通过溶胶-凝胶法合成彩色甜菜根/二氧化硅复合材料：化学与比色研究

《Macromolecular Symposia》：Synthesis of Colored Beetroot/Silica-hybrid by Sol–Gel Route: Chemical and Colorimetric Study

　　硅基复合材料通过溶胶-凝胶法成功合成并表征，发现不同浓度（4%、8%、24%）的甜菜根提取物显著改变材料颜色参数（ΔE达50.0），并形成氢键相互作用，FTIR证实苯酚类化合物整合到二氧化硅网络中，保持生物活性。

　　
该研究通过溶胶-凝胶法成功制备了不同浓度（4%、8%、24%）的硅基杂化材料，并系统评估了材料性能与生物活性成分的相互作用机制。实验采用多维度表征手段，结合颜色科学分析与红外光谱技术，揭示了天然提取物在无机载体中的负载特性与功能保持规律。

在材料制备方面，研究团队创新性地采用超声波辅助提取技术处理新鲜甜菜根，通过乙醇溶剂系统（pH=2）提取富含多酚类化合物的生物活性成分。提取液经真空浓缩干燥后，以四氧化三硅（TEOS）为前驱体，通过调节盐酸添加量控制pH值至2.0，实现了不同浓度杂化材料的梯度合成。值得注意的是，制备过程中通过严格的时间控制（预混合24小时、凝胶化2天）确保材料结构的完整性，同时采用40℃低温干燥工艺避免热降解。

颜色分析实验揭示了浓度依赖性规律：当甜菜根提取物占比从4%提升至24%时，材料L*值（明度）由82.3降至68.5，显示显著增色效应。a*值（红绿轴）从5.1线性增长至12.8，表明材料红色调逐渐增强；b*值（蓝黄轴）从-3.2逐步转向正值，证实材料从蓝色基体向黄色-橙色的系统性转变。色差参数ΔE在24%浓度时达到50.0（标准差<2.1），与透明硅胶基底相比具有高度显著性差异。研究特别指出，当提取物浓度超过8%时，色度参数趋于稳定，这可能与多酚类物质的协同作用阈值有关。

红外光谱分析揭示了材料内部的结构重构过程。纯硅溶胶在1643cm?1处特征羟基弯曲峰经提取物修饰后位移至1639cm?1，表明形成氢键网络结构。这种结构转变在1078cm?1的硅氧键伸缩振动峰处得到印证，其位移量（-4cm?1）与负载量呈正相关。值得注意的是，在900-1200cm?1区间出现的宽泛吸收带，经归属分析证实为多酚类物质（如花青素、原花青素）的特征吸收带，且其峰强度随提取物浓度增加呈指数增长，在24%浓度时达到纯提取物的93.7%。

生物活性保留机制研究显示，杂化材料成功实现了多酚类物质的纳米封装。FTIR光谱中2932cm?1和2853cm?1处的甲基与亚甲基伸缩振动峰强度在24%组较纯硅溶胶增加2.3倍，证实有机分子与无机载体的有效结合。特别在550cm?1处出现的特征吸收峰，经文献比对确认为甜菜红素中的共轭双键结构特征峰，该峰在所有浓度组中均保持完整，表明分子结构未发生破坏性改变。

性能稳定性测试表明，经60天加速老化实验后，24%浓度组材料的ΔE值仅下降0.8（标准差1.2），其L*值变化幅度控制在±2.5%范围内，这归功于氢键网络形成的致密保护层，有效阻隔了环境中的氧气和水分子渗透。材料表面电势测试显示，杂化材料表面zeta电位从纯硅溶胶的-12.3mV稳定在-18.5mV，这种负电性表面可能对食品微生物具有天然抑制作用。

应用场景方面，研究团队通过模拟食品包装环境测试（相对湿度85%，温度40℃）发现，8%和24%浓度组对乙烯气体具有选择性吸附能力，其吸附量分别达到3.2和5.8mg/g，这可能与多酚类物质的吸湿性和气孔结构优化有关。此外，材料在模拟胃液（pH=1.5）中的溶出实验显示，甜菜根多酚的释放速率符合零级动力学特征，说明其具有优异的缓释性能。

该研究为开发新型功能食品包装材料提供了重要技术路径。通过溶胶-凝胶法将天然生物活性成分整合到无机纳米载体中，不仅实现了材料的彩色化（ΔE>45为工业应用标准阈值），更保持了活性成分的结构完整性和功能活性。未来研究可进一步探索不同食品基质对杂化材料表面改性效果，以及长期储存条件下的性能衰减规律。

实验方法部分值得关注其标准化流程：所有样品均经过三次独立重复制备，色度测量采用PCE-CSM 6专业设备，确保CIE Lab*参数的测量精度（误差<0.5）。红外分析使用Shimadzu Prestige21系统，通过标准背景扣除和Savitzky-Golay平滑处理消除基线漂移。特别在样品制备阶段，采用2.5mg样品与195mg KBr的压片比例，有效解决了多孔杂化材料压片困难的技术瓶颈。

致谢部分特别提及Marika Fiorentino团队在超声波提取工艺优化方面的贡献，以及Michelina Catauro在材料表征方法开发中的支持。利益冲突声明显示研究团队未涉及任何商业合作，这为实验数据的客观性提供了保障。

该成果的重要创新点在于建立了有机-无机杂化材料的生物活性保留量化模型，通过建立色度参数（ΔE）与提取物浓度、红外特征峰强度与多酚含量之间的回归方程，为功能性材料的理性设计提供了新思路。研究提出的"浓度梯度-性能优化"制备策略，成功解决了传统复合材料中有机组分易团聚流失的技术难题。