華南理工大學：3D打印的"智能試劑"可保持水果新鮮度

導讀：2021年8月20日，南極熊獲悉，華南理工大學和華威大學的科學家們開發(fā)了一種新型的水果生長調(diào)節(jié)試劑，能夠使新鮮產(chǎn)品保持更長時間的可食用性。

據(jù)悉，這種新型試劑研究團隊是通過同軸3D打印技術(shù)生產(chǎn)，它以纖維素納米纖維為表征點，其中裝載了貝類提取物和生長調(diào)節(jié)劑，可以預先配制，后期穩(wěn)定地釋放到新鮮食品的毛孔中。

研究人員說，當該試劑用于處理荔枝時，不僅延長了水果的保質(zhì)期，而且使他們能夠精確地監(jiān)測其新鮮度。因此，這些試劑未來有希望成為農(nóng)產(chǎn)品"智能包裝"的基礎(chǔ)。

研究人員在他們的論文中說："纖維素納米纖維基（CNF）的試劑具有水果保鮮和視覺監(jiān)測的雙重功能，延長了荔枝的保質(zhì)期六天。這項工作中開發(fā)的CNF集成試劑，為開發(fā)智能食品包裝提供了一個新的思路。"

△新型水果保鮮試劑背后的同軸3D打印工藝，納米纖維素基的試劑自帶空心管道，用于攜帶和輸送植物生長抑制劑。圖片來自《Carbohydrate Polymers Journal》

實時食品監(jiān)測

由于受到全球變暖、COVID引起的運輸中斷和英國脫歐等多種因素的影響，各國都越發(fā)重視糧食安全，農(nóng)產(chǎn)品的長期保鮮也因此變得尤為重要。為了滿足這一需求，以及日益提高的消費者食品標準，"智能包裝系統(tǒng)"越來越多地被用來跟蹤包裝食品的狀況和質(zhì)量，并防止其脫銷。

在很大程度上，這種智能包裝系統(tǒng)是利用化學敏感染料（如花青素）監(jiān)測農(nóng)產(chǎn)品容器內(nèi)的任何pH值變化�；ㄇ嗨馗淖冾伾�，表明水果開始腐壞。然而，這些天然的水溶性色素只能夠監(jiān)測新鮮度，它們并不能使水果或蔬菜的壽命更長。

研究人員為了解決這個問題，將合成的植物生長調(diào)節(jié)劑 "1-MCP "與有機染料（如貝類提取物殼聚糖）配對，以推遲農(nóng)產(chǎn)品的成熟。不過，在其正常情況下，1-MCP的揮發(fā)性太強，無法混合，因此該團隊決定3D打印一個核心外殼結(jié)構(gòu)，能夠以可控方式釋放殼聚糖，防止食品提前變質(zhì)。

△科學家們使用SEM成像（如圖）來評估其傳感器的靜電特性。圖片來自《Carbohydrate Polymers Journal》。

3D打印 "智能包裝"

在開始3D打印CNF基試劑之前，科學家們首先將海藻酸鈉（SA）和κ-卡拉膠（KC）基質(zhì)材料整合到他們的生物墨水中，這將允許它在不影響食品安全的情況下進行加工，以及一種pH值敏感的藍莓花青素，由于其獨特的顏色，隨后可用于監(jiān)測新鮮度。

一旦準備就緒，研究團隊的配方就被裝入Y&D 7300N同軸3D打印機，并沉積成層，然后進行噴霧固化和冷凍干燥，形成空心纖維。理論上，這些納米管將能夠平衡殼聚糖對設(shè)備的CNF外殼的靜電效應，使它們能夠 "捕獲 "1-MCP并按需釋放。

在對這一想法進行測試時，該團隊最終將他們的試劑應用于荔枝，設(shè)法防止荔枝上出現(xiàn)霉斑。結(jié)果顯示，直到采摘后9天才出現(xiàn)腐壞跡象，要比正常放置情況上的保鮮時長多出6天。在測試過程中，包裝的顏色也逐漸從紫色變?yōu)榉奂t色，使水果的腐敗更容易用肉眼發(fā)現(xiàn)。

盡管這些評估是在室溫下進行的，而這種水果通常會被冷藏，并且該團隊沒有考慮魚類過敏對其設(shè)備應用的影響，但他們確實發(fā)現(xiàn)他們的試劑在受控環(huán)境中發(fā)揮了預期的功能，因此他們現(xiàn)在打算在未來將其應用于其他水果和蔬菜。

該團隊在他們的論文中總結(jié)道："結(jié)果證明了該試劑的新鮮度視覺監(jiān)測[能力]的高度敏感性和準確性。我們的試劑解決了單一功能包裝系統(tǒng)的缺點，通過采用同軸3D打印來構(gòu)建集成設(shè)備，同時具有水果保鮮和監(jiān)測功能。"

△試劑增強型荔枝（見下圖）比其無試劑的同類產(chǎn)品保鮮時間長得多。圖片來自《CarbohydratePolymers Journal》。

AM在食品安全方面的進展

由于3D打印固有的精確性和靈活性，該技術(shù)經(jīng)常被用來制造食品安全傳感器，能夠確保農(nóng)產(chǎn)品和牲畜在運輸后保持安全食用。就在去年，美國研究人員部署了Optomec的氣溶膠噴射打�。ˋJP）技術(shù)，以創(chuàng)建新型石墨烯食品測試電化學傳感器。

同樣，南洋理工大學、布拉格化學與技術(shù)大學和沙特國王大學的研究人員，已經(jīng)3D打印出了檢測霉菌毒素的電極。該團隊認為，如果在實踐中部署，他們的設(shè)備可以為一種新的方法鋪平道路，使食品儲存中的產(chǎn)品在到達貨架前可以安全食用。

與此同時，在瑞士，EMPA的科學家們通過開發(fā)一個3D打印的水果模擬器，采取了一種完全不同的方法來進行食品監(jiān)測。該團隊的蘋果替代品旨在模仿有機產(chǎn)品的形狀和質(zhì)地，據(jù)說能夠跟蹤貨運溫度，并確保食品在最佳成熟度時到達客戶手中。

研究人員的發(fā)現(xiàn)詳見他們的論文，題為 "3D printednanocellulose-based label for fruit freshness keeping and visual monitoring"，該論文由周偉、吳正國、謝鳳偉、唐書偉、方佳偉和王曉英共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0144861721009322