2.0 × 10⁵）由Aladdin Biochemical Technology Co. Ltd.（中国上海）提供。羧甲基壳聚糖（CMCS，羧化度≥80%）由上海Yuanye Biotechnology Co., Ltd.（中国上海）提供。聚（1,4-丁二酸）（PBS，Mw

P-Ag和G-Ag的制备与表征

DA是一种含有儿茶酚的多酚，具有强氧化还原活性和多个羟基，能够有效对银纳米粒子进行表面功能化（Zhang, et al., 2020）。受贻贝粘附机制的启发，DA可以自氧化在银纳米粒子表面形成均匀的PDA涂层，从而提高其分散性、稳定性和界面相容性（Yang, et al., 2024）。同样，PUE是一种天然存在的异黄酮多酚，具有

结论

本研究开发了一种多功能双层纳米纤维食品包装材料，它集成了抗菌活性、内部水分微环境调节和定向水分传输功能，从而表现出优异的保鲜效果，可使西梅等多种水果的保质期延长至15天。该PCP-GPZ膜借鉴了荷叶的双表面润湿性梯度原理，通过结合亲水层和疏水层实现了这些功能

CRediT作者贡献声明

林王：撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。刘伟：撰写初稿、实验研究、数据管理。陈先瑞：实验研究、数据分析。郝静城：撰写修订稿、监督工作、项目管理、资金申请、数据管理、概念构建。吴珍珍：实验研究、数据分析。王泽艺：实验研究、数据分析。关秀清：实验研究、数据分析。张怀文：

未引用参考文献

Chen et al., 2024; Cui et al., 2021; El Achkar et al., 2021; He et al., 2024; Jiang et al., 2023; Liu et al., 2025; Wang et al., 2020; Wang et al., 2025; Wu et al., 2025; Wu et al., 2025; Xu et al., 2025.

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的利益冲突。

致谢

我们衷心感谢国家自然科学基金（资助编号：22572105，J.H.）、中国博士后科学基金（资助编号：2024M761815，L.W.）以及南京农业大学食品科学与技术学院的青年人才支持计划（资助编号：80900820，L.W.）提供的财政支持。同时，我们也感谢山东大学结构组成与物理性质研究部门的技术协助。