華南理工大學(xué)：3D打印的"智能試劑"可保持水果新鮮度

導(dǎo)讀：2021年8月20日，南極熊獲悉，華南理工大學(xué)和華威大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)了一種新型的水果生長(zhǎng)調(diào)節(jié)試劑，能夠使新鮮產(chǎn)品保持更長(zhǎng)時(shí)間的可食用性。

據(jù)悉，這種新型試劑研究團(tuán)隊(duì)是通過(guò)同軸3D打印技術(shù)生產(chǎn)，它以纖維素納米纖維為表征點(diǎn)，其中裝載了貝類提取物和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，可以預(yù)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(shuō)，當(dāng)該試劑用于處理荔枝時(shí)，不僅延長(zhǎng)了水果的保質(zhì)期，而且使他們能夠精確地監(jiān)測(cè)其新鮮度。因此，這些試劑未來(lái)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(shuō)："纖維素納米纖維基（CNF）的試劑具有水果保鮮和視覺(jué)監(jiān)測(cè)的雙重功能，延長(zhǎng)了荔枝的保質(zhì)期六天。這項(xiàng)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(gè)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(zhǎng)抑制劑。圖片來(lái)自《Carbohydrate Polymers Journal》

實(shí)時(shí)食品監(jiān)測(cè)

由于受到全球變暖、COVID引起的運(yùn)輸中斷和英國(guó)脫歐等多種因素的影響，各國(guó)都越發(fā)重視糧食安全，農(nóng)產(chǎn)品的長(zhǎng)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(fèi)者食品標(biāo)準(zhǔn)，"智能包裝系統(tǒng)"越來(lái)越多地被用來(lái)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(xué)敏感染料（如花青素）監(jiān)測(cè)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(cè)新鮮度，它們并不能使水果或蔬菜的壽命更長(zhǎng)。

研究人員為了解決這個(gè)問(wèn)題，將合成的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑 "1-MCP "與有機(jī)染料（如貝類提取物殼聚糖）配對(duì)，以推遲農(nóng)產(chǎn)品的成熟。不過(guò)，在其正常情況下，1-MCP的揮發(fā)性太強(qiáng)，無(wú)法混合，因此該團(tuán)隊(duì)決定3D打印一個(gè)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(xué)家們使用SEM成像（如圖）來(lái)評(píng)估其傳感器的靜電特性。圖片來(lái)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(xué)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(jìn)行加工，以及一種pH值敏感的藍(lán)莓花青素，由于其獨(dú)特的顏色，隨后可用于監(jiān)測(cè)新鮮度。

一旦準(zhǔn)備就緒，研究團(tuán)隊(duì)的配方就被裝入Y&D 7300N同軸3D打印機(jī)，并沉積成層，然后進(jìn)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(duì)設(shè)備的CNF外殼的靜電效應(yīng)，使它們能夠 "捕獲 "1-MCP并按需釋放。

在對(duì)這一想法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，該團(tuán)隊(duì)最終將他們的試劑應(yīng)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(shí)長(zhǎng)多出6天。在測(cè)試過(guò)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(píng)估是在室溫下進(jìn)行的，而這種水果通常會(huì)被冷藏，并且該團(tuán)隊(duì)沒(méi)有考慮魚類過(guò)敏對(duì)其設(shè)備應(yīng)用的影響，但他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)他們的試劑在受控環(huán)境中發(fā)揮了預(yù)期的功能，因此他們現(xiàn)在打算在未來(lái)將其應(yīng)用于其他水果和蔬菜。

該團(tuán)隊(duì)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(jué)監(jiān)測(cè)[能力]的高度敏感性和準(zhǔn)確性。我們的試劑解決了單一功能包裝系統(tǒng)的缺點(diǎn)，通過(guò)采用同軸3D打印來(lái)構(gòu)建集成設(shè)備，同時(shí)具有水果保鮮和監(jiān)測(cè)功能。"

△試劑增強(qiáng)型荔枝（見(jiàn)下圖）比其無(wú)試劑的同類產(chǎn)品保鮮時(shí)間長(zhǎng)得多。圖片來(lái)自《CarbohydratePolymers Journal》。

AM在食品安全方面的進(jìn)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(lái)制造食品安全傳感器，能夠確保農(nóng)產(chǎn)品和牲畜在運(yùn)輸后保持安全食用。就在去年，美國(guó)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(cè)試電化學(xué)傳感器。

同樣，南洋理工大學(xué)、布拉格化學(xué)與技術(shù)大學(xué)和沙特國(guó)王大學(xué)的研究人員，已經(jīng)3D打印出了檢測(cè)霉菌毒素的電極。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果在實(shí)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(chǔ)存中的產(chǎn)品在到達(dá)貨架前可以安全食用。

與此同時(shí)，在瑞士，EMPA的科學(xué)家們通過(guò)開發(fā)一個(gè)3D打印的水果模擬器，采取了一種完全不同的方法來(lái)進(jìn)行食品監(jiān)測(cè)。該團(tuán)隊(duì)的蘋果替代品旨在模仿有機(jī)產(chǎn)品的形狀和質(zhì)地，據(jù)說(shuō)能夠跟蹤貨運(yùn)溫度，并確保食品在最佳成熟度時(shí)到達(dá)客戶手中。

研究人員的發(fā)現(xiàn)詳見(jiàn)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(guó)、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