基于儿茶素的氧清除系统的建模与优化

《Journal of Food Engineering》：Modelling and Optimization of Catechu-Based Oxygen Scavenger Systems

　　本研究开发了一种基于印度漆树（Acacia catechu）和碳酸钠的植物基氧 scavenger，通过球磨工艺显著提升活性成分表面积（3.47 m2/g），在25-45℃及95%湿度下实现2.13±0.13 cm3/g·天的高效氧吸收速率。反应动力学显示零级动力学特征（R2>0.95），活化能57.1 kJ/mol，较前期研究降低40%。创新性结合球磨技术与强碱性环境，通过BET表征和Peleg模型（R2>0.98）建立湿度响应预测体系，为可降解食品包装提供理论依据。

　　

普拉奇·贾恩（Prachi Jain）| 苏曼·辛格（Suman Singh）| 基尔蒂拉杰·K·盖克瓦德（Kirtiraj K. Gaikwad）

印度罗尔基理工学院（Indian Institute of Technology Roorkee）纸技术系，247667，印度

摘要

活性包装因能提高食品安全性和延长保质期而受到关注。传统的铁基氧清除剂虽然有效，但存在安全问题和早期饱和的问题。我们报道了一种基于植物的氧清除剂，该清除剂通过儿茶（Acacia catechu）和碳酸钠实现湿度激活。儿茶粉经过球磨处理，以增加其表面积，从而提高清除效果。最佳配方（AC₁/NC₁）在45°C和25°C、95%相对湿度（RH）条件下，以及在其他RH条件（75%和55%）下，表现出最高的清除率，分别为2.13 ± 0.13 cm³/g.day和0.56 ± 0.09 cm³/g.day。反应分析表明，该反应遵循零级动力学（R² > 0.95），活化能计算为57.1 kJ/mol，比我们之前的研究低0.6倍。这可能是由于较高的碱强度（pH >10.5）和较大的表面积（3.47 m²/g）的共同作用，这些因素在反应中起到了催化剂的作用。同时，我们也研究了分子相互作用和热特性。Peleg模型（R² > 0.98）预测了湿度驱动的激活过程，为设计响应性系统提供了定量工具。表面积优化与吸湿行为的综合建模有助于预测氧的消耗情况。本研究为下一代氧清除剂建立了一个可持续的、数据驱动的框架，并建议在未来对实际食品体系和保质期预测模型进行进一步探索。

引言

食品包装中氧（O₂）的存在主要源于包装过程中的缺陷，如气体混合物中残留的氧气、真空密封不充分或材料渗透性过高。因此，大量的研究和开发工作致力于解决这些问题，以减少食品包装中的残余氧气。为应对这些挑战，活性包装应运而生，其目的是通过改变包装产品的性质来提高食品质量。在活性包装技术中，使用氧清除剂是一种有效的方法（Cruz等人，2007年）。这些清除剂能显著降低包装内的氧气水平，使残余氧气含量降至0.01%（Gibis和Rieblinger，2011年）。这一能力超过了传统的改性气氛包装（MAP）和真空包装方法，后者的残余氧气含量通常高达3%（Pawde等人，2023a年）。自20世纪80年代以来，人们开始研究金属清除剂（铁、钯、钠、锌、钴），但它们存在纯度、安全性和监管方面的问题。金属氧化物可能污染食品，干扰检测设备，并且在微波环境中稳定性较差；此外，渗出的离子可能导致食品变色并影响产品质量（Kumar等人，2023年）。

如今，消费者更倾向于可持续性和公认安全（GRAS）的材料，因此对基于生物的氧清除剂（如生育酚、抗坏血酸、不饱和烃、酶和多酚）产生了兴趣。Lee等人（2018年）开发了一种含有L-抗坏血酸钠和活性炭的氧清除剂。Juan-Polo等人（2022年）制备了基于β-胡萝卜素的氧清除膜，其氧吸收值为1.39 ± 0.10 mL O₂/g；另一位作者研究了添加聚异戊二烯的聚乙烯膜作为氧清除剂，其氧清除能力为16.72 mL O₂/g（Gaikwad等人，2020年）。过去还研究了单宁酸、焦性没食子酸和间苯二酚等多酚与碳酸盐的组合，发现它们具有适当的氧清除活性（Pant等人，2017a年；Sonchaeng等人，2022年；Ahn等人，2016a年；Singh等人，2019年；Kumar等人，2023年）。

在本研究中，我们开发了一种基于湿度的氧清除剂（SM），其中包含儿茶（Acacia catechu）（AC）和碳酸钠（NC）。据报道，1克儿茶粉中含有约74.76毫克儿茶素（Shen等人，2006年），儿茶素是负责氧清除的多酚。由于碳酸钠的碱性强于碳酸钙，预期其清除速率会更快（Jain等人，2025年）。儿茶的球磨处理进一步增加了表面积和反应效率。与早期的涂层系统不同，这是首次报道使用粉末形式的碳酸钠进行儿茶基氧清除。系统地评估了湿度、表面积和碱强度，并利用Peleg方程和Arrhenius分析对吸湿过程、活化能和反应速率进行了建模。对比分析突出了与以往研究的差异。

材料

儿茶（Acacia catechu）碎片购自印度德里的一家槟榔店。无水碳酸钠（NC）（Na₂CO₃，纯度≥99.0%，分子量105.98）从印度孟买的Sigma Aldrich公司购买。所有化学品均为分析级，未经进一步纯化直接使用。2毫升的玻璃小瓶购自印度古尔冈的BOROSIL有限公司，125立方厘米的玻璃小瓶则来自印度诺伊达的Ryan Lab Technologies有限公司。所用试剂均为去离子水。

热分析（TGA）和结构分析（FT-IR）

通过热分析（TGA），通过从室温到高温的受控加热，确认了该材料的热稳定性和实际应用适用性。图1a所示，在100°C以下的质量损失可归因于水分和挥发物的流失。含碳酸钠的氧清除剂在100°C之前的质量损失较大，这可能是由于碳酸钠具有吸湿性。儿茶粉和含碳酸钠的氧清除剂的降解过程同时开始。

结论

本研究建立了一种有效的工程优化方法，用于基于球磨儿茶（Acacia catechu）和碳酸钠的植物源氧清除剂。BET分析证实，球磨处理显著增加了反应表面积。所开发的氧清除剂AC₁/NC₁在25°C和45°C、95%相对湿度条件下，分别表现出2.13 ± 0.13 cm³/g.day和0.56 ± 0.09 cm³/g.day的氧清除率。

作者贡献声明

苏曼·辛格（Suman Singh）：验证、监督、资源提供、项目管理。基尔蒂拉杰·K·盖克瓦德（Kirtiraj K. Gaikwad）：验证、监督、软件开发、资源提供、项目管理、研究工作、概念构思。普拉奇·贾恩（Prachi Jain）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化展示、数据整理、概念构思

未引用的参考文献

Gaikwad等人，2017a；Jain等人，2024a；Juan-Polo等人，2022；Kumar等人，2023a；Lee等人，2018；Turhan等人，2002a。

伦理批准

不适用。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突。

资助

作者K. K. Gaikwad感谢印度科学与工程研究委员会（SERB）提供的启动研究基金（SRG/2021/001549）的财政支持。作者Prachi Jain感谢总理研究奖学金提供的额外财政援助。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度理工学院为这项工作提供的基础设施支持。