微流控辅助制备全生物基非均相复合水凝胶薄膜，保鲜力Max!-北京永康乐业科技发展有限公司

导读：

近日，山东大学黄俊教授团队开发了一种用于水果保鲜的全生物基非均相复合水凝胶薄膜（GM-CSNMP）。研究人员利用微流控技术合成了尺寸均匀的壳聚糖-肉桂醛微球，并将其整合到甲基丙烯酰化明胶基质中，通过光固化形成具有活性功能的包装材料。该薄膜展现出卓越的抗菌与抗氧化性能，对大肠杆菌的抑制率超过80%，且能阻隔99.5%的紫外线。相比于传统的石油基塑料包装，这种新型薄膜具有良好的透明度与柔韧性，能有效防止果实水分流失。实验结果证实，该技术能将樱桃和香蕉等易腐水果的货架期延长约50%。这种环保材料为绿色可持续包装领域提供了高效且对感官无损的保鲜新方案。相关研究以“Fully bio-based, heterogeneous composite hydrogel films for enhancing fruit preservation”为题目，发表在期刊《Sustainable Materials and Technologies》上。

本文要点：

1. 研究背景与目的

解决塑料污染与食品浪费：针对石油基包装材料造成的环境污染以及水果易腐烂导致的食品损失，研究旨在开发一种可持续的全生物基替代品。
克服传统生物基材料缺陷：相比于酸性溶解可能产生酸味的壳聚糖、易变脆的淀粉和工艺复杂的藻酸盐，该研究选择了甲基丙烯酰化明胶（GelMA）作为基质，因为它具有良好的成膜性、透明度，且在中性条件下溶解，能保持水果原味。

2. 核心材料与制备技术

微流控技术制备微球：利用微流控技术精确合成了尺寸均匀的壳聚糖-肉桂醛微球（CSNMP）。
Schiff碱反应：壳聚糖（CS）与天然植物精油肉桂醛（CIN）通过Schiff碱反应结合，克服了肉桂醛易挥发和水溶性差的问题。
一步法光固化：将微球混合在GelMA前驱体溶液中，通过喷涂或涂抹在水果表面，并在紫外光（UV）照射下快速固化成膜。

3. 薄膜的主要性能优势

优异的抗菌性能：对大肠杆菌（ coli）的杀菌率达到80%以上，约为仅含壳聚糖微球薄膜的2倍。
增强的抗氧化能力：抗氧化能力（DPPH清除率）比纯GelMA薄膜提升了3倍，能有效延缓水果褐变。
紫外线屏蔽：紫外线C（UV-C）的透过率降至5%，有效防止紫外线引起的氧化变色。
良好的水分阻隔与物理特性：水接触角增加了30°，具有良好的柔韧性和高透明度，且在室温下可稳定保存约300天。

4. 实际保鲜效果

延长货架期：实验结果显示，经过处理的樱桃和香蕉的货架期延长了约50%。
品质维持：该薄膜能有效减少水分流失（降低失重率），维持水果的硬度，并抑制微生物在果皮表面的生长。

5. 结论与意义

该研究成功开发了一种绿色、环保且高效的水果保鲜策略，不仅为取代石油基包装材料提供了新途径，也拓展了水凝胶在食品保鲜领域的应用。

在保鲜膜（GM-CSNMP）的制备过程中，微流控技术主要通过对物理参数的精细调节和模拟预测，实现了对壳聚糖-肉桂醛微球（CSNMP）尺寸的精准控制。具体机制如下：

1. 核心物理参数的精细调节

微流控系统通过调节双相流系统中的关键因素来控制微球直径：

界面张力（Interfacial Tension）：这是控制微球大小的关键。研究表明，生成的微球直径会随界面张力系数的增加而增大，直到达到一个平台期。通过选择界面张力较低的花生油代替十六烷，可以更有效地控制液滴形成过程。
流速比（Flow Rate Ratio）：油相与水相的流速比例显著影响微球产量和尺寸。本研究中采用了15:1的流速比（油相流速为12 mL/min）来确保微球的均一性。
粘度（Viscosity）：实验考虑了两相流体的动态粘度曲线（具有剪切稀化特性），并将其作为建模输入参数，以确保实际制备过程与模拟结果高度吻合。

2. 流体力学环境的稳定性

低雷诺数环境：在微流控芯片的流体聚焦通道中，雷诺数（Reynolds number）接近1。在这种状态下，惯性力的影响远小于界面张力和粘性力，使得液滴的形成极其稳定且可预测。
剪切力控制：流动聚焦型芯片的设计使得水相在受到油相挤压和剪切时，能以极高的一致性断裂成液滴。

3. 数值模拟辅助设计

相位场模型（Phase-field Model）：研究人员利用数值模拟检查了不同界面张力系数下的双相系统，通过建立二维轴对称模型进行仿真，预测了液滴生成的直径和时间间隔。
精确的芯片制造：利用3D打印技术制造出尺寸精确的微流控芯片模具，并结合PDMS注入成型技术，确保了通道几何结构的精密性，这是实现微米级控制的基础。

4. 相比传统技术的优势

与传统的超声乳化法（UE）相比，微流控技术能够产生尺寸极其均匀且可控的微球。这种均匀性非常重要，因为尺寸不一的微球会破坏水凝胶（GelMA）的共价网络，导致薄膜性能下降；而精准控制后的均一微球能完美融入基质，在增强薄膜物理强度的同时，确保护效成分（肉桂醛）的稳定释放。

图1 微流控芯片的制备流程示意图。

图2 GM-CSNMP 制备过程示意图。(a) GM-CSNMP 微球的制备过程。(b) CIN 与 CS 之间的席夫碱反应。(c) 将含微球的凝胶前驱液喷涂或刷涂后，经 UV 固化形成薄膜。(d) GM-CSNMP 在水果表面的多重功能。

图3 基于微流控技术制备微球及流体动力学模拟。(a) 芯片模具三维模型、数值模拟建模、液滴生成实验过程及对应模拟过程。(b) 两相流体的动态黏度。(c) 模拟中液滴形成过程中水相的体积分数与压力分布。(d) 不同界面张力条件下的液滴形成模拟。(e) 不同水相与油相之间的界面张力，其中 W 表示水，C16 表示正十六烷，AQ 表示水相，PO 表示花生油。(f) 不同界面张力条件下，首个液滴形成所需时间及相邻液滴生成时间间隔。

图4 薄膜的 SEM 图像、实物照片、流变性能及 FTIR 测试。(a) GM。(b) GM-CSNMP。(c) 图 (b) 的放大图。(d) GM 的横截面 SEM 图像。(e-f) GM-CSNMP 的横截面 SEM 图像。(g) 展示薄膜透明性与柔韧性的实物照片。(h) GelMA 基薄膜与其他生物基薄膜的比较。(i) GM 与 GM-CSNMP 的模量。(j-k) 薄膜及其组分的 FTIR 光谱。