具有新型斯特布雷鲁斯阿斯佩尔（Streblus asper）叶片提取的纤维素纳米晶体以及水生植物Hygrophila auriculata油脂的生物活性聚乙烯醇/壳聚糖薄膜——用于延长葡萄的保质期：机器学习建模与实验方法

本研究利用 Streblus asper 叶提取纤维素纳米晶体（CNC）和 Hygrophila auriculata 叶油，制备 PVA-CS 基生物纳米复合材料薄膜，通过 XRD、FESEM 和 FTIR 表征验证了 CNC 的结构特性，优化后薄膜机械性能显著提升，阻隔性增强，并在土壤环境中实现部分降解，为环保包装材料提供创新解决方案。

　　

Vivek Kumar Yadav | Sarthak Roy | Saikat Biswas | Santanu Dhara | Mythravaruni Pullela

印度西孟加拉邦卡拉格普尔印度理工学院橡胶技术系，邮编721302

摘要

随着对环保和可生物降解包装材料需求的增加，人们对基于天然资源的生物基纳米复合材料的兴趣也随之增加。鉴于传统塑料包装带来的严重环境问题，必须开发出环保替代品。本研究通过将来自Streblus asper叶子的纤维素纳米晶体（CNCs）和来自Hygrophila auriculata叶子的抗菌油添加到聚乙烯醇（PVA）和壳聚糖（CS）基体中，旨在开发并评估一种可生物降解的生物纳米复合薄膜，以延长葡萄的保质期。使用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对通过酸水解提取的CNCs进行了表征。XRD显示了良好的结晶性，FESEM显示CNCs呈球形，FTIR验证了非纤维素成分的去除。将优化后的PVA-CS复合薄膜与10%重量的CNCs和5毫升的油进行比较，其拉伸强度从1.25±0.14 MPa显著提高至3.45±0.4 MPa。此外，水蒸气、二氧化碳和油的渗透率分别降低了30.95%、39.22%和14.28%，表明其紫外线阻隔性能、热稳定性和阻隔特性得到了显著改善。在土壤埋藏条件下，所制备的复合薄膜表现出较低的膨胀性、水溶性和水分含量，并且部分实现了生物降解。总之，将CNCs和HAL油添加到PVA-CS基体中，提高了其机械性能、阻隔性能和稳定性，使其成为活性食品包装应用的可行可持续替代品。

引言

近年来，人们对环境污染、塑料废物积累和食品安全问题的日益关注，引发了全球范围内对开发可持续和可生物降解的石油基塑料替代品的兴趣。由于纤维素纳米晶体（CNCs）具有优异的物理化学特性、可再生性以及在生物医学工程、能源存储、电子和食品包装等行业的广泛应用，它们在众多发展中材料中备受关注。CNCs由木质纤维素生物质制成，由于其高长径比、低密度、出色的机械强度和可调的表面化学性质，是增强可生物降解聚合物基体的理想纳米填料[1]。最近，广泛分布于亚洲热带和亚热带地区的Streblus asper叶子作为一种农业废弃物，已成为提取纤维素的可行且可持续的来源。与木浆或棉绒等传统来源相比，稻壳[2]、甘蔗渣[3]、小麦秸秆[4]、香蕉纤维等，这些叶子含有较高的纤维素含量和较低的木质素成分，因此可以用较少的能量和化学处理方法有效制备CNCs。除了支持废物转化和循环生物经济外，使用Streblus asper叶子提取CNCs还符合联合国提出的多个可持续发展目标（SDGs），尤其是SDG 9（工业、创新和基础设施）和SDG 12（负责任的消费和生产）。这种方法鼓励可持续资源管理，减少环境影响，并通过将未充分利用的农业副产品转化为高价值纳米材料，促进绿色材料设计的创新。

由于多糖、蛋白质和脂质等天然聚合物的可用性、无毒性和可持续性，它们被视为生产环保包装膜的潜在资源。在材料科学、食品包装和生物医学领域有着广泛应用，壳聚糖（CS）是最重要的天然生物聚合物之一[5]。然而，由于其较差的机械性能，壳聚糖在包装应用中的使用受到限制。为了改善其性能，人们经常将其与其他聚合物（如聚氧化乙烯、聚乙烯醇（PVA）等）结合使用[6]。PVA是一种半结晶且可溶于水的聚合物，因其出色的性能（包括良好的生物相容性、耐溶剂性和成膜能力）而常用于食品包装。它常用于与多种天然聚合物（包括壳聚糖/壳聚糖[7]）混合制成复合材料。尽管PVA/CS复合薄膜具有良好的成膜能力、可生物降解性和中等机械性能，但仍存在一些局限性。由于其亲水性，在高湿度环境下机械稳定性较低，且加入疏水性生物活性物质（如精油）时容易发生相分离、分散不均和机械强度下降。因此，开发一种多功能增强系统以改善结构稳定性并确保生物活性成分的均匀分布至关重要。

Streblus asper，又称粗糙叶桑或暹罗粗糙灌木，属于桑科植物。这种植物原产于东南亚地区，包括泰国、缅甸和马来西亚等地，以其适应性和对各种环境条件的抵抗力而闻名。它是一种小型到中型的树木或灌木，通常可长到10米高。其叶子是最显著的特征之一。近年来，人们越来越关注使用纳米填料（包括纳米纤维素和微/纳米木质素）生产纳米复合材料[9]。由于Streblus asper叶子提取的纤维素纳米晶体（CNCs）具有优异的模量和拉伸强度，以及高表面积和长径比，将其作为生物复合薄膜的增强剂的应用越来越受到关注[10]。将纳米纤维素插入聚合物中，同时保持生物聚合物的可生物降解性和透明度，可以改善其热性能、阻隔性能和机械性能[11]。

药用植物Hygrophila auriculata Heine（Schumach.），又称Kokilaksha，属于爵床科，分布于亚洲和非洲的热带和亚热带地区，尤其是在孟加拉国、斯里兰卡和印度。其种子、根和叶子长期以来在阿育吠陀医学中被用作催情剂、保肝剂、利尿剂和抗炎剂[12]。根据植物化学研究[13]，其抗氧化和抗菌特性归因于黄酮类化合物、生物碱、甾体、皂苷和酚类化合物，这表明它作为活性包装系统中的天然功能性成分具有巨大潜力。通过向聚合物链中添加纤维素纳米晶体（CNCs）和植物提取的生物活性油，可以成功改善可生物降解聚合物基体的结构和功能特性[14][15]。然而，由于精油与亲水性基体的相容性较差，可能会降低机械稳定性，同时赋予抗菌活性[16][17]。最新研究表明，纳米纤维素可以促进界面粘附和油的分散，从而改善机械和生物活性性能。因此，将CNCs和H. auriculata油结合在PVA–CS基体中制备多功能可生物降解薄膜在技术上是合理的。

本研究具有创新性，因为它使用两种基于废弃物的有机生物添加剂同时增强和功能化可生物降解的聚合物基体。H. auriculata油的抗菌和抗氧化性能以及Streblus asper产生的CNCs共同提高了薄膜的机械性能和阻隔性能，使其成为生态安全且机械强度高的生物纳米复合薄膜[18]。研究表明，将CNCs与PVA混合可以改善多种生物聚合物的机械性能。通过与PVA混合，发现淀粉的断裂应变和拉伸强度分别从55.62%提高到64.7%，从1.93 MPa提高到4.2 MPa[19]。总之，通过将来自未充分利用的生物质（Streblus asper叶子）的纤维素纳米晶体与天然存在的抗菌油（H. auriculata油）结合在PVA/CS聚合物基体中，本研究填补了重要的研究空白。研究结果展示了如何利用基于植物的生物活性成分和废弃物衍生的纳米纤维素来提高下一代可生物降解包装薄膜的机械强度、功能活性和环境可持续性。

材料

Streblus asper叶子和Hygrophila auriculata叶子是从印度西孟加拉邦卡拉格普尔的当地市场购买的。本研究中使用的所有化学品均为实验室级。99.9%纯度的乙醇购自印度的Merk公司。Himedia Laboratories Pvt. Ltd.提供了甲苯、二甲基亚砜（DMSO）、亚硫酸钠、亚氯酸钠、冰醋酸和氢氧化钠；聚乙烯醇（99%水解级，分子量范围89,000–98,000）

形态分析

使用FE-SEM（MIRA3 TESCAN，美国）对CNC悬浮液进行了形态分析。在5–10 kV电压下扫描纳米颗粒，获得了高分辨率图像。样品在FE-SEM分析前先进行滴铸处理，然后稀释至0.0001%并置于60°C下干燥以去除水分。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析

FTIR研究了实验中收集的样品中的官能团的形成和存在情况，使用的是Perkin Elmer仪器（型号：

生物纳米复合薄膜的制备

采用溶胶-凝胶铸造法制备PVA/CS混合薄膜[21]。首先，将3克PVA在100毫升蒸馏水中完全溶解，并在100°C下持续搅拌1小时。壳聚糖溶液则通过将1克壳聚糖溶解在100毫升2%醋酸溶液（2毫升醋酸溶于98毫升水中）中在100°C下溶解制成。PVA和壳聚糖按3:1的质量比混合，得到均匀的PVA/CS混合物

机械性能

根据ASTM D882-02标准，使用数字拉伸仪（BIE，EC，2500，印度）在室温下评估薄膜的机械强度。实验以10 mm/min的横梁速度进行，初始夹持间距为100 mm，细胞容量为5 KN。使用Vernier卡尺测量薄膜厚度，结果为0.2±0.01 mm。样品尺寸为7.0×1.5厘米，结果代表所有薄膜五个重复实验的平均值。

从Streblus asper叶子中提取纤维素纳米晶体

通过多种预处理技术（如机械处理、漂白、碱处理和酸水解）可以改善纤维素纳米晶体的质量[25]。本研究使用机械处理、漂白和酸碱水解技术从Streblus asper叶子中提取纤维素纳米晶体。从Streblus asper叶子中获得了51.67±1.07%的纤维素纳米晶体。纳米纤维素的含量分别为23.5%、32.5%、38.8%、37%、39.8%、28.6%和40.1%

结论

为了证明其可持续应用的可行性，从Streblus asper叶子中有效分离出了热稳定的纤维素纳米晶体（CNC），并对其形状、结晶性、粒径、悬浮稳定性和热性能进行了全面表征。TGA结果显示CNC的热稳定性优异，起始降解温度高于324.28°C。FTIR确认了非纤维素成分的去除，FESEM检查也证实了这一点

作者贡献声明

Vivek Kumar Yadav：撰写初稿、可视化处理、资源准备、方法论设计、数据分析、概念化。 Sarthak Roy：软件开发、资源提供、方法论设计、数据分析。 Saikat Biswas：资源提供、方法论设计、实验研究、数据分析。 Santanu Dhara：结果验证、资源提供、方法论设计、数据分析。 Mythravaruni Pullela：撰写与编辑、结果验证、监督工作、资源提供、方法论设计、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

我们衷心感谢印度理工学院卡拉格普尔分校（IIT KGP）的橡胶技术中心（RTC）和中央研究设施（CRF）提供的仪器支持。特别感谢Nikhil Kumar先生和Varisha Farheen女士的支持和宝贵建议，这对本研究的完成至关重要。