通过柠檬酸交联的可持续木质素-姜黄素功能化聚醋酸乙烯（PVA）薄膜，用于樱桃番茄的保鲜

《Food Chemistry》：Sustainable lignin-curcumin functionalized PVA films crosslinked with citric acid for cherry tomato preservation

可降解包装材料通过协同改性提升机械性能、阻隔性和生物活性，应用在樱桃番茄保鲜中有效抑制褐变和营养流失。

　　

叶晓歌|朱蕾|李东娜|李珍|马晓军|尹芬

天津科技大学生物基纤维材料国家重点实验室，中国天津300457

摘要

为了减缓食品变质和塑料污染，迫切需要可生物降解的活性包装材料。在本研究中，聚乙烯醇（PVA）薄膜通过添加碱性木质素（AL）进行增强，并用柠檬酸（CA）交联，同时加入姜黄素（Cur）进行功能化处理，从而结合了结构稳定性和生物活性。这种协同改性作用形成了致密稳定的聚合物网络，使得薄膜的机械强度和阻隔性能显著提升，优于纯PVA薄膜。此外，姜黄素赋予薄膜强大的抗氧化、抗菌、紫外线屏蔽以及pH响应的颜色变化特性，同时保持了其可生物降解性。当用于樱桃番茄的保鲜时，这种复合薄膜有效减少了重量损失，保持了果实的硬度，保留了营养成分，并延缓了褐变现象。这些综合效果显著延长了产品在常温储存下的保质期。本研究展示了一种将PVA转化为多功能活性包装材料的协同策略，为开发可持续的PVA基薄膜提供了绿色途径。

引言

新鲜农产品在储存和运输过程中极易受到微生物污染、氧化降解和紫外线（UV）辐射的影响，这通常会导致品质迅速下降、食品变质和巨大的经济损失（Peng等人，2024年）。传统的石油基塑料包装虽然具有良好的机械强度和阻隔性能，但不可生物降解，从而加剧了环境污染和微塑料的积累（Razo & Campos，2022年）。尽管已经开发出多种可生物降解的薄膜，但许多薄膜仍存在防潮性能差、阻隔性能不足或缺乏活性功能等问题，难以有效保护像樱桃番茄这样易腐烂的水果。因此，开发环保、可生物降解且多功能的食物包装材料已成为当务之急（Dhatt等人，2025年）。

聚乙烯醇（PVA）因其优异的成膜能力、生物相容性和可生物降解性而被广泛用于包装（Xu等人，2025年）。然而，纯PVA薄膜也存在固有的局限性，尤其是高亲水性和较差的防潮性能，这限制了其在高性能食品包装中的应用（Aksakal等人，2025年）。为克服这些局限性，人们将天然聚合物和功能性添加剂引入PVA基体中（Lingait等人，2024年；Venkatesh等人，2024年）。木质素作为一种可再生的芳香族生物聚合物，可以提供增强作用、紫外线吸收和抗氧化性能（Niyazi等人，2025年；Tang等人，2025年）。然而，其与PVA的相容性较差，导致分散效果不佳，协同效应较弱。

引入绿色交联剂是另一种有效改进PVA基薄膜的方法（Wang等人，2025年）。柠檬酸（CA）能够促进酯类交联，提高富含羟基的聚合物的机械性能和防潮性（Yu等人，2021年）。姜黄素（Cur）是一种天然的多酚化合物，具有抗氧化、抗菌和紫外线屏蔽功能（Li等人，2025年；Panthi等人，2025年；Shi等人，2025年）。然而，其较差的分散性和稳定性限制了其在聚合物基体中的实际应用（Wang等人，2025年）。

虽然已经分别将PVA与木质素、柠檬酸或姜黄素结合使用，但尚缺乏系统性的研究来同时改善结构稳定性、阻隔性能和生物活性。特别是CA在增强交联作用、改善姜黄素分散性和放大功能活性方面的协同作用尚未得到充分阐明。

在本研究中，我们制备了聚乙烯醇/碱性木质素/柠檬酸/姜黄素（PVA/AL/CA/Cur）复合薄膜。本研究的新颖之处在于：（i）将增强、交联和生物活性功能集成到单一的多功能薄膜中；（ii）系统地关联结构、性能和保鲜效果；（iii）明确CA在稳定聚合物网络和增强姜黄素功能中的作用。进一步将这种薄膜应用于樱桃番茄的保鲜中，评估了其实际效果。这项工作直接解决了现有可生物降解包装材料的关键问题，为开发多功能PVA基活性包装材料提供了绿色解决方案。

实验材料

聚乙烯醇（PVA，型号1788）购自上海燕化科技有限公司（中国上海）。碱性木质素（AL）来自泰世工业发展有限公司（中国上海）。姜黄素（Cur）和柠檬酸（CA）由Macklin生化有限公司（中国上海）提供。Folin-Ciocalteu试剂和酚酞指示剂由天津光复科技发展有限公司（中国天津）提供。使用的樱桃番茄大小均匀且无瑕疵。

结构和形态表征

通过FTIR、XRD和SEM（图2）对薄膜的结构和形态进行了分析。在FTIR光谱中，所有薄膜均显示出在3600–3200?cm^?1范围内的宽O-H伸缩带。加入AL后，该带变得更宽并向低波数方向移动，表明木质素的酚基-OH与PVA的醇基-OH之间的氢键作用增强（Thejaswi等人，2025年）。加入CA后，CA的特征C-O双键伸缩带在1724?cm^?1处出现。

结论

本研究通过绿色溶液浇铸法制备了多功能PVA/AL/CA/Cur复合薄膜。结构创新在于柠檬酸交联、木质素增强和姜黄素功能化的协同作用，共同形成了致密稳定的聚合物网络。姜黄素的加入提高了薄膜的阻隔性能，使水蒸气和氧气透过率分别降低了约50%。

作者贡献声明

叶晓歌：撰写初稿、数据可视化、软件处理。朱蕾：撰写初稿、实验设计、数据管理。李东娜：撰写、编辑、方法学设计、实验实施、资金申请。李珍：方法学设计、数据分析。马晓军：项目指导、概念构思。尹芬：方法学设计、实验实施、资金申请。

未引用参考文献

Wang, Liu, Li and Li, 2025

Wang等人，2025年

Xu等人，2025年

Xu等人，2025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

本研究得到了中国国家自然科学青年基金（编号：32301527）、中国博士后科学基金（编号：2024M752169）、青海省基础研究计划项目（编号：2024-ZJ-974）以及齐鲁工业大学（山东省科学院）造纸科学与技术重点实验室（编号：KF202209）的支持。