CN105246341A - 纳米纤维可食用涂层及其用途 - Google Patents
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Abstract
本文公开了包含至少一种纤维素纳米材料和无机盐组分的组合物的实施方案。所述公开的组合物用于在植物、植物部位和其他物体上形成可食用涂层/膜。在一些公开的实施方案中，所述组合物还包含交联剂。所述公开的组合物和使用该组合物制得的涂层/膜可有效保护新鲜和加工的产品和其他物质和产品免受各种不同类型的食品加工损害(以及与之相关的有害影响)和降低质量和可销售性的生物和/或非生物胁迫。
Description
相关申请的相互参引
本申请要求于2013年3月14日提交的美国临时申请第61/784,060号，以及于2013年10月25日提交的美国临时申请第61/895,929号的优先权，各申请通过引证的方式全文纳入本文。
技术领域
本公开涉及防护涂层领域，尤其是植物、植物部位和食品涂层。还涉及用于形成防护膜的组合物以及制造和使用这些组合物和涂层的方法。
背景技术
寻找可接受的食品——如新鲜的水果和加工的蔬菜、奶酪、面包制品、生和熟的鸡蛋、新鲜和加工的肉类以及海鲜产品——的涂层是一项艰巨的任务。涂层应该是可食用的，并且一旦应用，用作水分、气体和/或紫外线和不想要的微生物的屏障。然而，其他几个标准也很重要：涂层应该对消费者几乎无害，在可见光区是透明(或几乎透明)的，使得经涂布的产品对消费者是可见的，且不应赋予食物明显的气味或味道。
此外，由于一个或多个功能特性，承诺作为包装材料的可食用涂层和膜通常耐水性差(水溶性高)。同时满意地满足所有的这些标准对研究者提出了一个严峻的挑战，且迄今为止还没有发现合适的解决方案。
花青苷(anthocyanin)提供一些水果和蔬菜的大部分的红色、紫色和蓝色色素，已建议食用更多花青苷以减轻人类慢性病的风险。遗憾的是，这些色素高度不稳定，并在热处理过程中易于降解。其他复杂的问题是其水溶性促使其溶解到水性介质中。因此，需要创新技术来克服食品工业所遇到的长期技术壁垒，以在食品处理和加工过程中保留这些促进健康的色素。
新鲜农产品(水果和蔬菜)和一般的植物通常在生产、采收、处理和储存过程中向其环境失去水分。该水分损失通常可引起植物和植物部位损害、顶枯病和死亡，以及大部分消费者发现无吸引力的产品外观、质地和质量的变化。这导致降低的可销售性，并限制可接受的保质期和储存时间。
暴露于高水平的UV光下可损害正在生长和成熟的产品，产生可见的损伤和变色的组织，破坏天然健康的植物化学化合物，刺激产生不想要的和有害化合物(如乙烯气体)，并为腐败生物的生长提供立足点。这类产品遭受可感知的质量损失，降低健康效益，且一般被认为不适于新鲜市场。此外，因为导致其发生的条件是整个作物共享的，所以这种现象可潜在地在经济上毁坏种植者。
新鲜产品损坏可由外部和内部影响引起。外部影响是最常见的，当新鲜产品在雨中破裂时可容易地发现。由于新鲜产品内的高渗透势(由于水果的糖含量)，雨水通过表皮被吸收。水跨膜移动以平衡渗透势。然后产品膨胀至一个点，超过该点表皮可扩大，产品裂开。水果损坏的内部影响是由于通过树本身的维管系统的水摄取导致在产品内部张力的积累。这可以在有顶的果园中最清楚地看到，尽管被保护免受雨淋，水果偶尔裂开。
之前冻结的食物通常在解冻过程中渗出液体，产生一种被称为“汁液流失”的现象。这对消费者来说是令人不快的，且可改变被解冻产品的总成分，使得其在制备/蒸煮过程中的表现不同于新鲜食品。汁液流失对加工者来说还可导致经济损失。
发明内容
本文中所描述的创新单独使用或与纳米碳酸钙和/或其他添加剂结合使用纤维素纳米材料，所述纤维素纳米材料之前没有用作或用于可食用涂层。所得的涂层在采收前和采收后保护防止新鲜水果和蔬菜水分流失和UV损害、作为新鲜和加工食物的屏障涂层、用于降低或防止食品物质(如花青苷和其他水溶性的化合物)的浸出以及在食品加工和储存过程中水分和气体(例如，O2和CO2)损失和/或增加方面是有用的。本文提供的涂层还用于保护植物、植物部位和食品在储存中、货架上和生产过程(包括采收后生产)中免受生物和非生物胁迫。在一些实施方案中，所述组合物为基于纳米纤维素的可食用组合物，选自一种或多种对生物和非生物胁迫形成屏障、形成抗水膜的基质、UV保护剂、防腐剂(如食物防腐剂)和抗浸出溶液的组分，其中当置于无机材料、食物、植物或其任何部位、动物组织或任何其他有机材料上时，所述组分形成保护屏障。
本文公开了组合物的实施方案，所述组合物包含纤维素纳米材料，其量为约0.1重量/体积％至约10重量/体积％；无机盐组分，其量为约0.005重量/体积％至约2.5重量/体积％；和交联剂，其量为约0.05重量/体积％至约0.1重量/体积％。在一些实施方案中，所述组合物包含纤维素纳米材料，其量为约0.1重量/体积％至约10重量/体积％；和无机盐组分，其量为约0.005重量/体积％至约5重量/体积％。在其他实施方案中，所述组合物包含纤维素纳米材料和至少一种其他组分，所述其他组分选自稳定剂、添加剂、农用药剂及其组合。
还公开了包含由本文公开的组合物所形成的膜的植物或植物部位。
本文还描述了使用所提供的组合物的方法。例如，所述公开的方法的实施方案包括在采收或种植植物或植物部位之前或之后，用本文公开的组合物的实施方案大体上涂布植物或植物部位。
一些公开的实施方案涉及基本上如本文所述的纳米纤维素可食用涂层。在一些实施方案中，还公开了涂布物体的方法，包括将基本上如本文所述的纳米纤维素涂层或涂料组合物施用至物体上。
参照附图标记，通过以下几个实施方案的详细描述，上述和其他特征和优势将变得更明显。
附图说明
图1A和1B为说明所述公开的涂料组合物的实施方案的特征的示意图(图1A)，其可与加工组合物实施方案结合使用以促进在热处理过程中水果中花青苷的保留(图1B)。
图2为说明本文公开的热处理方法步骤的各种实施方案的示意图。
图3A-3E为涂覆和未涂覆的蓝莓在进行两个热处理步骤、膜移除和储存在填充水(在环境条件下一天)后的照片图像。图3A为未涂覆的蓝莓图像；图3B为在第一热处理步骤之前使用包含1％纤维素纳米纤丝(CNF)的组合物涂覆的蓝莓图像；图3C为在第一热处理步骤之前使用包含1％纤维素纳米纤丝和0.01％纳米碳酸钙(NCC)的组合物涂覆(干燥前)的蓝莓图像；图3D为在第一热处理步骤之前使用通过喷涂施用的包含1％纤维素纳米纤丝的组合物涂覆的蓝莓图像；图3E为在第一热处理步骤之前使用通过喷涂施用的包含1％纤维素纳米纤丝和0.01％NCC的组合物涂覆的蓝莓图像。
图4A-4C为在不同的热处理后用本文公开的不同组合物实施方案涂覆的蓝莓的照片图像。图4A为在80℃下热处理20分钟后的蓝莓图像，所述蓝莓在热处理之前被CNF涂覆；图4B为在图4A中示出的蓝莓在除去涂层后，在65℃下进行另一热处理15分钟后的图像；以及图4C为图4A和4B的蓝莓在环境条件下在水中储存一天后的图像。
图5为在处理(80℃下20分钟)和冷却(20分钟)后从涂覆或未涂覆的蓝莓中浸出的单体花青苷浓度(mg/L)和色素吸光度(在525nm下测定)的图表。
图6为从经处理的蓝莓(首先在80℃处理20分钟，然后在65℃处理15分钟)储存后(在环境条件下一天)浸出的单体花青苷浓度(mg/L)和色素吸光度(在525nm下测定)的图表。
图7A-7F为蓝莓在80℃下热处理20分钟并在在室温下冷却4小时后的照片图像。图7A-7C为对照样品(未涂覆的蓝莓)分别在1小时、2小时和4小时后的照片图像。图7D-7F为使用包含1.5％纤维素纳米纤丝和1.0％CaCl2的组合物涂覆的蓝莓分别在1小时、2小时和4小时后的图像。
图8为由图7A-7F中示出的样品测定的吸光度(在525nm下测定)的条形图。所述条形图说明了蓝莓在80℃下热处理20分钟，随后在室温下冷却4小时后的填充溶液的颜色变化；从左到由提供1小时、2小时和4小时后的结果。“NF1.5CC”表示用包含1.5％纤维素纳米纤丝和1.0％CaCl2的组合物涂覆的样品。
图9A和9B为示出了所述公开的组合物的实施方案如何降低或消除从樱桃中浸出的花青苷色素的照片图像。所述照片是在80℃下热处理20分钟，随后储存在填充水中(2小时)后拍摄的。图9A为未涂覆的樱桃图像，图9B为使用包含1.5％纤维素纳米纤丝和1.0％CaCl2的组合物涂覆的樱桃图像。
图10A和10B是示出了未涂覆和涂覆的苹果环在冷冻处理后的外观的照片图像。图10A示出未涂覆的苹果，图10B为使用包含1％纤维素纳米纤丝和0.01％NCC的组合物涂覆的苹果环的图像。
图11为抗张强度(MPa，N/mm2)和断裂伸长率(％)的图表，所述图表示出了从分析羧甲基纤维素膜和使用所述公开的组合物的不同实施方案制备的膜所获得的结果。在图11的条中提供的不同字母代表抗张强度的显著差异(P<0.05)；其中相同字母表示没有观察到显著差异。
图12为通过辐照圆柱形容器表面获得的通量(mJ/cm2)测定结果的条形图，所述圆柱形容器含有0.6MKI、0.1MKIO3和0.01MNa2B4O7·10H2O(n＝2；平均值)。提供没有膜涂层的容器(对照)、覆有羧甲基纤维素膜的容器以及具有用所述公开的组合物的实施方案形成的膜涂层的容器的结果。条上的不同字母代表UV通量的显著差异(P<0.05)；其中相同字母表示没有观察到显著差异。
图13为可见光(在620nm下测定)或UV光(在280nm下测定)透射过本文公开的不同类型的膜的透光率(T，％)的条形图(n＝3，平均值)。
图14A-14E为经处理的苹果在UV暴露和储存后的照片图像。图14A为未涂覆的苹果的图像；图14B为使用包含1％纤维素纳米纤丝的组合物涂覆的苹果图像；图14C为使用包含1％纤维素纳米纤丝和0.01％NCC的组合物涂覆的苹果图像；图14D为使用通过喷涂施用的包含1％纤维素纳米纤丝的组合物涂覆的苹果图像；图14E为使用通过喷涂施用的包含1％纤维素纳米纤丝和0.01％NCC的组合物涂覆的苹果图像。
图15A-15D为未涂覆的梨在环境条件下储存10天(图15A)和25天(图15C)后的照片图像；还示出了用包含1.5％纤维素纳米纤丝和0.1％CaCl2的组合物涂覆的并在相同环境条件下储存10天(图15B)和25天(图15D)的梨。
图16A和16B为在环境条件下储存25天的未涂覆的苹果的照片图像(图16A)，以及用包含1.5％纤维素纳米纤丝和0.1％CaCl2的组合物涂覆的、也在环境条件下储存25天的苹果的照片图像(图16B)。
图17A-17D为未涂覆的樱桃的照片图像(图17A)；用包含2％纤维素纳米纤丝的组合物涂覆的樱桃的照片图像(图17B)；用包含2％纤维素纳米纤丝的组合物涂覆两次的樱桃的照片图像(图17C)；以及用包含2％纤维素纳米纤丝和2％CaCO3的组合物涂覆的樱桃的照片图像(图17D)。
图18为樱桃的增重(％)和容器的水的失重(％)的图，其中将图17A-17D示出的樱桃浸泡8小时。
图19A-19E为使用1.5％的纤维素纳米纤丝和不同浓度的CaCO3涂覆的樱桃的照片图像。图19A为使用1.5％的纤维素纳米纤丝和0.01％CaCO3涂覆的樱桃的图像；图19B为使用1.5％纤维素纳米纤丝和0.05％CaCO3涂覆的樱桃的图像；图19C为使用1.5％纤维素纳米纤丝和0.1％CaCO3涂覆的樱桃的图像；图19D为使用1.5％纤维素纳米纤丝和0.5％CaCO3涂覆的樱桃的图像；图19E为使用1.5％纤维素纳米纤丝和1％CaCO3涂覆的樱桃的图像。
图20A-20E为使用1.5％纤维素纳米纤丝和不同浓度的硅灰石涂覆的樱桃的照片图像(图20A，0.17％硅灰石；图20B，0.38％硅灰石；图20C，0.64％硅灰石；图20D，1％硅灰石；以及图20E，1.5％硅灰石)。
图21A-21E为使用1.5％纤维素纳米纤丝和不同浓度的纳米硅酸钙(钙:硅酸盐＝90％:10％)涂覆的樱桃的照片图像(图21A，1.5％纤维素纳米纤丝和0.17％纳米硅酸钙；图21B，1.5％纤维素纳米纤丝和0.38％纳米硅酸钙；图21C，1.5％纤维素纳米纤丝和0.64％纳米硅酸钙；图21D，1.5％纤维素纳米纤丝和1％纳米硅酸钙；图21E，1.5％纤维素纳米纤丝和1.5％纳米硅酸钙)。
图22A-22E为使用加入了不同浓度的微米CaCO3或CaCl2的1.5％纤维素纳米纤丝涂覆的樱桃的照片图像。(图22A，未涂覆的樱桃；图22B，1.5％纤维素纳米纤丝和0.1％CaCO3；图22C，1.5％纤维素纳米纤丝和0.5％CaCO3；图22D，1.5％纤维素纳米纤丝和0.1％CaCl2；图22E，1.5％纤维素纳米纤丝和0.5％CaCl2)。
图23A-23H为使用包含不同浓度的羧甲基纤维素(CMC)、纳米碳酸钙(NCC)和CaCl2的1％纤维素纳米纤丝(CNF)的组合物涂覆的蓝莓的照片图像。所述蓝莓还使用处理组合物进行热处理，所述处理组合物包含0.25％海藻酸钠(SA)和18％糖(图23A，还包含0％CMC、0.1％NCC和0％CaCl2的1％CNF组合物；图23B，还包含0.1％CMC、0.1％NCC和0％CaCl2的1％CNF组合物；图23C，还包含0％CMC、0.1％NCC和0.1％CaCl2的1％CNF组合物；图23D，还包含0.1％CMC、0.1％NCC和0.1％CaCl2的1％CNF组合物(洗去并在85℃下进行第二热处理20分钟)；图23E，还包含0％CMC、0.5％NCC和0％CaCl2的1％CNF组合物；图23F，还包含0.1％CMC、0.5％NCC和0％CaCl2的1％CNF组合物；图23G，还包含0％CMC、0.5％NCC和0.1％CaCl2的1％CNF组合物；图23H，0.1％CMC、0.5％NCC和0.1％CaCl2)。
图24A-24H为使用包含不同浓度的CNF和羧甲基CMC并还包含不同浓度的纳米碳酸钙(NCC)和CaCl2的组合物涂覆的蓝莓的照片图像。所述蓝莓还使用包含0.25％海藻酸钠(SA)和18％糖的处理组合物进行热处理。图24A为未涂覆的蓝莓对照组的图像；图24B示出使用包含0.5％CNF和0.1％CMC，并还包含0.1％NCC和0％CaCl2的组合物涂覆的蓝莓；图24C示出使用包含0.5％CNF和0.1％CMC，并还包含0.1％NCC和0.1％CaCl2的组合物涂覆的蓝莓；图24D示出使用包含0.5％CNF和0.1％CMC，并还包含0.5％NCC和0％CaCl2的组合物涂覆的蓝莓；图24E示出使用包含0.75％CNF和0.1％CMC，并还包含0.1％NCC和0％CaCl2的组合物涂覆的蓝莓；图24F示出使用包含0.75％CNF和0.1％CMC，并还包含0.1％NCC和0.1％CaCl2的组合物涂覆的蓝莓；图24G示出使用包含0.75％CNF和0.1％CMC，并还包含0.5％NCC和0％CaCl2的组合物涂覆的蓝莓(洗去并在85℃下采用第二热处理20分钟)；图24H示出使用包含0.75％CNF和0.1％CMC，并还包含0.5％NCC和0.1％CaCl2的组合物涂覆的蓝莓。
图25A-25E为使用包含不同量的CNF、羧甲基纤维素和纳米碳酸钙(CaCO3)的组合物涂覆，并进一步(涂覆后)暴露于0.25％海藻酸钠(SA)和18％糖的水溶液和两个热处理步骤的蓝莓的照片图像。图25A为对照样品的图像，其中在热处理前不施用涂料。图25B示出在热处理后，使用包含1％CNF/0.1％CMC/0.1％NCC的组合物涂覆的蓝莓；图25C示出在热处理后，使用包含1％CNF/0.1％CMC/0.5％NCC的组合物涂覆的蓝莓；图25D示出在热处理后，使用包含0.5％CNF/0.1％CMC/0.1％NCC的组合物涂覆的蓝莓；图25E示出在热处理后，使用包含0.75％CNF/0.1％CMC/0.5％NCC的组合物涂覆的蓝莓。
图26为从图25A-25E示出的涂覆或未涂覆的蓝莓在使用0.25％海藻酸钠和18％糖处理组合物处理后并在91-93℃下的两步热处理9-10分钟后浸出的单体花青苷浓度(mg/L)和色素吸光度(在525nm下测定)的图。处理I，1％CNF/0.1％CMC/0.1％NCC；处理II，1％CNF/0.1％CMC/0.5％NCC；处理III，0.5％CNF/0.1％CMC/0.1％NCC；处理IV，0.75％CNF/0.1％CMC/0.5％NCC。
图27为在图26A-26E示出的蓝莓中进行第二热处理步骤后的单体花青苷色素的变化的图；数据表示为与在91-93℃下第一热处理9-10分钟相比的％变化；图中的条形表示不稳定的单体花青苷色素的％增加，曲线表示水果的百分数聚合物颜色。处理I-IV如图26所示。
图28A-28C为在对照样品两次热处理步骤后的热处理后获得的水溶液的照片图像(图28A)，以及在样品(其中使用包含1％纤维素纳米纤丝(CNF)/0.1％羧甲基(CMC)/0.5％纳米碳酸钙(NCC)的组合物涂覆水果并进行第一热处理步骤(图28B)，然后进行第二热处理步骤(图28C))的热处理后获得的水溶液的照片图像。
图29A-29E为使用包含1％CNF/0.1％CMC/0.5％NCC的组合物涂覆的蓝莓的照片图像，其中将所述蓝莓在不同pH值下加入至包含0.25％羧甲基纤维素(CMC)和18％糖的处理液中。图29A为在使用0.25％CMC/18％糖的第一和第二热处理步骤后的处理液中的蓝莓的图像；图29B为在使用0.25％CMC/18％糖的第一和第二热处理步骤并储存7天的处理液中蓝莓的图像；图29C为在使用0.25％CMC/18％糖的第一热处理步骤和使用0.25％CMC/18％糖/10mMCaCl2的第二热处理步骤后的处理液中蓝莓的图像；图29D为使用0.25％CMC/18％糖的第一热处理步骤和使用0.25％CMC/18％糖/10mMCaCl2的第二热处理步骤并储存7天的处理液中蓝莓的图像；图29E为使用0.25％CMC/18％糖的第一处理步骤和在pH4.5下使用0.25％CMC/18％糖/10mMCaCl2的第二热处理并储存7天的处理液中蓝莓的图像。
图30为描述于图29A-29E中的多种不同蓝莓实施方案的单体花青苷色素浓度(mg/L)。
图31为进行高流体静压力处理的未涂覆的蓝莓的图像。
图32为可用本文公开的涂料组合物涂覆的混合水果样品的图像。
图33为示出未涂覆的和经涂覆的水果储存14天期间的失重的图(使用包含1.5％CNF和0.1％NCC的组合物通过喷雾来涂覆所述经涂覆的水果)。
图34A-34F为未涂覆的芒果和涂覆的芒果在环境条件下储存14天后的一系列照片图像。图34A和34B：未涂覆的芒果；图34C和34D：涂料A，其含有通过喷雾施用的1.5％纤维素纳米纤丝(CNF)/0.1％纳米碳酸钙(NCC)；图34E和34F：涂料B，其含有通过喷雾施用的1.5％CNF/0.1％NCC/0.1％羧甲基纤维素(CMC)。涂覆的芒果照片是在使用自来水除去膜后拍摄的。
图35为图34A-34F所示的芒果硬度(以牛顿表示，“N”)的图。
图36A-36C为示出肉桂叶精油(CLE)对纤维素纳米纤丝(CNF)/纳米碳酸钙(NCC)涂料组合物的影响的葡萄的照片图像。图36A示出未涂覆的葡萄；图36B，含2.5％CLE的CNF/NCC；图36C，含2.5％CLE的CNF/NCC/羧甲基纤维素(CMC)。
图37为示出未涂覆的和涂覆的番木瓜在环境条件下储存3天的失重的图，和示例性的橘子水果在环境条件下储存5天的失重的图。“A”指包含1.5％纤维素纳米纤丝(CNF)/0.1％纳米碳酸钙(NCC)和2.5％肉桂叶精油(CLE)的涂料组合物；“B”指含2.5％CLE的CNF/NCC/羧甲基纤维素(CMC)的涂料组合物。
具体实施方式
I.几个实施方案的概述
本文公开了包含至少一种纤维素纳米材料和无机盐组分的组合物的实施方案。所述公开的组合物可用于在植物、植物部位和其他物体上形成可食用涂层/膜。在一些公开的实施方案中，所述组合物还包含交联剂。所述公开的组合物和使用所述组合物制备的涂层/膜在保护新鲜和加工的产品和其他物质和产品免受多种不同类型的食物加工损害(和与之有关的有害作用)，以及降低质量和可销售性的生物和/或非生物胁迫方面是有效的。
公开的实施方案包括用于防止植物或其部位的采收前和采收后损害的涂料组合物。在一些实施方案中，所述涂料组合物减少无机材料、植物和动物组织色素以及新鲜和加工组织(例如，水果和蔬菜)中营养物质的浸出。所述组合物的实施方案可用于在物体，如植物和/或植物部位(例如，水果、蔬菜等)上形成膜。
所述组合物，以及使用该组合物制得的膜可用于保护植物和/或植物部位免受采收前或采收后损害和/或加工引起的损害。在一些实施方案中，农作物种子和幼苗可受益于本文所述的组合物，因为它们在储存和田间生产中可被保护免受生物和非生物胁迫。所公开的组合物，以及使用该组合物制得的膜可防止可感知的质量降低，并减少与已暴露于或受损于UV光的植物或植物部位有关的健康损失。此外，所述组合物以及使用该组合物制得的膜可保护冷藏(例如，冷冻的，储存在冷藏室或冰箱中的)储存的食品、果实或蔬菜。例如，之前冷冻的食品通常表现出“汁液流失”，其可以使用本文所述的组合物来减少。所述组合物的实施方案还可用于保持食品和新鲜产品的完整性和外观。
一些实施方案涉及一种组合物，其包含纤维素纳米材料，其量为约0.1重量/体积％至约10重量/体积％；无机盐组分，其量为约0.005重量/体积％至约2.5重量/体积％；以及交联剂，其量为约0.05重量/体积％至约0.1重量/体积％；或包含纤维素纳米材料，其量为约0.1重量/体积％至约10重量/体积％；以及无机盐组分，其量为约0.005重量/体积％至约5重量/体积％。在任意或所有所记载的实施方案中，所述纤维素纳米材料选自纤维素纳米纤丝、纤维素纳米晶体或其组合。在任意的或所有所记载的实施方案中，所述纤维素纳米材料以约0.1重量/体积％至约3重量/体积％的量存在。在任意或所有所记载的实施方案中，所述无机盐组分选自含钠的盐、含钾的盐、含钙的盐、含镁的盐、含锡的盐，或其两种或多种的组合。在任意或所有描述的实施方案中，所述无机盐组分选自纳米碳酸钙、微米碳酸钙、钙:硅酸盐(90％:10％)、硅灰石、CaCl2、NaCl、SnCl2、MgCl2、KCl、KI或其组合。在任意或所有所记载的实施方案中，所述无机盐组分以约0.1重量/体积％至约2重量/体积％的量存在。
在任意或所有所记载的实施方案中，所述交联剂为含羧基或含硫酸盐的多糖，所述多糖选自海藻酸、海藻酸钠、羧甲基纤维素、果胶多糖、羧甲基葡聚糖(dextran)、黄原胶、羧甲基淀粉、透明质酸、硫酸葡聚糖(dextransulfate)、多硫酸戊聚糖酯、角叉菜胶、岩藻多糖(fuciodans)或其两种或多种的组合。在任意或所有所记载的实施方案中，所述交联剂以约0.05重量/体积％至约0.4重量/体积％的量存在。
在任意或所有所记载的实施方案中，所述组合物还可包含稳定剂、添加剂、农用药剂，或其两种或多种的组合。在一些实施方案中，所述稳定剂选自酚类化合物、酸、金属离子或其两种或多种的组合；所述添加剂选自成膜材料、增塑剂、抗微生物剂、抗氧化剂、悬浮剂/稳定剂、乳化剂、混炼助剂/消泡剂、防腐剂、共溶剂或其两种或多种的组合；和/或所述农用药剂选自营养素、生长刺激物、植物生长调节剂、除草剂、杀真菌剂、杀虫剂或其两种或多种的组合。
在任意或所有所记载的实施方案中，配制该组合物用于防止或减轻植物、水果、蔬菜或其部位中的采收前和/或采收后损害。在任意或所有所记载的实施方案中，配制该组合物用于防止或减少营养素、花青苷和其他生物色素或其组合从植物、水果、蔬菜或其部位中浸出。在任意或所有所记载的实施方案中，配制该组合物用于防止或减轻植物、水果、蔬菜或其部位的失重和UV损害。
在任意或所有所记载的实施方案中，所述组合物包含纤维素纳米纤丝，其量选自0.188％、0.375％、0.5重量/体积％、0.75重量/体积％、1重量/体积％、1.5％重量/体积％或2重量/体积％；纳米碳酸钙，其量选自0.01重量/体积％、0.05重量/体积％、0.1重量/体积％、0.17重量/体积％、0.38重量/体积％、0.5重量/体积％、0.64重量/体积％、1重量/体积％、1.5重量/体积％或2重量/体积％；以及羧甲基纤维素，其量选自0.05重量/体积％、0.1重量/体积％、0.15重量/体积％或0.25重量/体积％。
一些实施方案涉及包含由本文所述的任意或所有实施方案的组合物形成的膜的植物或植物部位。在任意或所有所记载的实施方案中，与未用所述组合物涂覆的等价的植物或植物部位相比，所述植物或植物部位在解冻后显示降低的失重。在任意或所有所记载的实施方案中，与未用所述组合物涂覆的等价的植物或植物部位相比，所述植物或植物部位显示降低的开裂。在任意或所有所记载的实施方案中，与未用所述组合物涂覆的等价的植物或植物部位相比，所述植物或植物部位显示降低的花青苷浸出、水分损失、气体交换或营养素损失。在一些实施方案中，所述植物部位为果实、蔬菜或种子。
本文还公开了方法的实施方案，所述方法包括在植物或植物部位采收前或采收后，使用任意或所有公开的实施方案的组合物大体上涂覆植物或植物部位。在任意或所有所记载的实施方案中，用所述组合物通过喷雾、浸渍、涂抹(enrobing)，或其两种或多种的组合来大体上涂覆所述植物或植物部位。在任意或所有所记载的实施方案中，所述方法还包括在其已被涂覆从而在植物或植物部位上形成膜后干燥植物或植物部位，其中干燥包括在约30℃至约35℃的温度下加热所述植物或植物部位。在任意或所有所记载的实施方案中，所述植物部位为果实或蔬菜。在一些实施方案中，所述方法还包括处理果实或蔬菜，以防止或减少营养素、花青苷和其他生物色素，或其组合从果实或蔬菜中浸出。在一些实施方案中，处理果实和蔬菜包括在至少80℃至约100℃的温度下热处理水果和蔬菜，使用高流体静压力处理水果和蔬菜，或其组合。在一些实施方案中，所述方法还包括在果实或蔬菜被加工前、果实或蔬菜被加工后或两者从果实或蔬菜上洗去膜。在一些实施方案中，可使用一个或多个额外的热处理步骤。在任意或所有所记载的实施方案中，所述方法还可包括将果实或蔬菜暴露于处理组合物中。在一些实施方案中，所述处理组合物包含交联剂，其量为约0.01重量/体积％至约0.5重量/体积％；任选的糖化合物，其量为约12重量/体积％至约25重量/体积％；多价盐，其量为约1mM至约100mM，或其组合。在一些实施方案中，所述处理组合物包含海藻酸钠、羧甲基纤维素、蔗糖、CaCl2，或其两种或多种的组合。
在任意或所有所记载的实施方案中，所述方法防止或减轻植物或植物部位的采收前或采收后损害。在任意或所有所记载的实施方案中，所述方法防止或减少汁液流失。在任意或所有所记载的实施方案中，所述方法防止或减轻对植物或植物部位的生物和/或非生物胁迫。在任意或所有所记载的实施方案中，所述方法延长植物或植物部位的储存或保质期。
一些实施方案涉及一种方法，包括在采收前或采收后使用组合物大体上涂覆果实或蔬菜，所述组合物包含纤维素纳米材料，其量为约0.1重量/体积％至约3重量/体积％；无机盐组分，其量为约0.005重量/体积％至约2.5重量/体积％；以及交联剂，其量为约0.05重量/体积％至约0.4重量/体积％；干燥涂覆果实或蔬菜的组合物以形成膜；在至少80℃至约100℃的温度下，在处理组合物中热处理果实或蔬菜，所述热处理组合物包含交联剂，其量为约0.01重量/体积％至约0.5重量/体积％；糖化合物，其量为约12重量/体积％至约18重量/体积％；多价盐，其量为约5mM至约15mM，或其组合；从果实或蔬菜上洗去所述膜；以及在至少80℃至约100℃的温度下、至少4至约5.5的pH下在处理组合物中热处理果实或蔬菜，所述热处理组合物包含交联剂，其量为约0.01重量/体积％至约0.5重量/体积％；糖化合物，其量为约12重量/体积％至约18重量/体积％；多价盐，其量为约5mM至约15mM，或其组合。在任意或所有所记载的实施方案中，干燥包括在约30℃至约35℃的温度下加热果实或蔬菜。
在一些实施方案中，可使用基本上如本文所述的纳米纤维素可食用涂层。在一些实施方案中，提供涂覆物体的方法，包括向物体施用基本上如本文所述的纳米纤维素涂层或涂料组合物。
II.缩写
CaCl2氯化钙
CMC羧甲基纤维素
CMF纤维素微纤维
CNC纤维素纳米晶体
CNF纤维素纳米纤丝
MicroCaCO3微米碳酸钙
NCC纳米碳酸钙
SA海藻酸钠
SEM扫描电镜
RH相对湿度
WVTR水蒸汽透过率
III.术语
除非另有说明，根据常规用法使用技术术语。
本文使用的术语“纤维素纳米晶体”是指由至少一个初级原纤构成的纤维素物体，其主要含有结晶区和类结晶区，其在纤维素纳米晶体之间不具有分支或缠结或类网络结构。
本文使用的术语“纤维素纳米纤维”是指主要由纤维素构成的并展现纤维素性质的纳米纤维。
本文使用的术语“纤维素纳米纤丝(nanofibril)”是指由至少一个初级原纤构成的纤维素物体，其含有结晶区、类结晶区和无定形区，其在纤维素纳米纤丝之间展现纵向分支、缠结或类网络结构。
本文使用的术语“交联”是指使用物质(分子或离子的)通过化学键(例如共价键和/或离子键)连接至少两个分子(不论相同或不同)。
本文使用的术语“初级原纤”或“纤丝”是指一种纤维素结构，其源自单个末端转移酶复合物，具有每种植物、动物、海藻和细菌特定的纤维素链结构。
本文使用的术语“包封”是指在颗粒或物体周围形成完整的或部分的屏障，用于具体控制物质移入或移出被包封的颗粒或物体。
术语“外源性的”是指任何存在于生物体或活细胞或系统或物体内或其上，但源于该生物体/细胞/系统/物体的外部，与内源性的东西相对的材料。本文所使用的，外源性的与本文公开的合成膜的区别在于植物或植物部位产生的天然膜或表皮。
本文使用的术语“浸出”是指将某些有机和无机材料从植物或植物部位中提取成液体，如处理组合物或其他合适的水性或非水性组合物。
本文使用的术语“减轻”是指公开的组合物、由该组合物制得的膜或使用该组合物的方法大体上减少(例如，如约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％)采收前或采收后损害发生的能力。在一些实施方案中，采收前或采收后损害可由生物胁迫、非生物胁迫、储存和/或处理(例如，热处理)引起。
本文使用的术语“纳米纤维”是指具有两个纳米级外部尺寸和第三个尺寸明显更大的纳米物体。
本文使用的术语“营养素”是指发现于植物或植物部位中的，不论是天然存在的或在生长过程中吸收的任何组分。营养素可包括但不限于主要的大量营养素，如氮、磷、钾；次要的大量营养素，如钙、硫和镁；微量营养素或痕量矿物质，如硼、锰、铁、锌、铜、镍等。
本文使用的术语“植物”是指包括任何的根部结构、维管组织、营养组织和生殖组织的整个植物。“植物部位”包括植物的任何部分。例如，可在采收植物时得到植物部位。本公开包括的植物部位包括但不限于，花、果实、种子、叶、蔬菜、茎杆、根、分枝，及其组合，少于其所衍生的整个植物。
本文使用的术语“防止”是指公开的组合物、由该组合物制得的膜或使用该组合物的方法完全或基本上停止采收前或采收后损害发生的能力。在一些实施方案中，采收前或采收后损害可由生物胁迫、非生物胁迫、储存和/或处理(例如，热处理)引起。
本文使用的术语“UV损害”是指由紫外光引起的对本文所述的物体的任意类型的损害。在一些实施方案中，这种损害可包括萎蔫、褪色、皱缩、斑点等。
除非另有说明，可用于本文公开的涂料组合物、处理组合物和/或农用组合物中的组成组分的量表示为重量/体积百分数。
本文提供了术语和方法的说明以更好地描述本公开，并在本公开的实践中指导那些本领域普通技术人员。除非本文另有明确指示，单数形式“一(a)，”“一(an)，”以及“所述(the)”是指一个或多于一个。例如，术语“包含抗氧化剂”包括单数或复数的抗氧化剂，并被认为等价于表述“包括至少一种抗氧化剂”。除非本文另有明确指示，术语“或”是指所述可替换要素的单个要素或两个或多个要素的组合。如本文所使用，“包含”意指“包括”。因此，“包含A或B”意指“包括A、B，或A和B”，而不排除其他要素。
除非另有说明，本文使用的所有技术术语和科学术语具有与本公开所属领域的一个普通技术人员的通常理解相同的含义。本文引用的所有参考文献通过引用的方式全文纳入本文。
IV.涂料组合物
可使用本文公开的方法和本领域已知的适于制备可施用至物体上的分散体、溶液或乳液的任意其他方法来制备本文所述的涂料组合物。
A.组分
在一些实施方案中，本文所述的涂料组合物的组分是可食用的，且在某些实例中，它们具有由美国食品药品管理局(UnitedStatesFoodandDrugAdministration)提供的通常被认为是安全(GRAS)的管理状态。在其他实例中，所述组分在环境保护局的4A和4B列表被列为对环境是安全的。
在一些实施方案中，所述涂料组合物可包含纤维素纳米材料。本文使用的纤维素纳米材料是主要由约一百至超过一万个β-D-吡喃葡萄糖单元的直链构成的纤维素材料，所述β-D-吡喃葡萄糖单元通过C1和C4位的糖苷键连接，所述纤维素材料具有纳米级外部尺寸，或在一些实施方案中，具有纳米级内部结构或外部结构。在一些实施方案中，纤维素纳米材料可包含纤维素纳米纤丝(在本文中其还称为CNF)或纤维素纳米晶体。这类纳米材料可含有一部分纤维素微晶体或纤维素微纤丝。根据用于制备纤维素纳米材料的提取方法和/或通过改变从中提取的这些组分的含纤维素的种类，可降低或增加存在于这种混合物中的纤维素微晶体和/或纤维素微纤丝的量。在一些实施方案中，所述纤维素纳米材料由纤维素纳米纤丝或纤维素纳米晶体构成。通常选择纤维素纳米材料以为引入本文公开的其他材料/组分提供透明的涂层和改进的基质。
通常选择公开的涂料组合物的纤维素纳米材以在用于特定组合物的实施方案和使用本文公开的组合物的方法中具有合适的结构和合适的化学性质。例如，通常选择纤维素纳米材料以提供可接受的透明的耐水涂层。在一些实施方案中，优化纤维素纳米材料的结构和化合物性质以提供一类包含结晶区和无定形区的纤维素纳米材料。纤维素纳米材料的宽度为约3nm至约300nm。纤维素纳米材料的长度可为约50nm至约100,000nm，如约100nm至约10,000nm，约100nm至约5,000nm，约100nm至约2,500nm，约100nm至约2,000nm，或约100nm至约1,000nm。本文公开的纤维素纳米材料可具有让人联想到植物细胞壁的初级纤丝的长宽比。在一些实施方案中，纤维素纳米材料的长宽比的范围为约10至约1×106，例如约20至约1x105，约30至约1x104，约40至约100，或约50至约100。长宽比在此范围内的示例性的纤维素纳米材料为本文公开的纤维素纳米纤丝材料。在其他实施方案中，所述纤维素纳米材料的长宽比的范围可为约5至约100，如约5至约50，约5至约25，约5至约20，约5至约15，或约5至约10。长宽比在此范围内的示例性的纤维素纳米材料为本文公开的纤维素纳米晶体材料。在特别公开的实施方案中，所述纤维素纳米材料可为可使用本领域普通技术人员已知的通常方法(如源自木纤维或非木本植物纤维的纤维素的机械精炼中使用或不使用化学预处理的纤维化)制备的纤维素纳米纤丝。用于制备纤维素纳米纤丝的方法可提供或可以不提供含残余的半纤维素的纤维素纳米纤丝组合物。在一些实施方案中，所述纤维素纳米纤丝可以从商业来源购买，然后用于所述公开的组合物中。
公开的涂料组合物还可包括一种或多种无机盐组分。所述无机盐组分应适于食用。可将所述无机盐组分加入涂料组合物的实施方案中，以促进被所述涂料组合物涂覆的物体的UV保护、增加膜强度、增加膜与被所述涂料组合物涂覆的物体，和/或组分包含在被涂覆的物体内的复合物的粘合力。在一些实施方案中，所述无机盐组分可为纳米颗粒或纳米粉末。所述无机盐组分的粒径范围可为约60nm至约100nm，所述粒径尺寸是用扫描电镜(SEM)测定的。所述无机盐组分可选自本领域通常用作农用添加剂、药物递送组分(例如，纳米碳酸钙，其可承载亲水性的基于蛋白质的药物)的任何一种，或选自用于成像、生物医学和生物科学的那些，或作为涂层、塑料、纳米线，或合金和/或催化应用。在优选的实施方案中，所述无机盐组分不易被氧化。
在特别公开的实施方案中，所述无机盐组分包含至少一种单价或多价(如二价、三价或四价)离子和合适的平衡离子。在一些实施方案中，所述无机盐化合物可选自含钠的盐、含钾的盐、含钙的盐、含镁的盐、含锡的盐，或其组合。这种盐可包含任何合适的平衡离子，如可安全食用的那些。选择合适的无机盐组分，以保持使用所公开的涂料组合物制得的膜的透明度，且其可包括但不限于钙盐(例如，纳米碳酸钙、纳米硅酸钙复合物(如硅灰石或分别以90％:10％的比值结合钙和硅酸盐)、氯化钙、氯化钠等)、锡盐(例如，二氯化锡等)、镁盐(例如，氯化镁等)、钾盐(例如，氯化钾、碘化钾等)，或其组合。
可以使用不同量的任意组合的公开组分配制本文公开的涂料组合物的实施方案。用于涂料组合物中的纤维素纳米材料的量的范围可为约0.1％至约10％，如约0.1％至约5％，约0.1％至约3％，约0.15％至约2.5％，约0.19％至约2％，约0.25％至约1.5％，约0.3％至约1％，或约0.5％至约1％。纤维素纳米材料的示例性的量包括约0.188％、0.375％、0.5％、0.75％、1％、1.5％和2％。用于涂料组合物中的无机盐组分的量的范围可为约0.005％至约5％，如约0.005％至约2.5％，如约0.05％至约2％，或约0.1％至约2％，或约0.5％至约2％，或约1％至约2％，或约1.5％至约2％。可用于涂料组合物中的无机盐组分的示例性的量包括约0.01％、0.05％、0.1％、0.17％、0.38％、0.5％、0.64％、1％、1.5％和2％。某些涂料组合物的实施方案不需包含无机盐组分而由纤维素纳米材料组成。在包含纤维素纳米材料和一种或多种无机盐组分的涂料组合物的实施方案中，纤维素纳米材料与无机盐组分的比值范围可为约50:50(纤维素纳米材料:无机盐组分)至约99:1(纤维素纳米材料:无机盐组分)，示例性的比值包括50:50、99.34:0.66、96.77:3.23、93.75:6.25、90:10、80:20、75:25、70:30或60:40(纤维素纳米材料:无机盐组分)。
本文公开的示例性的涂料组合物的实施方案可包含纤维素纳米纤丝、纳米碳酸钙、氯化钙、氯化钠和/或二氯化锡的组合。这些组分的各自的量如本文所公开，且这些组合物还可包含一种或多种下文讨论的其他组分。
所公开的涂料组合物的某些实施方案还可包含一种或多种稳定剂。所述稳定剂可用于在处理过程中稳定或保留植物或植物部位(例如，果实或蔬菜)中的花青苷，以延长保质期、储存和增加消费者吸引力。可添加至公开的涂料组合物中的稳定剂的实例包括但不限于，酚、酸、交联剂、金属离子，及其组合。
可使用的酚类化合物包括但不限于，单宁酸、水杨酸、香草醛、乙基香草醛、五倍子酸(gallicacid)、鞣花酸(ellagicacid)、对羟基苯甲酸甲酯、对羟基苯甲酸丙酯、对羟基苯甲酸乙酯、对羟基苯甲酸丁酯、香草醛、丁基化羟基苯甲醚、丁基化羟基甲苯、生育酚、α-生育酚等。
合适的酸的实例包括但不限于，甲酸、柠檬酸、乙酸、富马酸、乳酸、苹果酸、磷酸、酒石酸、丙酸等。在一些实施方案中，所述酸化合物可与本文公开的交联组分相同。
可将交联剂加入组合物中以改善材料性质，特别是由涂料组合物形成的膜的机械性质，以及纤维素纳米材料和无机盐组分之间的亲和性。不限于单一操作理论，目前认为交联剂通过增加纤维素纳米材料的阴离子化程度来提高无机盐组分的阳离子颗粒和纤维素纳米材料的阴离子部分之间的吸引力。交联剂可包括但不限于含羧基或硫酸盐的多糖。合适的羧化多糖包括但不限于，海藻酸(或其盐，如海藻酸钠)、羧甲基纤维素、果胶多糖、羧甲基葡聚糖、黄原胶、羧甲基淀粉，或其组合。合适的硫化多糖包括但不限于，透明质酸、硫酸葡聚糖、多硫酸戊聚糖酯、角叉菜胶、岩藻多糖，或其组合。另外，任何合适的本领域已知的非羧化多糖或非硫化多糖可以化学改性以包括这些官能团。在一些实施方案中，甚至可使用这种方法使纤维素纳米材料官能化，如CNF的羧甲基化。这种改性的多糖还可用于公开的组合物中。在其他实施方案中，所述交联剂可为无机交联剂，如三偏磷酸钠、乙酸钙、氯化钙、氯化锌、氯化镁、氯化铁、锰等。还可使用有机交联剂(除了上文公开的多糖外)，如丙酮酸、戊二醛、甘油醛、甲醛、乙酸的镁盐和锌盐，或其组合。图1A提供了公开的组合物的示例性的实施方案，其示出了组成的组分以及各个组分如何影响组合物中其他组分的性质，以提供适于本文公开的用途的持久的、耐水的膜。
还可以将金属离子加入公开的组合物中，以增加存在于无机盐组分中的单价或多价金属的阳离子化程度，从而改善无机盐组分和纤维素纳米材料之间的亲和性。可包含于公开的涂料组合物中的金属离子包括但不限于钙(例如源自CaCl2)、锡(例如源自食品级二氯化锡(Sn))，或其他食品级金属离子。
可改变可用于公开的涂料组合物中的稳定剂的量以增加和/或降低涂料组合物的所期望的性质。酚类化合物和酸可存在的量的范围为0至约5％，如约1％至约5％，或约2％至约5％，或约3％至约5％，或约4％至约5％。交联剂可存在的量的范围为0至约1％，如约0.05％至约1％，约0.05％至约0.9％，约0.05％至约0.8％，约0.05％至约0.7％，约0.075％至约0.6％，约0.1％至约0.5％，约0.15％至约4％，或约0.2％至约0.3％，或约0.25％至约0.3％。在一些实施方案中，交联剂可存在的量的范围为0至0.5％，如约0.05％至约0.4％，约0.1％至约0.3％，或约0.1％至约0.25％。交联剂的示例性的量选自0.05％、0.1％、0.15％和0.25％。金属离子可存在的量的范围为约0.5mM至约15mM，如约1mM至约10mM，如约1mM至约9mM，或约1mM至约7mM，或约1mM至约7mM，或约1mM至约3mM。
在其他公开的实施方案中，所述涂料组合物还可包含一种或多种添加剂，当施用至待涂覆的物体上时，所述添加剂可保护物体免于(和/或降低)损失水、UV损害和/或损失物理完整性，所有的这些对食品工业的明显质量劣化、微生物腐败和货币损失负责。合适的添加剂的实例包括但不限于，成膜材料如壳聚糖、蛋白质、或水果或蔬菜泥(vegetablepuree)；增塑剂(例如但不限于丙三醇、丙二醇、山梨糖醇溶液、单硬脂酸脱水山梨糖醇酯、单油酸脱水山梨糖醇酯、乳酰胺、乙酰胺DEA、乳酸、聚山梨醇酯20、60和80、聚氧乙烯脂肪酸酯和聚氧乙烯脂肪酸醚、山梨糖醇脂肪酸酯、聚丙三醇脂肪酸酯、乙酸甘油酯、癸二酸二丁酯，或其组合)；抗微生物剂或抗氧化剂，其可选自合适的精油(包括，但不限于百里香油、丁香油、牛至、香茅草(lemongrass)、马郁兰(marjoram)、肉桂、芫菜(coriander)，或其组合)，以及也表现抗微生物和/或抗氧化活性的本文公开的其他合适的组分；悬浮剂/稳定剂(包括但不限于黄原胶、瓜尔胶、角叉菜胶、卡波姆聚合物，及其组合)；乳化剂(包括但不限于pemulin乳化剂、卵磷脂、吐温表面活性剂、聚山梨醇酯20，及其组合)；混炼助剂/消泡剂(包括但不限于surfynol产品、硅酮，如二甲硅油、硅胶，及其组合)、防腐剂(包括但不限于山梨酸、苯甲酸，及其盐；硝酸盐(包括但不限于硝酸钾或硝酸钠)；壳聚糖；精油；有机酸；细菌素(包括但不限于乳酸链球菌素)；以及酚类化合物)；共溶剂(例如但不限于醇类，如异丙醇)；及其组合。在一些实施方案中，某些额外组分可在组合物中起到多种作用。例如，某些添加剂组分，如防腐剂和壳聚糖，可表现抗微生物和/或抗氧化活性，某些稳定剂，如酸类和酚类化合物。
存在于涂料组合物中的添加剂的量可以视需要改变。在一些实施方案中，增塑剂可存在的量的范围为0至约10％，如约0.1％至约10％，约0.2％至约9％，约0.3％至约8％，约0.4％至约7％，约0.5％至约6％，约0.75％至约5％，或约1％至约4％。在使用壳聚糖的实例中，存在的壳聚糖的量的范围为约0至约2％，如约0.1％至约1.5％，约0.2％至约1％，约0.3％至约0.9％，约0.4％至约0.8％，或约0.5％至约0.7％。在使用精油的实例中，存在的精油的量的范围为约0至约4％，如约0.1％至约2.5％，约0.2％至约1.5％，约0.3％至约1.5％，约0.4％至约1.5％，或约0.5％至约1.5％。
还考虑到的是包含至少一种本文所述的组合物组分，以及还包含一种或多种农用药剂的农用组合物，所述农用药剂选自营养素(例如，肥料)、生长刺激物、植物生长调节剂、除草剂、杀真菌剂、杀虫剂，或其组合。农用组合物，或使用该农用组合物制得的膜，可使用本文公开的任何方法制得，且可施用至农作物、树木、灌木、藤、蔬菜植物、观赏和装饰性植物，如为了其花卉而长成的植物(例如，玫瑰、康乃馨、百合等)或为了其装饰性的叶子而长成的植物(例如，常春藤、蕨类植物等)等。可选择用于公开的农用组合物中的农用药剂的量在EPA指南规定的限制范围内。本领域技术人员应认识到，这种量可以通过查阅EPA指南关于选择的农用药剂以及在其提供的上限和下限内选择量来确定。
在包含一种或多种农用药剂的实施方案中，通常提供的农用药剂的量的范围为约1ppm至约5,000ppm，如约1ppm至约4,000ppm，约1ppm至约3,000ppm，约1ppm至约2,000ppm，或约1ppm至约1,000ppm。还可使用低于或等于制造者建议的施用水平且容易被本领域普通技术人员识别的量。
B.处理组合物
本文公开的其他组合物包括处理组合物，其可与本文公开的涂料组合物结合使用。所述处理组合物通常用于经所述公开的涂料组合物涂覆的物体经过热处理的方法中。
合适的处理组合物包含至少一种能够促进被涂覆的物体表面包封的组分，和/或能够提高存在于该物体(例如，植物或植物部位)中的一种或多种色素组分的热稳定性的组分。不限于单一操作理论，目前认为处理组合物组分可以在化学上与一种或多种涂料组合物组分相互作用(例如，静电、共价和/或离子)。
在特别公开的实施方案中，所述处理组合物可包含本文公开的交联剂。示例性的交联剂包括但不限于含羧基或含硫酸盐的多糖。合适的羧化多糖包括但不限于，海藻酸(及其盐)、羧甲基纤维素、果胶多糖、羧甲基葡聚糖、黄原胶、羧甲基淀粉，或其组合。合适的硫化多糖包括但不限于，透明质酸、硫酸葡聚糖、多硫酸戊聚糖酯、角叉菜胶、岩藻多糖，及其组合。另外，可在化学上改性任何本领域已知的合适的非羧化或非硫化多糖以包括这些官能团。这类改性的多糖还可用于所述公开的组合物中。存在于处理组合物的交联剂的量的范围可为约0.01％至约0.5％，如约0.01％至约0.4％，约0.05％至约0.3％，约0.1％至约0.25％，或约0.15％至约0.2％。在示例性的实施方案中，所用交联剂的量为约0.25％。
所述处理组合物还可包含糖化合物。在一些实施方案中，所述糖化合物是任选的且无需存在于处理组合物中。任何适于用于典型的水果罐头加工的糖可用于处理组合物中。在特别公开的实施方案中，所述糖化合物选自白利糖度值为约12至约18的任意糖化合物。示例性的实施方案使用蔗糖，但可使用其他类似的糖化合物。用于处理组合物中的糖化合物的量的范围为0至约25％，如约5％至约20％，约12％至约18％，如约12％至约17％，约12％至约16％，约12％至约15％，或约12％至约14％。在示例性的实施方案中，所用糖化合物的量为约18％。
其他合适的处理组合物组分包括但不限于，本文公开的任意多价盐。在一些实施方案中，所述处理液可包括含钙盐、含镁盐、含锡盐，或其组合。在本文公开的特定工作实施方案中使用的示例性的多价盐为CaCl2，但还可以使用本领域普通技术人员已知的这类其他盐。在使用多价盐的实施方案中，所提供的多价盐的量为约1mM至约100mM，如约5mM至约75mM，约5mM至约50mM，约5mM至约25mM，约5mM至约20mM，约5mM至约12.5mM，或约5mM至约10mM。在示例性的实施方案中，所用的多价盐的量为约10mM。
在特别公开的实施方案中，使用包含海藻酸钠(还称为“SA”)的处理组合物来促进水果表面上营养素、色素、花青苷等的包封。目前认为该包封是通过海藻酸钠和一种或多种存在于组合物中的正电荷离子(如以无机盐组分和/或金属离子添加剂的形式)之间的化学交联作用来实现的。因此，含海藻酸钠的处理液还可改善涂料组合物对经涂覆的水果表面的粘附性。因此，经涂覆的水果在水性条件下、热条件下或其他处理条件下变得更持久。图1B提供了示出与本文公开的处理组合物结合的公开涂料组合物的特别实施方案的示意图。
所述处理液还可包含羧甲基纤维素(单独或与海藻酸钠组合)，以进一步防止营养素、花青苷和其他生物色素从水果中浸出。不限于单一操作理论，目前认为羧甲基纤维素(或本文公开的其他任何交联剂)还引起存在于涂料组合物中的一种或多种正电荷离子(如存在于无机盐组分和/或金属离子添加剂中的那些)和存在于水果中的花青苷之间的金属复合物形成。图1B描述了示例性的实施方案。该金属复合物的形成可促进存在于水果中的花青苷的聚合和/或结构改性。这些聚合或结构改性的花青苷通常更稳定，因此不会在热处理和/或储存过程中降解和/或从果实中浸出。
V.膜
本文还公开了可使用所公开的组合物制得的膜的实施方案。所述公开的膜的某些实施方案不包含任何待施用至物体上的蜡、油或其他溶剂。所述膜作为膜或作为用于形成膜的组合物是可食用的，所述组合物可使用通常发现于食品(例如，纤维素、碳酸钙、水、丙三醇等)中的成分配制，从而避免消费者关于食品安全担忧。在一些实施方案中，所述膜可为含纤维的或结晶的，且可在被涂覆的物体上形成持久的、惰性的、耐水的涂层。
在一些实施方案中，所述组合物可用于在物体上形成膜，所述膜具有本文讨论的物理和化学性质。所述公开的组合物还可用于形成软包装。软包装包括但不限于，生物可降解产品，如板、膜和包装，或保护涂层。本文使用的术语“膜”或“涂层”是指在植物或植物部位外部的形成的组合物的层。所述层不需要具有均匀的厚度或在组合物中完全均质。同样，所述膜或涂层不需要覆盖其所施用的整个物体。在一些实施方案中，所述膜或涂层可以大体上涂覆该物体。在这种实施方案中，所述膜或涂层可覆盖约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％的物体表面积。在其他实施方案中，所述膜或涂层可完全涂覆物体——即其可以覆盖约100％的物体。在一些实施方案中，所述膜或涂层在物体上的厚度的变化可为约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％。
由所述公开的组合物的实施方案制得的膜和/或软包装具有极强的耐水性且很强韧。包含所述公开的组合物和其他现有的成膜材料(如壳聚糖、蛋白质和水果/蔬菜泥)的组合的膜和软包装可提供耐水性和屏障特性，同时保留该组合物的非纤维素组分的独特功能。本文所述的膜或涂层可提供保护，防止由蒸发引起的水分流失和/或与冷冻-解冻有关的汁液流失，且能够改善耐水性和屏障特性，同时保留组合物的非纤维素组分的独特功能。
当施用至植物、植物部位、食品、动物组织和无机材料的目标表面时，所述公开的组合物在干燥后形成强韧的外部屏障。通过将组合物中的水分蒸发来干燥组合物以形成膜。在一些实施方案中，用加热来干燥膜以促进组合物更快地干燥，从而防止或减轻长期暴露于氧气和光下。在将组合物施用至物体后，可使用约30℃至约35℃的温度干燥所述组合物。当进行加热、加压或其他与制备和处理有关的条件时，使用公开的组合物的实施方案制备的膜或涂层可减少颜色外观和物理完整性损失，所述物理完整性与花青苷和其他生物色素(例如，甜菜色素)、营养素以及水溶性化合物进入周围的水或其他水溶液中的浸出有关。该屏障防止或大大减少在热处理或其他类型的处理中花青苷和其他生物色素(例如，甜菜色素)和营养素的浸出。在植物和食品中，在采收前后防止水分损失对产品的可销售性是很重要的。所述公开的组合物以及使用该组合物制得的膜可用于防止在易受影响的植物、食品以及动物组织和无机材料中的这种水分损失。
在特别公开的实施方案中，包含由本文公开的组合物制得的膜的植物或植物部位表现出不含这种膜的等价的植物或植物部位(即，相同为未改性的植物或植物部位)不会表现出的特性。例如，在一些实施方案中，与未用所述组合物涂覆的等价的植物或植物部位相比，包含由所公开的组合物形成的膜的植物或植物部位在解冻后表现出降低的重量损失(如降低10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％)。在一些实施方案中，与未用所述组合物涂覆的等价的植物或植物部位相比，包含由本文公开的组合物制得的膜的植物或植物部位表现出降低的裂开(如降低10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)。在另一其他实施方案中，与未用所述组合物涂覆的等价的植物或植物部位相比，包含由所公开的组合物制得的膜的植物或植物部位表现出降低的花青苷浸出、水分损失、气体交换或营养素损失(如降低10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％)。
VI.制备组合物的方法
本文还公开了制备所述公开的涂料组合物和处理组合物的方法的实施方案。
制备所述公开的组合物的方法可包括将适量的本文公开的各组合物组分分散于水(其可为去离子水、纯化水等)中。在一些实施方案中，可同时将两种组分加入水中。在其他实施方案中，可将各组分相继加入相同的水溶液中。在另一其他实施方案中，可制备各组分的单独的水溶液，然后将其混合。可在将无机盐组分加入纤维素纳米材料之前或之后，将其他组分加入含有纤维素纳米材料的溶液中。某些组分可以无需在混合前分散在水中，因此可以纯净地加入至一种或多种含其他组分的溶液中。如本文使用，可通过本领域已知的任何装置完成“混合”。例如，机械搅拌、搅动或共喷涂组分可用于“混合”本文所述的组分。所得的组合物可形成分散体、溶液或乳液。制备所述组合物的示例性方法涉及将纤维素纳米材料分散于水中，然后将无机盐组分加入至所述纤维素纳米材料的溶液中。
一旦将各组分分散于水中(不论同时或单独地)，然后使用均质器在低剪切力或高剪切力下将溶液均质化。所用剪切力的水平可根据所用的涂料组合物的类型变化。通常将所述溶液匀质化一段时间，在环境温度下，所述时间适于完全溶解、分散和/或乳化水中的组分。在一些实施方案中，可在纤维素纳米材料和无机盐组分溶解后，在将含有这些组分的水溶液匀质化之前或之后加入一种或多种稳定剂、添加剂和/或农用药剂。也可在合并这两个水溶液之前，将这些组分加至纤维素纳米材料和/或无机盐组分中的任一种的单独的水溶液中。然后通过浸渍、喷涂、浸蘸、涂抹或本文公开的任何其他将组合物施用至物体上的合适的技术来配制最终的组合物。
在一些实施方案中，所述组合物不意图立即使用，例如当所述组合物被包装用于未来销售时。这类组合物在保质期内是稳定的，从而少于20％、30％、40％或50％的组合物将在储存5、10、20、30或60天后分离。甚至还考虑更长的储存时间。本领域的普通技术人员应理解，制备在保质期内稳定的组合物的方法可包括选择合适的待加入至组合物的稳定剂。
在其他实施方案中，可在混合后相当快地施用所述组合物。在某些实例中，可将纤维素纳米材料分散于水中，然后在稍后的时间与一种或多种其他组分混合。在其他实施方案中，可将纤维素纳米材料和无机盐组分分散于水中，以形成预混物，所述预混物可以与包含一种或多种本文公开的稳定剂、添加剂和/或农用药剂的单独的组合物混合。然后，所得的组合物可在进行施用的位置上或附近混合，从而消除制备保质期稳定的组合物的需要。
VII.使用方法
本文所述的组合物可用于一种或多种用途。本领域的普通技术人员应理解，用于将组合物施用至目标、植物或植物部位的方法可根据组合物的预定用途而变化。本领域普通技术人员将认识到除了本文明确公开的用途以外，可食用涂层的其他用途。
A.组合物的用途
本文公开的组合物可用于防止采收前后对植物或其部位的损害，从而延长保质期并提高新鲜产品的可销售性。所述组合物还可用于食品中，以改善食品的储存和外观。所述组合物还具有与食物不相关的用途，但可涉及动物医疗和医学应用。所述公开的组合物以及使用这种组合物制得的膜的实用性不仅限于本文所述的那些。本文公开的涂料组合物可在销售前容易地除去，或被消费者简单地剥离。
在一些实施方案中，本文公开的涂料和处理组合物可用于减少和防止花青苷和其他生物色素(例如，甜菜色素)和营养素从水果和/或蔬菜中浸出。例如，在热处理(例如，装罐(canning))过程中，花青苷和其他生物色素(例如，甜菜色素)和营养素可从水果中浸入到周围的水性介质(通常为水或糖溶液)中，引起外观变化(天然水果色素损失)和可能的营养损失。本文公开的组合物实施方案可减少这些损失。
所述公开的组合物还用作食物涂层以及用于冷冻食物的制备中，以防止汁液流失以及在解冻的过程中保持完整性。由于脱水收缩(即解冻后水分损失)和蒸发，食品在冷冻和阶段处理过程中经历显著的水分损失；所述公开的组合物可减少这种水分损失。例如，所述公开的组合物可在面包制品(饼干、糕点和面包)在储存过程(冷或环境下)中用于减少水分损失/增加。某些实施方案可用于在储存过程中(冷或环境下)减少水分损失/增加和/或减少糖果和其他甜食的粘结。在另一其他实施方案中，所述公开的组合物可用于在储存过程中和当在货架上时减少各种食物或其他有机材料与环境中的空气进行气体(例如，O2和CO2)交换或接触有害气体(例如，乙烯气体)。
本文公开的组合物还可用于农业环境中，以保护植物部位(例如，农作物种子)、植物和/或幼苗在采收前后免受生物和/或非生物胁迫。在一些实施方案中，本文所述的组合物可单独使用或与一种或多种农用药剂结合使用，以抑制生物胁迫，如昆虫、线虫和/或微生物感染，以及抵抗非生物胁迫，如环境胁迫。本领域的普通技术人员应理解，存在几种方法可用于测定侵害的降低，所述降低归功于本文所述的组合物的施用。例如，可采用微生物水平的培养物，且菌落形成单位(CFU)的数量可以确定并与未用所述组合物处理的植物部位(例如，农作物种子)、植物和/或幼苗相比较。类似地，可将昆虫或昆虫幼虫的数量计数，并可以比较已用本文所述的组合物处理的植物部位(例如，农作物种子)、植物和/或幼苗和处于相同地理位置的未处理的类似的植物部位(例如，农作物种子)、植物和/或幼苗。通常，与对照的植物部位(例如，农作物种子)、植物和/或幼苗相比，处理的植物将表现10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％更少的微生物、线虫和/或昆虫感染。
在某些实例中，所述涂料组合物用于防止或减轻非生物胁迫，仅举几个为例，例如UV光暴露、风暴露以及低温和高温暴露。仅举例来说，所述公开的组合物的实施方案可用于防止水果(例如，樱桃等)开裂，所述开裂与水果和/或蔬菜的水平衡相关。根据涂料制剂，可获得50％至100％的开裂降低。
所述组合物还提供安全、可见的透明膜，其不赋予食物任何显著的气味或味道，并且防止褪色或由UV暴露引起的水果的其他损害。该膜还可防止由热和/或阳光引起的水分损失。
本文所述的涂料组合物还用于动物组织的后处理、医疗和相关医学应用，以保护(即，降低影响)身体特别是皮肤，免受由水分损失、UV光暴露、热和其他生物和/或非生物胁迫引起的损害。暴露于高水平UV光可损害正在成熟的产品，导致可见的褪色的斑点、破坏植物化学化合物并为腐败菌生长提供立足点。
改变可生物降解产品(如板、膜和包装)的物理性质，例如提供对降解增加的抗性、改善的屏障特性和/或改善的强度是所述公开的组合物另一应用。还考虑的是本文提供的膜和组合物可用作保护性表面处理或持久材料的涂层，例如在搬运和处理过程中降低或防止损坏。食品工业中的大多数的软包装材料为衍生自石油的聚合物。它们缺乏可持续性并涉及有毒残余物，导致对消费者吸引力的降低。替代的天然材料(例如，纤维素和壳聚糖)缺乏耐水性。本文公开的组合物可用于提供解决这些限制的涂层。
所述公开的组合物的示例性用途包括但不限于，表1提供的特别的应用。
表1.组合物的示例性用途
B.组合物的施用
在特定公开的实施方案中，所述组合物可以分散体、溶液或乳液的形式施用至本文公开的任意物体上。可使用本领域普通技术人员已知的技术施用所述组合物以形成膜。例如，所述物体可被浸入到所述组合物的分散体、溶液或乳液中。在其他实施方案中，可将所述组合物的分散体、溶液或乳液滴在物体上。在另一其他实施方案中，可通过将所述组合物的分散体、溶液或乳液喷涂至物体上而(部分或全部地)涂覆所述物体。也可使用机械涂药器将所述组合物的分散体、溶液或乳液施用至物体上而(部分或全部地)涂抹所述物体。在关于用于涂覆植物和/或植物部位(如水果和/或蔬菜)的组合物的实施方案中，可在采收前或采收后将所述组合物加入到物体上。合适的喷雾器和糖衣机(enrober)为本领域普通技术人员公知的。在一些实施方案中，可以基于涂料组合物的粘度来选择涂覆方法。例如，如果所述涂料组合物是粘性的且所涂覆的物体为采收后产品(例如，水果或蔬菜)，则通常使用浸渍或滴灌的施用方法。采收前施用通常包括使用喷雾方法将涂料施用至植物或其植物部位上。
C.处理方法
如本文所示，所公开的组合物适于用于暴露于采收后处理的植物或其部位(例如，果实和/或蔬菜)。在一些实施方案中，可对水果和/或蔬菜进行热处理以延长水果或蔬菜和使用这种水果和蔬菜制得的食品的保质期。一个实例是用于防腐的果实或蔬菜的热处理。另一实例是在低温下储存水果或蔬菜。另一实例为果实或蔬菜的高流体静压力(HHP)处理。高流体静压力处理为这样一种处理方法：其中在加热或不加热下，将产品(如果实或蔬菜)置于高压(约6,000atm)下，以实现例如，微生物灭活或改变产品属性以获得消费者期望的品质(如降低的营养素、花青苷或其他的生物色素或其组合的浸出)。所公开的组合物适用于这种处理应用以及本领域使用的任何其他的处理技术。
所公开的组合物可用于本文公开的产品的热处理中。热处理通常涉及至少一种包括将用本文公开的组合物制得的膜涂覆的产品暴露于热的热处理步骤。图2示出了本文公开的热处理的示例性的示意图。如图2所示，产品被分类、洗涤并用本文公开的涂料组合物实施方案涂覆。然后，将所述产品干燥从而由组合物形成膜，随后暴露于本文公开的热处理方法的一步实施方案(例如，pH受控的单独的热处理步骤)或热处理方法的两步实施方案(例如，pH受控的第一热处理步骤，以及随后的pH受控的第二热处理步骤)。图2还示出本文公开的热处理方法的某些实施方案可包括洗涤步骤，以除去膜并改善经处理的产品的外观。
可根据所用产品的种类和储存溶液的类型来改变加热样品的温度(例如，如果使用高度酸性的溶液储存水果，则可使用低温)。在一些实施方案中，本文公开的热处理涉及使用至少80℃至约100℃，如约90℃至约94℃，或约91℃至约93℃的温度。在所述涂料组合物已被加至将被加工的产品上并在所述产品上干燥后，使用典型的热处理步骤。然后，所述样品可在水中被加热或可与本文公开的处理组合物结合。然后，将(有或没有)处理组合物的经涂覆的样品在适合的温度下加热充足的时间。在一些实施方案中，将所述样品在处理液中加热至少5分钟至约30分钟，如约10分钟至约25分钟，约10分钟至约20分钟，或约10分钟至约15分钟。
通常，利用至少一个实现商业装罐需求的热处理步骤完成热处理，以确保产品安全。例如，所述样品可被加热，同时在pH-修正的处理液中保持在一定的pH下。在这种实施方案中，所述处理液通常保持在pH为至少4下，且可高达约5.5。在某些实例中，所述pH可为约4.5。可调整pH以适应所用的特定处理温度。例如，pH保持在大于约4.6的样品应在至少约90℃的温度下加热以避免污染(例如，以防止引起肉毒中毒(botulism))。保持在较低pH值(例如，低于4.6)的样品可在低于约90℃的温度下加热，且在一些实施方案中，可能甚至不需要加热。在一些实施方案中，该特定的热处理步骤可为唯一的热处理步骤。在其他实施方案中，该特定的热处理步骤可与一个、两个、三个或多个在前的热处理步骤结合，其中不需要保持或控制溶液的pH。
在一些实施方案中，可在不同的热处理阶段除去涂覆产品的膜。所述膜可通过用水冲洗、搅拌、暴露于高速漂洗喷雾剂、使用化学条件(例如，暴露于酸或碱溶液中，酶法处理或暴露于活性物质中)来除去。在一些实施方案中，所述膜可在上述第一热处理步骤(pH受控或不受控)后除去，以改善经处理的产品的外观。然后，所述产品可经历合适的最终热处理步骤。在其他实施方案中，在第一热处理步骤后除去所述膜，此时产品暴露于第二个、随后的热处理步骤。然后，将所述产品洗涤并暴露于最终的热处理步骤中。在一些实施方案中，所述膜不需要被除去并可包含于最终的经处理的产品中。除去膜不要求除去所有的膜或其组分。膜或其各种组分的残余量可保留在产品上；然而，这些残余量不影响产品的外观、味道或质量。
热处理的替代品也可用于保存产品，如水果和/或蔬菜。合适的替代处理方法包括高流体静压力(HHP)处理方法。在这些实施方案中，将产品(例如，水果和蔬菜)在合适的压力下处理合适的时间(通常环境温度下)，如使在储存过程中可引起产品质量劣化和食品安全问题的有害微生物和酶灭活的压力和时间。示例性的压力包括范围为约400至约800MPa的压力，如使用高压装置的约400至约500MPa的压力。所述时间可为大于约5分钟至约20分钟，如约10分钟至约15分钟。
在一些使用HHP处理的实施方案中，先用本文公开的涂料组合物涂覆产品，然后装入合适的容器中，所述容器如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)甑碗(retortbowl)或可进行HHP处理的其他容器，如聚合物杯、玻璃罐、金属罐或软袋。将所述产品与本文公开的处理组合物中的任意一种装入容器中。在一个实施方案中，将样品密封并进行如本文公开的第一热处理步骤，之后进行HHP处理步骤。在另一个实施方案中，在被装入容器进行HHP处理之前，先用第一处理组合物进行第一热处理步骤。然后，可将所述样品从第一热处理步骤中使用的第一处理组合物中分离并置于新鲜的处理组合物中，该处理组合物可与第一处理组合物相同或不同。该实施方案还可包括在第一热处理步骤后除去在产品上形成的膜或涂层。然后，使用HHP处理步骤处理样品。可改变这些实施方案中的任何一个以包括在样品经过HHP处理后的第二热处理步骤。在该第二热处理步骤之前或之后从包装中除去所述产品，还可在该第二热处理步骤之前或之后除去存在于产品上的任何残余的膜或涂层。
其他公开的实施方案涉及在用于保存的低温下储存涂覆有由公开的组合物形成的膜的食品、水果和/或蔬菜。这些产品可被长时间冷冻或储存在低温(例如，冷藏室、冰箱等的温度)下。这种实施方案不需要进行热处理步骤来获得期望的膜的特性。
VIII.产品
多种多样的物体可与本文公开的组合物的实施方案接触，从而提供改善的产品。在一些实施方案中，所述物体为植物或植物部位。示例性的物体包括水果，如在表1中公开的那些。
通常，包含由所述组合物制得的涂层或膜的物体包括本文所述的组分，但干燥时，所述组分的相对浓度会由于例如水分从组合物中流失而改变。因此，所形成的膜或涂层通常含有较少的水分和更高的(不蒸发的)组成组分的浓度/比值。在下表2中提供的量对应于存在于干燥的膜中组分的代表量，且表示为重量/重量％。
表2.代表性的膜组分浓度
提供以下实施例来说明某些特定的特征和/或实施方案。这些实施例不应被解释为将本发明限制为所描述的特定特征或实施方案。
实施例
实施例1
该实施例描述了制备纤维素纳米纤丝(CNF)的组合物，所述纤维素纳米纤丝包含结晶区和无定形区、宽度为三至几百nm且长宽比大于50，让人联想到植物细胞壁中的初级纤丝。
所述CNF是在纤维素的机械精炼中，通过具有或不具有化学预处理的纤丝化方法形成的，所述纤维素例如但不限于木质纤维或非木材植物纤维，且可含有或不含残余的半纤维素。在一些实例中，CNF是由商业渠道获得的。
纳米颗粒、纳米点或纳米粉末碳酸钙(NCC)为立方体的高表面积颗粒。当用扫描电镜(SEM)检查时，纳米级碳酸钙的粒径为约60nm至约100nm。NCC的现有的应用集中于其在药物递送中的应用，通过使其承载亲水的基于蛋白质的药物，以及其潜在的造影、生物医学和生物科学特性，以及用于涂料、塑料、纳米线以及合金和催化剂应用。在一些实例中，NCC是由商业渠道获得的。
下表4提供CNF和NCC组合物的多种不同的制剂。对于制备所述组合物而言，将给出量的CNF、NCC和/或CaCl2溶于去离子水中，然后使用均质器将其匀质化，以在环境条件下实现组合物组分的完全溶解。
表4.CNF和NCC组合物的制剂
通过将所述组分分散于去离子水中制备所有制剂。
实施例2
该实施例描述了使用本文公开的组合物的实施方案防止色素/营养素从蓝莓果实中浸出。所有的实施方案，添加或不添加纳米碳酸钙，几乎都消除了在类似于在工业中看到的热处理过程中花青苷色素从蓝莓中流失(与对照相比)。
用表4中所示的不同的CNF、NCC和CaCl2溶液涂覆蓝莓，涂覆或者通过将果实浸渍于所述组合物的溶液(将蓝莓在所述组合物的溶液中浸渍1分钟，然后在室温下干燥)进行，或通过喷涂(在30psi压力下，将所述组合物的溶液被喷雾至蓝莓的表面，然后在室温下干燥)进行。
将未涂覆的和涂覆的蓝莓(或在一些实施方案中为樱桃)装入装满蒸馏水的玻璃罐中，将其放入具有温度控制的水浴锅中，然后进行以下热处理条件中的一种：1)在80℃下加热20分钟；2)在65℃下加热15分钟；以及3)连续的条件(1)和(2)。为了确定所述公开的组合物是否可以防止花青苷和其他生物色素的浸出，在蓝莓地热处理后，测定填充水中的色素和花青苷含量。使用UV分光光度计(Shimadzu，日本)在525nm下测定填充水的颜色。使用Giusti和Wrolstad(2001)的pH差值分光光度法测定填充水的单体花青苷含量。参见，Giusti，MonicaM.，和RonaldE.Wrolstad，“CharacterizationandMeasurementofAnthocyaninsbyUv-VisibleSpectroscopy”于CurrentProtocolsinFoodAnalyticalChemistry,由RonaldE.Wrolstad编辑，F1.2.1-F1.2.13，NewJersey:JohnWiley&Sons,Inc.,2001。第一热处理(80℃处理20分钟)后，通过用自来水洗涤来从水果表面除去由所述组合物制得的膜。然后，对未涂覆的水果进行第二热处理(65℃处理15分钟)以检验是否还存在保护效果。
图3A-3E示出了相比未涂覆的蓝莓(图3A)，CNF/NCC组合物消除或大大降低了花青苷和其他生物色素的浸出(图3B-3E)。如通过这些实施例看出，在图3B、3C，特别是图3E中蓝莓周围的水的颜色相比图3A中蓝莓周围的水的颜色红得较浅。图4A-4C示出甚至在第一热处理(图4B)后除去所述组合物的膜，在图4C所示的热处理的第二阶段之后色素浸出也是可忽略的，因为在图4B所示的蓝莓周围水的颜色是无色的，而在图4C所示的蓝莓周围的水被染成红色。此外，如图5所示，与不含NCC的涂料制剂相比，包含NCC的涂料制剂显示较低水平的浸出，示出了在处理(80℃处理20分钟)和冷却(20分钟)后从经涂覆或未经涂覆的蓝莓中浸出的单体花青苷和色素的水平，图6示出了储存一天后，从经涂覆或未经涂覆的蓝莓中浸出的单体花青苷和色素的水平。
将组合物加至水果的方法也具有显著的效果。在一些实施方案中，其中通过将组合物喷涂至水果上而形成膜，所得的膜比通过将水果浸入组合物中而形成膜的一些实施方案表现要好。在一些实施方案中，所述喷涂的样品在填充溶液中显示显著更低含量的色素和花青苷。图7A-7F和图8示出了与未经涂覆的蓝莓(图7A-7C，并在图8中表示为“对照”)相比，通过在热处理(80℃处理20分钟)后使用CNF/CaCl2组合物(图7D-7F，在图8中表示为“NF1.5CC”)显著降低花青苷色素从蓝莓中浸出。如在这些实施例中所示，在图7D-7F所示的经涂覆的蓝莓周围的水相当清澈，只具有少量的颜色，而在图7A-7C所示的未涂覆的蓝莓将色素浸出到周围的水中，变为浅红色。使用樱桃的实施方案得到类似的结果。例如，图9A和9B示出了与未经涂覆的樱桃(图9A)相比，通过本文公开的CNF/CaCl2组合物(图9B)消除了花青苷色素的浸出。在图9A中示出的樱桃周围的水变成浅红；而在图9B中示出的樱桃周围的水保持无色。
实施例3
该实施例描述使用本文公开的组合物的实施方案涂覆苹果。
将苹果去皮、去核并切成均匀厚度的片。然后将所得的片在强制空气冷冻机(-20℃)中冷冻24小时之前，浸入含CNF的组合物中或保持未涂覆。之后，将样品从冷冻机中取出并在环境温度(18-23℃)下解冻约6小时。测定在冷冻(冷凝)过程中的质量变化和从解冻的苹果中渗出的液体总量的变化(脱水收缩和蒸发)。
总体上，如表5所示，经涂覆的苹果片解冻后的总的重量损失(％)低于未涂覆的苹果片解冻后的总的重量损失。此外，发现与经涂覆的苹果(图10B)相比，在未经涂覆的片上由解冻室中的环境湿度引起的形成于解冻苹果上的凝结程度更高(图10A)。与用包含1％CNF和0.01％NCC的组合物制得的膜的样品相比，由于更高程度的水分损失，未经涂覆的苹果显得更干燥。
表5.在未涂覆的和CNF涂覆的新切苹果之间的凝结(％)和重量损失(％)的比较
实施例4
该实施例涉及制备含CNF的柔性、耐水膜的方法，所述膜在当用作包装各种各样的食物产品的可食用食物包装时是有用的。
在聚四氟乙烯涂覆的玻璃板上制造、涂覆含CNF(0.188％和0.375％)的组合物，并在室温下干燥72-96小时(Chen和Zhao，2012)。参见，Chen,J.和Zhao,Y.，“Effectofmolecularweight,acid,andplasticizeronthephysicochemicalandantibacterialpropertiesofbeta-chitosanbasedfilms，”J.FoodSci.77(5)，E127-136。还制备包含1％羧甲基纤维素的组合物以制备与含CNF的膜作对比的膜。将制得的膜在25℃和50％的相对湿度(RH)的环境室调节48小时。测定经调节的膜样品的水分含量，水溶性和水蒸汽透过率(WVTR)以及抗张强度和伸长率。通过在通风烘箱(forced-airoven)中在100℃下干燥24小时后，膜样品的质量损失百分数来确定膜的水分含量。通过在水中悬浮24小时并在40℃下干燥24小时后，通过膜样品的重量损失百分数来测定水溶性，而对照的羧甲基纤维素膜由于其疏水性仅测试2小时。通过在25℃下和100/50％RH梯度下的杯法(cupmethod)，之后的ASTM标准方法E96-87(ASTM,2000)来测定WVTR。根据ASTMD882(ASTM，2001)和使用质构分析仪(TA.XT2i,TextureTechnologiesCorp.,USA)通过以下与Park和Zhao(2004)相同的步骤分别分析膜的抗张强度(TS)和断裂时的伸长百分率(EL)。参见，Park，Su-il和YanyunZhao，“IncorporationofaHighConcentrationofMineralorVitaminintoChitosan-BasedFilms,”JournalofAgriculturalandFoodChemistry52,no.7(2004):1933-1939。
整体上，含CNF的膜的物理化学性质显著优于羧甲基纤维素对照膜，表示所述含CNF的膜具有更高程度的耐水性(表6)。抗张强度和伸长率提供有趣的结果：如在图11中所示，含羧甲基纤维素的膜显示最大的伸长率和第二高的抗张强度，被制剂NF38的膜略微超过。这些差异与浓度和所得的膜厚的差异相关，因为羧甲基纤维素溶液具有超过两倍的浓度，并得到比表6所示的NF38(0.019mm)厚的多的膜(0.083mm)。微结构测试表明，CNF与NCC结合显著改善膜的均匀性，NCC均匀分布在样品的膜基质中。
表6.各类膜的水分含量(MC，％)、水溶性(Ws，％)和水蒸汽透过率(WVTR，gmm/dm2)。
*1％羧甲基纤维素
**0.188％纤维素纳米纤丝
***添加了0.01％CaCO3的0.188％纤维素纳米纤丝
+0.375％纤维素纳米纤丝
++添加了0.01％CaCO3的0.375％纤维素纳米纤丝
在相同试验中，在同一列中相同字母前的平均值没有显著差异(P>0.05)。
实施例5
该实施例描述了一种在采收前和采收后，在CNF/NCC涂层和膜中提供UV晒伤保护的方法。
按照上述相同的步骤制备具有羧甲基纤维素和含有CNF的组合物的UV保护膜，并用其覆盖含有10mL的缓冲液体剂量测定溶液(0.6MKI、0.1MKIO3和0.01MNa2B4O7·10H2O)的圆柱形丙烯酸容器的顶部。通过将容器在紫外光下放置一定时间，然后在352nm下测定溶液的吸光度变化来获得通量测量值(mJ/cm2)，如图12所示。还可使用分光光度法在620nm和280nm下测定可见光和UV光的透光率。此外，用喷雾或浸渍方法用组合物涂覆整个苹果(苹果(Malusdomestica)，金冠变种)。待涂层/膜干燥后，将经涂覆的样品和未涂覆的样品暴露于10WUV光源下1.5小时以引发UV损害。将样品在环境温度下储存12天并定期检测颜色和重量损失(％)，并拍照记录外观变化。
所有的膜显示UV光的通量的显著降低，含CNF的膜表现得比羧甲基纤维素膜更好，如在图12中所示。如图13所示，与通过基于CNF的膜的透光率(可见光为14.4％至29.5％，UV光为7.9％至27.3％)相比，羧甲基纤维素膜的可见光和UV光的透光率(％)更高(分别为81.4％和55.7％)。向给出的制剂中加入NCC提供显著降低的可见光和UV光的透光率(％)，使其减少多达三分之一或更多。示于图14A-14E中的经处理的苹果，在涂覆前后在颜色上没有显著差异，但是在UV暴露和储存后，在未涂覆的“对照”苹果(图14A)和用在表7中所示的除一个制剂(NF1C)以外的所有制剂涂覆的苹果(图14B-14E)之间观察到颜色密度(色度)的显著增加。在除一种情况(NF1C)以外的所有情况中，没有发现总量损失的变化(％)。这种差异可能是因为储存时间相对短和样品组内变异程度大。
表7.未涂覆的和涂覆的整个苹果之间12天的ΔL、ΔE、Δ色调、Δ色度和重量损失(％)的比较
平均值(n＝6)，其后有星号的数值表示与对照值的差异显著，如通过t-检验(α＝0.05)测定
*1％纤维素纳米纤丝
**添加了0.01％CaCO3的1％纤维素纳米纤丝
+喷涂的1％纤维素纳米纤丝
++喷涂的添加了0.01％CaCO3的1％纤维素纳米纤丝
实施例6
用其他新鲜水果(如梨和苹果)测定所述公开的组合物以及使用所述公开的组合物形成的膜防止收获后生物和/或非生物胁迫，从而改善水果的外观的能力。图15A-15D示出了实施方案获得的结果，所述实施方案中一组未涂覆的梨(10天后)示于图15A中，其示出了这些梨几乎没有褪色和/或萎蔫。相同组的梨示于图15C中，其示出梨在环境条件下储存25天后，这些梨明显褪色(具有大的棕色斑点/斑)和萎蔫。包含1.5％CNF和0.1％CaCl2涂层的梨示于图15B中。这些梨显示几乎不褪色和/或萎蔫(图15D)。在环境条件下储存25天后，经涂覆的梨几乎不显示棕色斑点或斑形式的不褪色。它们在尺寸上同样不萎蔫或皱缩，如图15C所示的梨。
使用苹果进行另外的实施方案，该实施方案表明，所述公开的组合物能够防止或减轻采收后生物和/或非生物胁迫。该实施方案的结果示于图16A和16B中。在环境条件下储存25天的未涂覆的苹果由于颜色色素的氧化降解明显褪色(由红变黄)，并由于重量损失而萎蔫(图16A)。包含1.5％CNF和0.1％CaCl2涂层的苹果显示几乎不褪色和/或萎蔫(图16B)。
实施例7
在该实施例中，提供使用纤维装或结晶纳米纤维素水性悬浮液/浆液以防止樱桃开裂的方法，所述水性悬浮液/浆液能够形成透明的、持久的且耐水的涂层。这些涂层可带来其他功能物质，如纳米碳酸钙以进一步增强其耐水功能。该实施例示出了保护新鲜樱桃的能力；然而，本领域普通技术人员应了解，所述组合物、膜以及制备/使用这种组合物的方法和膜不限于樱桃。所述公开的方法可与本文公开的其他物体使用，以降低如与水果和/或蔬菜的水平衡相关的开裂，以增强可销售性。表8显示CNF/钙组合物的制剂列表。为制备该组合物，将给定量的CNF和/或钙溶于去离子水中，然后均质化以在环境条件下完全溶解CNF和钙。
表8.CNF和钙涂料制剂和成膜溶液制剂。
所有的制剂是通过将组分分散于去离子水中而制得的
钙源来自微米碳酸钙、纳米硅酸钙(硅灰石)或纳米硅酸钙(钙:硅酸盐＝90％:10％)
将各处理的53个带茎的樱桃(对照，以及不同的CNF涂层)进行水处理，用于测定对照和基于CNF的涂层的樱桃的开裂。对于涂料处理而言，制备包含2％CNF和与2％CaCO3一起添加的2％CNF的两种涂料溶液，并使用喷涂法(30psi)在樱桃上涂覆一次或两次，然后在气流(风扇)下在室温干燥1小时(图17A-17D)。如在图17D中所示，将2％CaCO3加入CNF涂料中导致在樱桃表面形成模糊/浑浊，这是由CaCO3的大粒径引起的。该问题可以通过降低CaCO3的粒径来解决。
在室温下，将未涂覆的樱桃(对照)和用两种不同的涂料溶液涂覆的樱桃在水中浸渍8h。计算未裂开和裂开的樱桃数目，基于樱桃的总数目(各自53个)来表示裂开率。
樱桃的增重(％)测定为：
增重(％)＝(樱桃浸渍8小时后的重量-樱桃的初始重量)/樱桃的初始重量*100。
此外，含有200mL的蒸馏水的容器的失重(％)测定为：
失重(％)＝(容器的初始重量–樱桃浸渍8小时后容器的重量)/容器的初始重量*100。
结果
如在表9中所示，在用2％CNF组合物涂覆的樱桃中，樱桃的裂开率从接近70％降低至50％，在用2％CNF组合物(涂覆两次)的樱桃中，降至至30％，在用2％CNF/2％CaCO3组合物涂覆的樱桃中降低至～6％。这些结果清楚地表明基于CNF的膜降低樱桃裂开的水平。
表9.在蒸馏水中浸泡8h后裂开的樱桃的数目。
图18提供了樱桃的增重和浸泡水的失重。在涂覆和未涂覆的樱桃之间没有观察到樱桃增重的显著差异，但是用NF2组合物涂覆两次的樱桃的增重显著低于对照和其他经涂覆的樱桃的增重。在处理NF2C2涂覆的樱桃的浸泡液时发现容器显著不同的更高的水损失。该结果可能是由涂料材料吸收水引起的。
实施例8
在该实施例中，检测使用纤维装或结晶纳米纤维素水性悬浮液/浆液以防止樱桃开裂(以及提高可销售性)的方法，所述水性悬浮液/浆液能够形成最优浓度的、添加至纤维素纳米纤丝(CNF)的微米碳酸钙(微米CaCO3)。
对于涂料处理而言，制备五种组合物并用喷雾法(30psi)将其涂覆在樱桃上，然后在气流(风扇)下在室温下干燥1小时(图19A-19E)，所述五种组合物包括添加了不同浓度(0.01％、0.05％、0.1％、0.5％和1％)的微米CaCO3的NF1.5(1.5％CNF)。在高于0.5％CaCO3(CNF:CaCO3＝75:25)的浓度下，在樱桃表面上清楚地形成模糊/浑浊。
将各处理的15个带茎的樱桃进行水处理以测定对樱桃裂开有效的添加至CNF的CaCO3的浓度和市场接受度的改善。在室温下，将用五种不同的涂覆液涂覆的樱桃在水中浸泡8小时。计算未开裂的和开裂的樱桃的数目，基于樱桃的总数目(各15个)来表示裂开率。
如表10所示，在用包含NF1.5C0.01制剂的组合物涂覆的樱桃中，樱桃的裂开率降低至13％，在用包含NF1.5C0.05、NF1.5C0.1、NF1.5C0.5和NF1.5C1组合物的组合物涂覆的樱桃中，樱桃的裂开率降低至0％。基于樱桃的外观和裂开率(％)，微米CaCO3的最优浓度为约0.05％至约0.10％。
表10.在蒸馏水中浸泡8小时后裂开的樱桃数目
实施例9
在该实施例中，检测纤维状或结晶纳米纤维素的水性悬浮液/浆液以防止樱桃开裂(以及提高可销售性)的方法，所述水性悬浮液/浆液能够形成最优浓度的、添加至CNF的纳米碳酸钙(硅灰石或钙:硅酸盐＝90％:10％)。
将各处理的30个带茎的樱桃(对照和不同的CNF/钙涂层)进行水处理，以测定对照和基于CNF的涂层的樱桃开裂。对于涂料处理而言，根据纳米硅酸钙的浓度制备五种不同溶液并使用喷雾法(30psi)将其涂覆在樱桃上，然后在气流(风扇)下在室温干燥1小时。图20A-20E示出了包含1.5％CNF和不同浓度的硅灰石的组合物的结果，图21A-21E示出了包含1.5％CNF和不同浓度的纳米硅酸钙(钙:硅酸盐＝90％:10％)的组合物的结果。使用实施例7公开的相同公式计算增重(％)和失重(％)。
结果
如下表11所示，在用NF1.5C0.64(70/30)组合物(使用硅灰石)涂覆的樱桃中，樱桃的裂开率降低至50％，在用NF1.5C1(60/40)组合物(使用的钙和硅酸盐为90％和10％)涂覆的樱桃中，樱桃的裂开率降低至63.33％。在浓度高于0.64％纳米硅酸钙(CNF:硅酸钙＝70:30)时，在樱桃表面上出现模糊/浑浊，说明纳米碳酸钙的最优浓度为约0.38％(CNF:硅酸钙＝80:20)。
表11.在蒸馏水中浸泡8小时后裂开的樱桃比例(％)。
实施例10
本文公开的另一实施方案为使用纤维状或结晶纳米纤维素的水性悬浮液/浆液用于降低樱桃开裂的方法，所述水性悬浮液/浆液能够形成最优浓度的纤维素纳米纤丝(CNF)/氯化钙(CaCl2)涂层。
将各处理的19个带茎的樱桃(对照和不同的CNF/CaCl2涂层)进行水处理，以测定樱桃的开裂。对于涂料处理而言，制备两种包含1.5％CNF的组合物，其中含有0.1％或0.5％CaCl2，并使用喷涂法(30psi)将其涂覆在樱桃上，然后在气流(风扇)下在室温干燥1小时。如图22D和22E所示，向组合物中加入0.1％或0.5％CaCl2提供在樱桃表面上不显示模糊/浑浊的涂层。与含微米CaCO3的CNF涂料相比，在含CNF的组合物中加入0.1％或0.5％CaCl2显著降低樱桃开裂，并改善外观和可销售性(图22B和22C)。
结果
如表12所示，涂覆CNF/CaCl2的樱桃的裂开率显著低于对照样品的裂开率。图22A-22E反映了表12的结果：在蒸馏水中浸泡8小时后裂开和未裂开的樱桃数目。因此，向包含CNF的组合物中加入0.1％或0.5％CaCl2显著降低樱桃开裂。
表12.在蒸馏水中浸泡8小时后裂开的樱桃的数目。
实施例11
在该实施例中，在不同的热处理方法实施方案中测试所述公开的涂料组合物和处理液的能力。
一般步骤：将新鲜的蓝莓分类，用EnvironnéTM水果和蔬菜洗涤剂(ConsumerHealthResearchInc.,OR)洗涤，并在包含0.5-1％CNF、0.1-0.5％NCC、0-0.1％CMC和0-0.1％CaCl2的各种不同的组合物实施方案中浸泡10分钟。将经涂覆的蓝莓置于30-35℃烘箱内3-4小时以形成干燥的涂层。然后将涂覆的样品置于装满0.25％海藻酸钠和18％蔗糖的水溶液的玻璃罐中。将该罐子盖上盖子，在85℃下水浴热处理20分钟，然后移入冷水浴中冷却至室温。在环境条件下储存7-8天后，观察填充液的颜色。
使用pH示差法测定水果的总单体花青苷含量，并表示为mg花青素-3-糖苷(分子量为449.2g/mol和摩尔吸收率为26,900)/100g水果的干燥物质(DM)。用经亚硫酸氢钠处理提取物在420nm和520nm的吸光度之和除以浆果提取物在420nm和520nm的吸光度之和来计算百分数聚合物颜色(PPC)。
在使用这些一般实验条件的最初试验过程中，观察到用含有CNF/NCC、还包含CMC和/或CaCl2的组合物涂覆的蓝莓减慢花青苷色素的浸出。如图23A-23H所示，测试了多种不同的组合物——结果和组合物提供于下表13中。在表13中公开的组合物各自包含1％CNF。
用于上述组合物并示于图23A-23H中的纤维素纳米材料的量被修正以改善包含该组合物的产品的物理性质。例如，图24A-24H示出了由未涂覆的蓝莓获得的结果(图24A)和由包含更低浓度(0.5和0.75％)的CNF的组合物涂覆的蓝莓获得的结果。使用不同量的NCC、CMC和CaCl2。与含有CNF、NCC和CaCl2的那些相比，用包含CNF、NCC和CMC的组合物涂覆的蓝莓仅显示显著较低的花青苷浸出。结果示于图24A-24H中，其还记载于下表14中。基于这些最初的试验，进一步测定了四种不同的涂料制剂(I:0.5％CNF、0.1％NCC和0.1％CMC，II:0.75％CNF、0.5％NCC和0.1％CMC，III:1％CNF、0.1％NCC和0.1％CMC，以及IV:1％CNF、0.5％NCC和0.1％CMC)。
实施例12
基于上述最初试验的结果，在这些组合物中选择四个进一步评价所述涂料制剂和处理步骤，所述四个组合物在水溶液中显示显著较少花青苷色素浸出的(与其他组合物实施方案和/或对照实施方案相比)。在这些进一步的实施方案中，以两种不同的方式对经涂覆的水果进行热处理：1)在91-93℃下在水浴中进行一步热处理(OTP)9-10分钟；2)在91-93℃下进行重复的两步热处理(TTP)9-10分钟。不限于单一操作理论，目前认为花青苷在第一热处理中，在用于涂覆水果的组合物形成的膜的层下被聚合和/或结构改性。该聚合和/或结构改性促进水果在水溶液中的热稳定性。然后，在第一热处理步骤后用水洗涤表面涂层。该洗涤步骤用于改善水果表面的外观。在水中冲洗后，在pH约4.5至约5.0下，将水果实施方案重新放于含有0.25％海藻酸钠、0.25％CMC或10mMCaCl2和18％糖(蔗糖)的水溶液中。然后，将这些实施方案再次在91-93℃的水浴中进行热处理，来模仿水果的商业装罐处理以保证产品安全和保质期而采用的步骤/条件。然后，将含有水果实施方案的玻璃罐移入冷水浴中以将罐冷却至室温，随后在环境条件下储存。各处理后，使用上述检测方法测定填充介质的颜色和水果的物理化学性质，并与新鲜样品的那些进行比较。将水果实施方案再在环境条件下储存7天来研究储存过程中的变化。
如图25A-25E所示，相比其他的涂布处理，用包含1％CNF、0.1％CMC和0.5％NCC的组合物涂覆的蓝莓在水溶液中显示较低的花青苷色素的浸出。测定水溶液的单体花青苷色素。相比对照(图25A)和其他处理(图25B、25D和25E)，在用包含1％CNF、0.1％CMC和0.5％NCC的组合物实施方案涂覆的蓝莓上观察到显著降低的色素浸出(图25C)。
为了研究第一步热处理对花青苷色素潜在的聚合和结构改性的影响，在未涂覆的和涂覆的蓝莓中，评估在第一和第二热处理之间的蓝莓的单体花青苷色素(不稳定的花青苷色素)和百分数聚合颜色(图26)。与第一热处理相比，未涂覆的蓝莓在第二热处理后，单体花青苷色素提高了约40％。不限于单一操作理论，目前认为该差异由聚合的花青苷被热破坏成不稳定的单体花青苷引起，而通过热处理，经涂覆的蓝莓中的单体花青苷色素降低或仅略微增加，因为用于涂覆蓝莓的组合物不仅能够防止聚合的花青苷破坏，还引起花青苷的聚合和/或结构改性，从而形成更稳定的花青苷形式。此外，经涂覆的蓝莓的百分数聚合颜色比对照实施方案显示显著更高的值，如图27所示。这些结果还证实由于花青苷的聚合和/或结构改性，在用所述公开的组合物的实施方案涂覆的并还用包含海藻酸钠的水溶液处理过的蓝莓上，发生较少的聚合的花青苷色素的热破坏，因此改善在热处理的蓝莓中的花青苷色素的热稳定性。
基于之前研究的结果，选择包含1％CNF、0.1％CMC、0.5％NCC的组合物进行储存试验。将用该组合物实施方案涂覆的蓝莓储存于包含0.25％海藻酸钠和18％糖的处理组合物中。在环境条件下储存7天后，与不用该组合物涂覆的蓝莓相比，这些实施方案显示更少的浸出(图28A-28C)。
还测试其他处理组合物实施方案。实施方案的结果示于图29A-29E中，还总结于下表15中，所述实施方案中用包含1％CNF、0.1％CMC和0.5％NCC的组合物涂覆的蓝莓加入这些其他处理组合物中。所述处理组合物包含0.25％CMC和18％糖或0.25％CMC、18％糖和10mMCaCl2。使用两步热处理来处理蓝莓，并在环境条件下储存7天。在第0天没有观察到花青苷色素浸出，而在环境条件下储存的过程中花青苷色素浸出。水溶液的酸性pH条件(4.5)比中性pH显示更多的花青苷色素的浸出(图29E)。
*使用乙酸调节pH
如图30所示，用1％CNF、0.1％CMC和0.5％NCC涂覆的蓝莓的单体花青苷色素显著降低(与其中未用组合物涂覆的水果的对照相比)。此外，用于涂覆的蓝莓并进行一步热处理的含有海藻酸钠的处理组合物显示最低的单体花青苷色素浓度(图30)。
实施例13
高流体静压力(HHP)是一种新的非热食品处理技术，该技术在保留经处理的水果的营养和感官质量，同时杀死有害微生物和使酶灭活以保证食品安全和处理水果产品的质量方面有效。该技术已被用于商业食品加工，包括加工水果和蔬菜。该技术适于与本文公开的组合物和方法一起使用。在一些实施方案中，包含本文公开的组分中的任何一种的组合物可用于有效防止花青苷从填充于进行HHP处理的水性介质中的水果中浸出。示例性的组合物包括包含CNF、纳米CaCO3和CMC的那些。使用本文公开的HHP处理方法，将水果在合适的压力下处理一段合适的时间，如在能够灭活储存过程中引起质量劣化和水果的食品安全问题的有害微生物和酶的压力和时间下。示例性的压力包括压力范围为约400至约800MPa，如约400至约500MPa。示例性的时间范围包括大于约5分钟至约20分钟，例如在OSU食品科学试验设备中可用的高压力单元处理约10分钟至约15分钟。
在一些实施方案中，使用本文公开的组合物实施方案涂覆水果，如蓝莓、樱桃和其他富含花青苷的水果。然后将水果与本文公开的处理组合物中的任何一种填充于合适的容器中，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)甑碗或可进行HHP处理的其他类型的容器中，如聚合物杯、玻璃罐、金属罐或软袋和/或聚合物袋或复合物制成品)。在一个实施方案中，将样品密封并进行本文公开的第一热处理步骤，随后进行HHP处理步骤。在另一实施方案中，样品在填充至容器中前首先进行第一热处理步骤。然后可将样品从用于第一热处理步骤的第一处理组合物中分离，并置于新鲜的处理组合物中，该处理组合物可与第一处理组合物相同或不同。该实施方案还可包括在第一热处理步骤后除去(使用本文公开的方法)在水果样品上形成的膜或涂层。然后使用HHP处理步骤处理样品。可改变这些实施方案中的任何一个以包括在样品经过HHP处理后的第二热处理步骤。在该第二热处理步骤之前或之后从包装中除去所述产品，还可在该第二热处理步骤之前或之后除去存在于产品上的任何残余的膜或涂层。
进行水果颜色、可溶性花青苷和填充液的布朗指数(brownindex)的标准试验以确定所述公开的组合物的性能。然后评估结果以确定合适的组合物实施方案以及不同水果产品的压力/时间范围。图31示出了填充于行HHP处理的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)甑碗中的未涂覆的蓝莓的照片图像。如图31所示，花青苷从水果中浸出到填充液中。使用本文公开的组合物防止花青苷从HHP处理的水果中浸出。
实施例14
本文公开的组合物还可用于装入透明可见的容器中的多色水果产品以促进很好地保留天然的水果色素、营养素并延长保质期。在一些实施方案中，本文公开的组合物实施方案可用于涂覆之后在透明的PET杯或玻璃罐(图32)中处理的混合水果，如蓝莓、樱桃和其他花青苷丰富的水果，除已被热处理或正在热处理(HHP)的水果外，以保证食品安全、质量和保质期。
实施例15
该实施例描述了所述公开的组合物在苹果、葡萄和某些热带水果上的用途。用组合物的实施方案涂覆下文描述的水果并储存在环境条件下。
图33示出了在环境条件下储存14天，未涂覆的(对照)和1.5％纤维素纳米纤丝(CNF)/0.1％纳米碳酸钙(NCC)涂覆的苹果、芒果和葡萄的失重。在未涂覆的和涂覆的苹果和葡萄之间不存在失重(％)的明显差异，而在储存8天、11天和14天中，经涂覆的芒果的失重与未涂覆的芒果相比显著降低。
在环境条件下储存14天后，未涂覆的芒果变成更红(暗黄色或褐色)的颜色，同时由于水分损失和可能的高呼吸作用而起皱和收缩，而在涂覆的芒果中观察到较少的水果颜色变化和水分损失(参见图34A-34F)。经涂覆的芒果上覆盖有由两种不同的涂料组合物制成的膜，所述涂料组合物为1.5％纤维素纳米纤丝(CNF)/0.1％纳米碳酸钙(NCC)或1.5％CNF/0.1％NCC/0.1％羧甲基纤维素(CMC)。每种涂料组合物通过喷涂施用。通过质构分析仪(TA.XT2,StableMicroSystemsLtd.,Surrey,UK)测定这些芒果样品的质地(texture)，所述质构分析仪具有5kg负载池和50mm圆柱形平头探针(P50)。通过在50％应力和压缩率为1mms-1下压缩来测定硬度。用力的最大峰值表示硬度(N)。去掉最高值和最低值后计算平均值(n＝3)。结果显示经涂覆的芒果比未涂覆的芒果具有显著更低的硬度(图35)，该结果与可能与未涂覆的芒果高度脱水密切相关。因此，涂层能通过防止水分损失和延迟采收后呼吸作用来保持芒果的最初质地。
为了研究与CNF/NCC涂料结合的肉桂叶精油对生长于葡萄上的灰霉菌的抑制作用，将约100g葡萄和100mL的蒸馏水放入塑料袋，并在环境条件下储存。储存3天后，观察到在未涂覆的葡萄上出现的霉菌(图36A)，但在含有由所述公开的涂料组合物获得的膜的葡萄上没有发现霉菌。然而，在涂覆的葡萄上观察到葡萄颜色的变化，可能是由于形成花青苷和酚酸类物质反应的棕色缩合产物，所述酚酸类物质来自肉桂叶精油(图36B，其示出了用包含1.5％CNF、0.1％NCC和2.5％CLE的组合物涂覆的葡萄，以及36C，其示出了用包含1.5％CNF、0.1％NCC、0.1％CMC和2.5％CLE的组合物涂覆的葡萄)。在涂覆的葡萄的膜中观察到的白色物质可通过合适的洗涤处理来除去。
另一实施例包括涂覆的番木瓜、橘子和葡萄柚和两种不同的涂料组合物，“处理A”使用1.5％CNF、0.1％NCC，并使用2.5％肉桂叶精油(CLE)，“处理B”使用1.5％CNF、0.1％NCC和0.1％CMC，用2.5％CLE。在环境条件下储存3天后，与对照番木瓜(无涂层)相比，经涂覆的番木瓜(处理A)显示显著更低的失重。在环境条件下储存5天后没有观察到橘子水果失重的显著降低(图37)。
鉴于公开的发明原理可能应用于许多可能的实施方案中，应认识到，所示出的实施方案仅为本发明的优选实施例，不应被视为本发明的范围的限制。当然，本发明的范围通过以下权利要求来限定。因此，我们要求保护这些权利要求范围和精神内的所有发明。
Claims (38)
1.一种组合物，包含：
纤维素纳米材料，其量为约0.1重量/体积％至约10重量/体积％；
无机盐组分，其量为约0.005重量/体积％至约2.5重量/体积％；和
交联剂，其量为约0.05重量/体积％至约0.1重量/体积％；或
纤维素纳米材料，其量为约0.1重量/体积％至约10重量/体积％；和
无机盐组分，其量为约0.005重量/体积％至约5重量/体积％。
2.权利要求1的组合物，其中所述纤维素纳米材料选自纤维素纳米纤丝、纤维素纳米结晶或其组合。
3.权利要求1的组合物，其中所述纤维素纳米材料以约0.1重量/体积％的至约3重量/体积％的量存在。
4.权利要求1-3中任一项的组合物，其中所述无机盐组分选自含钠的盐、含钾的盐、含钙的盐、含镁的盐、含锡的盐，或其两种或多种的组合。
5.权利要求1-3中任一项的组合物，其中所述无机盐组分选自纳米碳酸钙、微米碳酸钙、钙:硅酸盐(90％:10％)、硅灰石、CaCl2、NaCl、SnCl2、MgCl2、KCl、KI，或其组合。
6.权利要求1-5中任一项的组合物，其中所述无机盐组分以约0.1重量/体积％至约2重量/体积％的量存在。
7.权利要求1-6中任一项的组合物，其中所述交联剂为含羧基或含硫酸盐的多糖，所述多糖选自海藻酸、海藻酸钠、羧甲基纤维素、果胶多糖、羧甲基葡聚糖、黄原胶、羧甲基淀粉、透明质酸、硫酸葡聚糖、多硫酸戊聚糖酯、角叉菜胶、岩藻多糖，或其两种或多种的组合。
8.权利要求1-7中任一项的组合物，其中所述交联剂以约0.05重量/体积％至约0.4重量/体积％的量存在。
9.权利要求1-8中任一项的组合物还可包含稳定剂、添加剂、农用药剂，或其两种或多种的组合。
10.权利要求9的组合物，其中：
所述稳定剂选自酚类化合物、酸、金属离子，或其两种或多种的组合；
所述添加剂选自成膜材料、增塑剂、抗微生物剂、抗氧化剂、悬浮剂/稳定剂、乳化剂、混炼助剂/消泡剂、防腐剂、共溶剂，或其两种或多种的组合；和/或
所述农用药剂选自营养素、生长刺激物、植物生长调节剂、除草剂、杀真菌剂、杀虫剂，或其两种或多种的组合。
11.权利要求1-10中任一项的组合物，其中配制该组合物用于防止或减轻植物、水果、蔬菜或其部位中的采收前和/或采收后损害。
12.权利要求1-10中任一项的组合物，其中配制该组合物用于防止或减轻营养素、花青苷和其他生物色素或其组合从植物、水果、蔬菜或其部位中浸出。
13.权利要求1-10中任一项的组合物，其中配制该组合物用于防止或减轻植物、水果、蔬菜或其部位的失重和UV损害。
14.权利要求1的组合物，包括：
纤维素纳米纤丝，其量选自0.188％、0.375％、0.5重量/体积％、0.75重量/体积％、1重量/体积％、1.5％重量/体积％或2重量/体积％；
纳米碳酸钙，其量选自0.01重量/体积％、0.05重量/体积％、0.1重量/体积％、0.17重量/体积％、0.38重量/体积％、0.5重量/体积％、0.64重量/体积％、1重量/体积％、1.5重量/体积％或2重量/体积％；以及
羧甲基纤维素，其量选自0.05重量/体积％、0.1重量/体积％、0.15重量/体积％或0.25重量/体积％。
15.植物或植物部位，其包含由权利要求1-14中任一项的组合物形成的膜。
16.权利要求15的植物或植物部位，其中与未用所述组合物涂覆的等价的植物或植物部位相比，所述植物或植物部位在解冻后显示降低的失重。
17.权利要求15的植物或植物部位，其中与未用所述组合物涂覆的等价的植物或植物部位相比，所述植物或植物部位显示降低的开裂。
18.权利要求15的植物或植物部位，其中与未用所述组合物涂覆的等价的植物或植物部位相比，所述植物或植物部位显示降低的花青苷浸出、水分损失、气体交换或营养素损失。
19.权利要求15-18中任一项的植物部位，其为水果、蔬菜或种子。
20.一种方法，包括在植物或植物部位采收前或采收后，用权利要求1-15中任一项的组合物大体上涂覆植物或植物部位。
21.权利要求20的方法，其中用所述组合物通过喷雾、浸渍、涂抹或其两种或多种的组合来大体上涂覆植物或植物部位。
22.权利要求20或权利要求21的方法，还包括干燥已被涂覆植物或植物部位从而在所述植物或植物部位上形成膜，其中干燥包括在约30℃至约35℃的温度下加热所述植物或植物部位。
23.权利要求20-22中任一项的方法，其中所述植物部位为水果或蔬菜。
24.权利要求23的方法，其中所述方法还包括处理水果或蔬菜以防止或减轻营养素、花青苷和其他生物色素或其组合从水果或蔬菜中浸出。
25.权利要求24的方法，其中处理水果和蔬菜包括在至少80℃至约100℃的温度下热处理水果或蔬菜，使用高流体静压力处理水果和蔬菜，或其组合。
26.权利要求24的方法，其中所述方法还包括在加工所述水果或蔬菜前、加工所述果实或蔬菜后或前后从所述水果或蔬菜上洗去膜。
27.权利要求25的方法，其中可使用一个或多个额外的热处理步骤。
28.权利要求20-27中任一项的方法，其中所述方法还包括将水果或蔬菜暴露于处理组合物中。
29.权利要求28的方法，其中所述处理组合物包含交联剂，其量为约0.01重量/体积％至约0.5重量/体积％；任选的糖化合物，其量为约12重量/体积％至约25重量/体积％；多价盐，其量为约1mM至约100mM；或其组合。
30.权利要求28的方法，其中所述处理组合物包含海藻酸钠、羧甲基纤维素、蔗糖、CaCl2，或其两种或多种的组合。
31.权利要求20-30中任一项的方法，其中所述方法防止或减轻植物或植物部位的采收前或采收后的损害。
32.权利要求20-30中任一项的方法，其中所述方法防止或减轻汁液流失。
33.权利要求20-30中任一项的方法，其中所述方法防止或减轻对植物或植物部位的生物和/或非生物胁迫。
34.权利要求20-30中任一项的方法，其中所述方法延长植物或植物部位的储存或保质期。
35.一种方法，包括：
在采收水果和蔬菜之前或之后，使用组合物充分涂覆水果和蔬菜，所述组合物包含纤维素纳米材料，其量为约0.1重量/体积％至约3重量/体积％，无机盐组分，其量为约0.005重量/体积％至约2.5重量/体积％，以及交联剂，其量为约0.05重量/体积％至约0.4重量/体积％；
干燥涂覆水果和蔬菜的组合物以形成膜；
在至少80℃至约100℃的温度下在处理组合物中热处理水果和蔬菜，所述热处理组合物包含交联剂，其量为约0.01重量/体积％至约0.5重量/体积％；糖化合物，其量为约12重量/体积％至约18重量/体积％；多价盐，其量为约5mM至约15mM，或其组合；
从所述水果和蔬菜上洗去膜；以及
在至少80℃至约100℃的温度下和至少4至约5.5的pH下在处理组合物中热处理水果和蔬菜，所述热处理组合物包含交联剂，其量为约0.01重量/体积％至约0.5重量/体积％；糖化合物，其量为约12重量/体积％至约18重量/体积％；多价盐，其量为约5mM至约15mM，或其组合。
36.权利要求35的方法，其中干燥包括在约30℃至约35℃的温度下加热所述水果和蔬菜。
37.基本上如本文所述的纳米纤维素可食用涂层。
38.一种涂覆物体的方法，包括将基本上如本文所述的纳米纤维素涂料或涂料组合物施用至物体上。
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