《ACS Sustain. Chem. Eng.》：集成高效辐射冷却和新鲜度监测功能的绿色食品包装材料

生物基科研前瞻 · 公众号 · · 2023-10-12 08:19

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根据联合国粮食及农业组织最近的报告，全世界为人类消费而生产的粮食中约有三分之一被损失或浪费。发展高效快速的运输，以及简单持久的保存技术，有利于减少农产品损失并提高其流通和贸易效率。然而，保鲜技术不足的弱点仍然是物流链中农产品流失的主要原因。因此，采用创新的保鲜技术对于延长农产品的保质期和扩大其市场范围具有极其重要的意义。

近日， 江苏大学张涛、邱凤仙等人 构建了一种 ZnO-纳米棒/纤维素膜-淀粉膜@蓝莓花青素 (ZnO-NRs/CM-SM@BA)包装材料，能够有效的散热延迟腐败，同时可以通过颜色变化准确显示农产品的新鲜度。所制备的ZnO -NRs /CM-SM@BA将智能包装材料与被动辐射冷却材料相结合，为减少农产品物流中不必要的损失做出了卓越的贡献，并将智能包装的单一指示作用扩展到热管理领域。

相关工作以“Green Food Packaging with Integrated Functions of High-Efficiency Radiation Cooling and Freshness Monitoring”为题发表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。

/ ZnO-NRs/CM-SM@BA的制备 /

首先采用一锅水热抽滤法制备ZnO-NRs/CM，将从纤维素悬浮液经抽滤制备厚度均匀的纤维素膜与Zn(NO3)2·6H2O和 NH3·H2O的混合溶液在高压釜中反应（120 ℃，5 h），后经干燥得到ZnO-NRs/CM。随后将糊化淀粉溶液充分浇铸到ZnO-NRs/CM膜表面，得到 ZnO-NRs/CM-SM。最后再将ZnO-NRs/CM-SM浸入蓝莓花青素溶液（20 wt %）中充分浸润，最后经干燥得到ZnO-NRs/CM-SM@BA，整个制造过程如方案1所示。

方案1. ZnO-NRs/CM-SM@BA的制备工艺。

/ ZnO-NRs/CM-SM@BA的表征 /

ZnO-NRs/CM-SM@BA的示意图和SEM图像分别如图1 A、 B1、B2、C1、C2所示。可以看出纸浆纤维素纤维很宽，相互交织，形成了交错的结构，为ZnO-NRs的生长提供了丰富的位点。此外，ZnO-NRs分散生长在纤维素表面，形成表面粗糙的结构。当面对外部环境时，这种粗糙的表面有利于提高红外发射率，增强ZnO-NRs/CM-SM@BA的辐射和散热效果。淀粉膜（SM）层的微观形貌如图1C1，C2所示，由于玉米淀粉中存在大量的支链淀粉，在与热水反应时由于分子膨胀而不断膨胀，从而呈现出棉花絮状聚集形态。从EDS中可以看到C、O、Zn等元素分布的差异，表明ZnO-NRs成功生长在纤维素表面上。

图1. ZnO-NRs/CM-SM@BA的形貌表征。

ZnO-NRs/CM-SM@BA的FT-IR和XRD谱图如图2所示，ZnO-NRs/CM-S@BA的峰形与淀粉、纤维素和蓝莓花青素的峰形几乎一致，说明其内部结构的相似性。在ZnO-NRs/CM-S@BAXRD谱图中，存在着淀粉、ZnO以及纤维素等原料对应的结晶峰信号，并且ZnO-NRs/CM层的峰值强度显著大于SM层，标志着ZnO-NRs在纤维素表面的有效生长和层压膜的成功构建。

图2. ZnO-NRs/CM-SM@BA两侧的（A）FT-IR光谱和（B）XRD图谱。

利用XPS进一步研究了ZnO-NRs/CM-SM@BA的化学组成，观察到了3个典型特征峰（C 1s、O 1s和Zn 2p），证实了C、O和Zn的存在。进一步的分析表明复合材料中的Zn元素处于+2氧化态。此外，SM层的峰强度与ZnO-NRs/CM层的峰强度存在显著差异，表明Zn元素在两侧的分布不对称。通过以上多种表征手段，表明了ZnO-NRs/CM-SM@BA被成功制备。

图3. ZnO-NRs/CM-SM@BA的XPS光谱。

/ 热管理性能 /

以图4A所示的模拟测试评估了ZnO-NRs/CM-SM@BA的热管理性能，结果如图4B、C所示，ZnO-NRs/CM层具有高红外发射率和太阳反射率，二者结合不仅能够减少热量的输入，而且能够最大化热量的输出，从而满足双方的散热需求。相比PE薄膜，ZnO-NRs/CM-SM@BA的散热效率更高，封装后内部温度更低（图4D）。对于农产品的包装，水蒸气的运输非常重要，ZnO-NRs/CM-SM@BA的单向输水性能测试结果如图4E–H所示，基于ZnO-NRs/CM层优异的亲水性，ZnO-NRs/CM-SM@BA能够有效实现代谢水分的单向输送，结合辐射制冷性能，保证了农产品在运输过程中的新鲜度。

《ACS Sustain. Chem. Eng.》：集成高效辐射冷却和新鲜度监测功能的绿色食品包装材料

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