制备含有姜提取物的PAN纳米纤维垫，作为一种非接触式的天然抗氧化系统用于保存大豆油

《Food Packaging and Shelf Life》：Fabrication of ginger extract–loaded PAN nanofiber mats as a non?contact natural antioxidant system for preserving soybean oil

姜提取物负载聚丙烯腈纳米纤维包装系统通过溶液吹塑法制备，采用不同浓度（12%,15%）和针头尺寸（21G,18G）探究纳米纤维特性，证实Mat II和Mat IV组在DPPH（56.37%-60.22%）和总酚含量（95.5-104.75mg GA/100g）方面表现最佳，同时显著降低过氧化值（9.26-9.30meqO2/kg）和酸值（<0.6mg KOH/kg），通过非接触式瓶盖封装实现间接抗氧化释放，有效延缓大豆油氧化变质。

　　

Shamous M. Ibrahim|Ayat F. Hashim|Ayman El Said|Tamer Hamouda

埃及首都大学应用艺术学院纺织系（原赫尔万大学）

摘要

鉴于合成抗氧化剂的局限性日益明显，本研究提出了一种基于生姜的天然抗氧化剂，通过非接触式的PAN纳米纤维包装系统进行释放。采用溶液吹制技术，成功将生姜提取物掺入聚丙烯腈（PAN）纳米纤维垫中，研究了不同聚合物浓度（12%和15%）和针头规格（21G和18G）对纳米纤维垫的影响。制备的纳米纤维垫被固定在瓶盖内部，以实现抗氧化剂向油中的间接释放。共制备了四种纳米纤维垫变体（Mat I–IV）和两种薄膜样品（Film I–II），并通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、二苯基氨基苯酚（DPPH）和总酚含量（TPC）测试对其进行了表征。大豆油样品（O Mat I - O Mat IV）在50°C下加速氧化条件下储存了30天。采用过氧化值（PV）、p-茴香胺值、酸值、FTIR、DPPH和TPC作为氧化稳定性参数。结果表明，Mat II具有最高的TPC值（400.25 mg GA/100 g）和DPPH清除率（63.36%）。O Mat II和O Mat IV在氧化指标上表现出最长的延迟阶段，显示出优异的氧化稳定性。O Mat II和O Mat IV的过氧化值分别为9.26和9.30 meqO₂/kg，酸值低于0.6 mg KOH/kg。到第20天时，O Mat II和O Mat IV的DPPH清除率分别为56.37%和60.22%，相应的TPC值为104.75和95.5 mg GA/100 g。本研究提出了一种新型的保鲜策略，将植物基抗氧化剂与纳米技术结合，用于食品包装。

引言

食用油是我们饮食中的重要组成部分，因为它们是可溶于脂肪的必需脂肪酸和维生素的重要来源。大豆油是最常见的食用油之一，含有亚油酸和油酸（Gobana & Geleta, 2022）。然而，其易氧化的特性对其营养价值、保质期和安全性提出了挑战（Viana da Silva et al. 2021）。脂质氧化是一个复杂的过程，当脂质暴露在光、氧气和热量下时会发生。这一过程通过自由基进行，而自由基受化学和环境因素的影响（Gutiérrez-del-Río, et al., 2021）。一方面，氧化会产生难闻的气味并改变风味；另一方面，还可能导致有毒化合物的形成，从而引发心脏病、突变和癌症。人们对食用油的安全性和质量的关注日益增加。

向食品中添加合成或天然抗氧化剂是延缓或防止脂质氧化的常用方法（Zahran & Najafi, 2020）。抗氧化剂能够在低浓度下抑制或延缓底物的氧化（Khan, Paniwnyk, & Hassan, 2019）。尽管合成抗氧化剂被广泛用于延长油的保质期，但某些类型的抗氧化剂已被证明会致癌并对人体健康造成危害。因此，越来越多的人使用植物来源的抗氧化剂作为合成添加剂的替代品（Xu, et al., 2021; Uzombah et al. 2022; Carocho & Ferreira, 2013）。Rangani和Ranaweera将生姜提取物作为天然抗氧化剂用于延长初榨椰子的保质期（Rangani & Ranaweera, 2023）。当生姜浓度不超过600 mg/kg时，生姜提取物还能在不影响油风味的情况下延缓油的氧化（Elsorady & Elgindy, 2022）。Abdo、Shaltout和Mansour（2023）发现添加石榴、橙子和甜菜根叶提取物可以提高大豆油的稳定性。Li等人（2021）的研究表明，迷迭香衍生的抗氧化剂在提高大豆油的稳定性和质量方面优于合成抗氧化剂。

纳米技术因其高表面积和内在多孔性而成为广泛应用的前景领域，这提升了其在多个领域的功能（Kenry, Lim, 2017）。食品包装在确保食品安全和防止变质方面起着关键作用。最近的趋势侧重于开发更可持续和功能性的包装系统，以提高食品质量。由于纳米纤维独特的化学和机械性能，它们成为活性食品包装系统的理想候选材料，能够延长保质期（Ahmad, Qurashi, & Sheehan, 2023; Joshi, et al., 2024; Souza & Fernando, 2016）。例如，基于聚乙烯醇（PVA）的纳米纤维已被开发用于结合肉桂精油纳米脂质体，显示出提高食品新鲜度的效果（Nazari, et al., 2019）。Ghosh等人使用壳聚糖负载的纳米纤维开发了可食用涂层，有效减少了新鲜切开的菠萝的变质并延长了其保质期（Ghosh, Nakano, Mulchandani, & Katiyar, 2021）。此外，碳纳米纤维与咖啡渣混合后用于制作猪肉碎的纳米涂层，提升了肉质（Sul, Khan, & Rhim, 2024）。这些例子突显了基于纳米纤维的系统在食品保鲜方面的潜力。

尽管纳米技术和食品保鲜受到了越来越多的关注，但目前尚无研究探讨纳米纤维在延长食用油保质期方面的应用。这是一个具有巨大发展潜力的领域。精炼食用油由于在精炼过程中大部分天然抗氧化剂被去除，因此极易氧化，从而需要额外添加抗氧化剂。虽然合成抗氧化剂在食品和包装中得到广泛应用，但其安全性受到质疑，因为它们可能对健康构成风险。因此，消费者更倾向于选择天然、可持续和更安全的替代品。

大豆油含有不饱和脂肪酸（亚油酸、亚麻酸和油酸），这使得它容易氧化。为了保持食品质量，通常会使用合成抗氧化剂。尽管这些抗氧化剂有效，但它们可能对消费者健康造成危害，因此人们正在寻找天然的替代品来延长油的保质期。生姜是一种强大的天然抗氧化剂和抗菌剂，含有姜醇、姜辣素和酚类等生物活性化合物。

然而，直接将生姜加入油中可能会改变其感官特性。这时纳米技术就派上了用场。纳米纤维因其高表面积、负载提取物的能力和可控释放特性而成为理想的输送系统。

因此，将生姜提取物负载到PAN纳米纤维中，可以控制这些抗氧化剂向大豆油中的释放，从而延长其保质期。本研究通过生产负载生姜的纳米垫来展示了一种新的保鲜方法，有效延长了大豆油的保质期。这与全球推进食品保鲜的努力相一致，将纳米技术与植物基抗氧化剂结合，提供了一种利用天然植物来源抗氧化剂的安全保鲜方法。这些纳米纤维垫被固定在瓶盖内部，实现持续释放抗氧化剂而无需直接接触油。

通过不同的纺丝参数（包括针头尺寸和聚合物浓度）制备了纳米纤维垫，以研究它们对纤维形态和性能的影响，并与相应的聚合物薄膜进行了比较。通过DPPH、TPC、FTIR、XRD和SEM分析了纳米纤维垫的抗氧化活性、化学相互作用和形态。大豆油样品在50°C下储存30天以模拟加速氧化条件。监测了以下油质参数：过氧化值、酸值、p-茴香胺值、FTIR、总酚含量、DPPH和HPLC。

材料

本研究中使用的聚丙烯腈（PAN）聚合物来自纺织制造废弃物中的丙烯酸织物。二甲基甲酰胺（DMF）从印度孟买的Fine Chem有限公司购买。生姜粉从埃及吉萨的当地市场采购。精炼、漂白和脱臭的大豆油（添加了≤200 ppm的TBHQ作为抗氧化剂）以及未添加抗氧化剂的大豆油来自埃及开罗的Savola食品公司。2,2-二苯基-1-吡啶基肼（DPPH，90%）

形态和直径表征

通过扫描电子显微镜（SEM）研究了四种纳米纤维样品的形态特性。SEM分析用于探讨纺丝参数对纳米纤维形态的影响，以及纤维直径与生姜提取物制备的食用油保质期之间的关系。图2显示了使用溶液吹制设备在8000倍放大倍数下制备的纳米纤维样品的SEM图像。

结论

与聚合物薄膜相比，制备的纳米纤维垫显著延缓了大豆油的氧化。FTIR结果证实了生姜提取物成功掺入了PAN纳米纤维中。XRD显示纳米纤维主要为非晶态，随着PAN浓度的增加，结晶度略有提高。DPPH和TPC在Mat II和Mat IV组中最高，表明生姜提取物的负载效果良好。O Mat II和O Mat IV表现出显著的延长时间

CRediT作者贡献声明

Ibrahim Shamous：撰写初稿、资源获取、方法论设计、资金申请、概念构思。Tamer Hamouda：撰写、审稿与编辑、监督。Ayman El Said：监督。Hashim Aya：撰写初稿、方法论设计、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。