摘要
从巴拉圭冬青（Ilex paraguariensis）的修剪和收获过程中产生的农业副产品富含绿原酸，这是一种对光和温度敏感的生物活性化合物，需要保护以保持其抗氧化活性。本研究采用静电纺丝技术，将优化后的巴拉圭冬青副产品提取物中的绿原酸封装到小麦淀粉纳米纤维中。提取物的添加浓度分别为0%、5%、10%和15%（重量/重量），最终得到了表面光滑、平均直径在195至218纳米之间的连续均匀纳米纤维。提取物浓度的增加导致粘度和电导率升高，从而形成了更厚的纳米纤维。封装效率介于90.8%至63.7%之间，其中添加5%提取物的纳米纤维效果最佳。这些纳米纤维对ABTS•⁺和DPPH自由基表现出抗氧化活性，表明封装后部分生物活性得以保留。热重分析显示，与游离提取物相比，封装后的化合物具有更高的热稳定性，证实了淀粉基质的保护作用。纳米纤维显示出可控的绿原酸释放特性：在亲水性介质（10%乙醇）中释放速度较慢，在疏水性条件（50%乙醇）下释放速度较快，这突显了其在不同食品应用中的潜力。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实了提取物成分与淀粉之间的相互作用，接触角测量表明其亲水性增强。总体而言，小麦淀粉纳米纤维被证明是一种高效且可持续的生物活性化合物封装及控释载体，有助于在循环经济框架内实现巴拉圭冬青副产品的价值转化。
引言
随着消费者对更健康产品需求的增加，食品行业正日益关注开发创新技术，以满足这一需求，并提供更营养、更安全的食品（Oliveira等人，2020年）。聚合物纳米纤维用于生产纳米或微米级材料，在食品领域中可提升分子的物理化学稳定性，并实现生物活性化合物的可控释放（Kim等人，2016年；Pires等人，2023年、2024a年）。静电纺丝是一种简单、经济且高效的生产聚合物纳米纤维的技术，广泛用于封装生物活性化合物，保护其免受环境因素影响，并掩盖不良感官特性（Lim等人，2020年；Lim等人，2019年）。该技术可调控参数，从而制备出具有不同形态的纳米纤维（Ashraf等人，2019年）。可使用的天然聚合物包括玉米醇溶蛋白（Santos等人，2023年）、明胶（Etxabide等人，2022年）、环糊精（Topuz & Uyar，2020年）和淀粉（Fonseca等人，2025年）。淀粉在自然界中储量丰富、成本低廉、易于获取、可食用且可生物降解，目前正被研究作为封装生物活性化合物（如橙精油、姜黄素、红洋葱提取物和香芹酚）的壁材（Santos等人，2025年；Pires等人，2022年；Cruz等人，2023年；Fonseca等人，2019年）的静电纺丝材料。然而，由于其亲水性及机械性能相对较弱，淀粉存在局限性。高直链淀粉含量的淀粉具有更好的静电纺丝性能，因为直链淀粉链的随机卷曲结构能提供更好的缠结效果，这对纤维形成至关重要（Fonseca等人，2019年；Mendes等人，2017年）。高直链淀粉玉米淀粉纳米纤维具有规则的结构和光滑连续的表面（Kong & Ziegler，2012年）；类似地，用于百里香精油封装的马铃薯可溶性淀粉纳米纤维表现出均匀的形态、高封装效率（99.1%–99.8%）以及良好的化合物保护效果（Fonseca等人，2020a年）。在各种淀粉中，小麦淀粉因其高直链淀粉含量而在纤维生产方面具有巨大潜力，但尚未探索其用于静电纺丝封装生物活性化合物的应用。
巴拉圭冬青（Ilex paraguariensis）原产于南美洲，俗称“yerba mate”，其叶子和小枝条常用于制作饮料（Godoy等人，2013年；Mesquita等人，2021年；Vieira等人，2023年）。该植物含有高浓度的生物活性化合物，尤其是酚酸，其益处包括抗氧化、抗炎、降脂、降胆固醇、抗菌、降血糖、抗癌和抗肥胖作用（Ali等人，2017年；Garcia-Lazaro等人，2020年；Kungel等人，2018年；Mesquita等人，2021年；Uecker等人，2019年）。在收获巴拉圭冬青时，会对其进行修剪以降低植株高度，为下一次收割做准备（Lorini等人，2021年）。这种修剪产生的副产品包含直径大于10毫米的茎秆，目前尚未用于商业产品。研究表明，这种植物的树皮含有与叶片和细茎相当的次生代谢物（绿原酸）（Pagliosa等人，2010年）。绿原酸对光、氧气和高温敏感，因此需要采取措施提高其稳定性并保持其生物功能（Tarahi等人，2024年）。文献中报道了使用木薯淀粉（Jaramillo等人，2016年）和玉米醇溶蛋白（Bruni等人，2020年）制备可降解和可食用薄膜来封装巴拉圭冬青提取物的技术。然而，目前尚无关于使用小麦淀粉制备聚合物纳米纤维来封装巴拉圭冬青树皮中生物活性化合物的研究。因此，本研究的目的是通过静电纺丝技术制备并表征小麦淀粉纳米纤维，作为保护巴拉圭冬青副产品中绿原酸的替代方法。
材料与方法
用于制备巴拉圭冬青副产品的树皮来自巴西马查迪尼奥市（27°32′35.5ʺS；51°39′46.9ʺW）的巴拉圭冬青生产者协会的日光种植园。商业小麦面粉（Tordilho，佩洛塔斯，巴西）购自当地市场。色谱级甲醇购自美国Wabash的Honeywell公司。绿原酸标准品（3-咖啡酰奎宁酸、4-咖啡酰奎宁酸、5-咖啡酰奎宁酸、3,4-二咖啡酰奎宁酸、3,5-二咖啡酰奎宁酸和4,5-二咖啡酰奎宁酸）购自中国Chengu公司。这些标准品用甲醇稀释至1毫克/毫升浓度，并储存在-70°C的超低温冰箱中，最长保存时间为两天。所有溶液和流动相均通过孔径为0.22微米的尼龙膜过滤（Analítica，圣保罗，巴西）。甲酸（纯度85%，Synth，CAS 01A1034.01）用于纤维制备。超纯水通过MecLab的MegaPurity®系统制备。其他所有试剂均为分析级。
副产品及水提取物的制备
收获巴拉圭冬青后，树皮在135°C的强制通风烤箱中干燥24小时（Schifel，埃雷钦，巴西）。干燥后，使用家用搅拌机（ProBlend 6，Philips Walita，巴西）以1200瓦功率研磨5分钟，通过50目筛网过滤，然后密封保存在干燥处的室温塑料包装中直至分析。巴拉圭冬青副产品的水提取物制备方法参照Paim等人（2024年）的描述：将0.25克副产品溶解在30毫升矿泉水中，密封于琥珀色小瓶中。小瓶在意大利Velp Scientifica公司的Enzymatic Digester-GDE水浴中以30°C温度和磁力搅拌条件下加热5分钟。提取物通过180微米定量滤纸过滤，然后在-70°C的超低温冰箱中冷冻24小时，随后在Liotop K108冻干机（巴西）下进行冻干，条件为105毫汞柱、-62°C、203伏特，持续72小时。冻干后，样品密封保存在室温（25°C）的塑料包装中直至分析，该提取物被标记为IPE（巴拉圭冬青提取物）。
酚类化合物的表征
绿原酸（包括5-咖啡酰奎宁酸、3-咖啡酰奎宁酸、4-咖啡酰奎宁酸、3,4-二咖啡酰奎宁酸、3,5-二咖啡酰奎宁酸和4,5-二咖啡酰奎宁酸）的分析采用高效液相色谱法，配备二极管阵列检测器（UFLC，岛津公司，日本），检测波长为325纳米。系统配备自动进样器、四元泵和Cogent 2.0 Bidentate C18柱（MicroSolv Technology Corp.，北卡罗来纳州莱兰德，美国），柱径2.1毫米、长度100毫米、颗粒大小2.2微米。柱温维持在40°C。分析方法基于Lorini等人（2021年）的描述。洗脱过程采用梯度系统，起始时溶剂A（加0.1%甲酸的水）占99%，溶剂B（甲醇）占1%；35分钟时溶剂B比例升至36%，保持2.5分钟；随后梯度升至100%，保持1分钟以清洗柱子。流动相流速设定为0.2毫升/分钟，进样体积为10微升。通过比较保留时间、二极管阵列检测器吸收光谱和与分析标准品的共色谱结果来鉴定绿原酸。方法验证包括检测限、定量限、线性、日内精度和日间精度等参数，遵循国际纯粹与应用化学联合会（Thompson, Ellison, & Wood, 2002）的指导原则。验证结果符合分析要求，结果以绿原酸浓度（克/100克副产品）表示。
小麦淀粉的提取、产率和水分及直链淀粉含量测定
小麦淀粉的提取方法参照Baranzelli等人（2019年）的描述，并进行了适当调整。将小麦面粉与盐溶液（2:1重量比，1000克面粉和500毫升2%氯化钠溶液）混合，置于覆盖蒸馏水的容器中静置约30分钟。之后用蒸馏水洗涤面团直至淀粉完全去除。淀粉悬浮液通过200目筛网过滤，用Eppendorf Centrifuge 5430 R离心机（德国）以6500×g离心10分钟，弃去上清液。沉淀物重新悬浮在蒸馏水中（重复三次）。所得淀粉在40°C的空气循环烤箱中干燥24小时，然后用刀磨机（Oster，OMDR100，巴西）研磨，通过50目筛网过滤，密封保存在塑料容器中直至分析。产率按所用面粉的干质量计算；水分含量根据美国官方分析化学家协会（AOAC，2005）的方法测定：样品在105°C烤箱中干燥至恒重，重复三次测定。直链淀粉含量测定方法参照Chen等人（2021年）的描述，并进行了适当调整。最初，称取了30毫克的小麦淀粉，并将其完全分散在含有400微升95%乙醇溶液和3.6毫升1摩尔浓度氢氧化钠溶液的试管中。混合物涡旋10秒后，然后在沸水浴（Velp Scientifica，Enzymatic Digester-GDE，意大利）中以约85°C的温度加热10分钟，以实现淀粉的完全糊化。之后，将混合物冷却至室温（25°C），向200微升的测试溶液中加入25毫升去离子水和3.8毫升卢戈尔溶液（每100毫升溶液含有2.00克碘化钾和0.200克碘），搅拌后静置10分钟。在620纳米处测量溶液的吸光度，并使用0.09摩尔浓度的氢氧化钠将分光光度计（Molecular Devices，SpectraMax 190，美国）调零。使用已知直链淀粉含量的马铃薯淀粉制备标准曲线。根据吸光度值和标准曲线计算样品中的直链淀粉含量。
### 通过静电纺丝技术生产小麦淀粉纳米纤维
#### 聚合物溶液的制备和静电纺丝过程
研究最初分为两个阶段。在第一阶段，评估了能够产生纳米纤维的淀粉浓度参数。使用不同浓度的淀粉（15%、20%和30%；w/v）在75%和85%（w/v）的甲酸中制备聚合物溶液。通过改变泵送流速（0.8和1.0毫升/小时）调整工艺参数，而距离和施加的电压分别固定在20.5厘米和23千伏，这是基于初步测试的结果（Pires等人，2024a）。从这个阶段开始，选择用于生产纳米纤维的条件是含有15%小麦淀粉和75%甲酸（w/v）的溶液。在第二阶段，将不同浓度的冻干IPE副产品（5%、10%、15%、20%和30%；w/w）加入到先前建立的淀粉溶液中，以确定在不影响纳米纤维形成的情况下可以添加的最大浓度。此外，还评估了静电纺丝过程中的不同溶液流速（0.6、0.8和1.0毫升/小时）。根据获得的结果，选择了5%、10%和15%（w/w）的浓度，在0.8毫升/小时的流速下进行后续研究。
因此，用于生产纳米纤维的最终条件包括含有15%淀粉（w/v）的聚合物溶液。经过24小时的搅拌后，加入5%、10%或15%（w/w）浓度的IPE，然后在静电纺丝过程前进一步搅拌30分钟。聚合物溶液分别放置在直径为0.8毫米的不锈钢针头连接的3毫升塑料注射器中。纳米纤维的生产是在一个静电纺丝站中进行的，该站由高压电源（INSTOR，INSES-HV30，巴西）、输液泵（KD Scientific，Model 100，Holliston，英国）和覆盖有铝箔的不锈钢收集器组成（Santos等人，2025）。静电纺丝过程定义和使用的参数是泵送流速为0.80毫升/小时，施加电压为23千伏，距离为20.5厘米。相对湿度保持在45±5%，温度保持在23±2°C。
#### 聚合物溶液的表征——电导率和流变性能
在选定的最佳条件下，即15%淀粉（w/v）和IPE浓度为5%、10%和15%（w/w）的情况下，对含IPE和不含IPE的聚合物溶液进行了电导率和流变性能的表征。为了测定电导率，在室温（20±1°C）下使用台式电导率计（Tecnopon，mCA 150P，巴西）对每种溶液的5毫升样品进行了三次分析。结果以mS/cm表示（Santos等人，2024a）。流变学用于确定聚合物溶液的粘度。为此，使用了一个流变仪（Rheostress RS 150，德国）和一个温度控制器（Haake DC 50，德国）。在25°C下，以0.1–100 s−1的剪切率施加旋转剪切变形，持续300秒。使用Herschel–Bulkley模型通过方程（1）获得流变参数，其中τ是剪切应力（Pa），τ₀是屈服应力（Pa），ĸ是稠度指数（Pa·s），γ˙是剪切率（s−1），n是流动行为指数，根据Santos等人（2024a）提出的方法。
#### 纳米纤维的形态和尺寸分布
初步测试通过光学方法进行了表征，以确定生产均匀纳米纤维的最佳条件，无论是否添加IPE提取物。使用配备数码相机的光学显微镜（BIOPTIKA B10，意大利）对静电纺丝纳米纤维进行了光学表征。分析是在没有偏振的情况下进行的，样品在适当的放大倍数下观察，以评估纳米纤维的总体形态。获得的图像用于定性评估纳米纤维的均匀性、连续性和分布，以及是否存在如珠状物或聚集体等缺陷。记录的显微图允许比较不同配方，提供了IPE添加对纳米纤维结构影响的视觉评估。
基于这些初步分析，仅在选择的最佳条件下（15%淀粉（w/v）和IPE浓度为5%、10%和15%（w/w），进一步使用扫描电子显微镜（SEM）（Jeol，JSM-6610LV，美国）评估了纳米纤维的形态（Santos等人，2024b）。对于SEM分析，将沉积在铝箔上的材料部分使用双面碳带固定在样品架上，并使用溅射涂层机（Denton Vacuum Desk V，美国）镀金。样品在10千伏的加速电压下进行分析，获得的显微图放大倍数为×1000和×5000。通过使用ImageJ©软件（版本2015）测量七十个随机选定的纤维段，确定了平均纤维直径和尺寸分布（Santos等人，2024b）。
#### 包封效率
根据Cruz等人（2023）描述的方法评估了封装了IPE的小麦淀粉纳米纤维的封装效率（EE），并进行了适当调整。称取纳米纤维样品（10毫克），并加入800微升甲酸溶液（75%，在超纯水中，v/v）。混合物涡旋2分钟，然后加入2.2毫升乙腈：超纯水溶液（1:1 v/v），涡旋30秒，然后在4°C和6000转/分钟的条件下离心（Eppendorf Centrifuge 5430 R，德国）10分钟。使用分光光度计（Jenway Model 6705 Scanning UV/Visible Spectrophotometers）在325纳米处分析样品。通过与未封装化合物的比较，确认了纳米纤维中存在的化合物。EE以百分比（%）表示，并根据方程（2）计算：
$$EE\;\%=\frac{Amount\;of\;compound\;present\;in\;the\;nanofibers}{Amount\;of\;compound\;added\;in\;the\;nanofibers}\times100$$
#### 官能团
通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）识别了官能团。分析是在纳米纤维和纯提取物（IPE）上进行的，使用FTIR IRAffinity−1光谱仪（ATR，Shimadzu），分辨率范围为400–4000 cm−1（Torres等人，2025）。施加了足够的样品量以覆盖设备的晶体，并进行了60次扫描，使用Happ-Genzel apodization。数据采集使用IRsolution软件（版本1.60，Shimadzu Corporation）以波数表示。
#### 热性能
使用热重分析仪（TA-60WS，Shimadzu，京都，日本）测量了纳米纤维和纯提取物（IPE）的热性能。大约5毫克的纳米纤维和纯化合物在氮气气氛下，在铂盘中从30°C加热到600°C，流速为50毫升/分钟，起始温度为30°C，加热速率为10°C/分钟，直到达到最终温度600°C（Souza等人，2024）。
#### 接触角
使用静态滴落技术评估了含有不同浓度IPE的小麦淀粉纳米纤维的润湿性，通过测量静态接触角（θ）来确定。使用光学张力计（Theta Lite，Biolin Scientific，型号TL100，SE）进行测量。在含有纤维样品的玻璃载玻片上滴加七微升（n=3）液滴。使用设备的数码相机以20 FPS（每秒帧数）记录纳米纤维对水的吸收情况，从时间零开始直到20秒（Santos等人，2023）。
#### 抗氧化活性
评估了含有和不含提取物的纳米纤维对2,2-二苯基-1-吡啶基肼基（DPPH）和2,2'-偶氮-双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）自由基（ABTS•+）的抗氧化活性（Santos等人，2023）。对于DPPH方法，将1毫克样品称入Falcon管中，并加入3.9毫升DPPH溶液（用甲醇制备并调整至吸光度为1.10±0.02），然后涡旋混合30秒。样品随后在室温（22±2°C）下避光保存2小时30分钟。使用分光光度计（Jenway Model 6705 Scanning UV/Visible Spectrophotometers）在515纳米处测量样品的吸光度。根据方程（3）计算对DPPH自由基的抗氧化活性：
$$Inhibition\;(\%)=\frac{Abs_{blank}-Abs_{sample}}{Abs_{blank}}\times100$$
#### 抗氧化活性
对于ABTS•+自由基的抗氧化活性，将5毫升ABTS•+储备溶液（7.4 mM）与88微升过硫酸钠（140 mM）混合，并在室温（22±2°C）下避光保存16小时。然后用乙醇稀释溶液，将吸光度调整至734纳米处的0.70±0.05。随后将1毫克样品称入Falcon管中，并加入3毫升ABTS•+溶液。混合物涡旋30秒，然后在室温（22±2°C）下避光保存30分钟。使用Jenway Model 6705 Scanning UV/Visible Spectrophotometers在734纳米处测量样品的吸光度，并根据方程（3）表示抑制百分比。
#### 模拟纳米纤维中绿原酸的体外释放
使用符合欧盟委员会法规（2011）规定的食品模拟物（A类（10%乙醇）和D1类（50%乙醇）评估了酚类化合物的释放情况，该方法适用于与食品接触的塑料材料和制品，遵循Cruz等人（2023）提出的方法。分析是为了评估从小麦淀粉纳米纤维中释放的绿原酸。为此，使用了每种纳米纤维样品10毫克，IPE浓度分别为5%、10%和15%（w/w）。样品分别浸入3毫升每种食品模拟物中，并在室温（±23°C）下保存24小时。之后，根据“酚类化合物的表征”部分所述的方法，使用HPLC定量释放的绿原酸。结果根据方程（4）表示为百分比：
$$Release\;(\%)=\frac{Amount\;of\;compounds\;in\;the\;simulant\;medium}{Amount\;of\;compounds\;in\;the\;nanofibers}\times100$$
#### 封装在纳米纤维中的绿原酸的热稳定性
根据Cruz等人（2023）提出的方法，对含有不同浓度IPE（5%、10%和15%，w/w）的小麦淀粉纳米纤维的热稳定性进行了评估，并进行了少量修改。简要来说，将纤维样品（10毫克）称入玻璃小瓶中，并在强制空气循环烤箱中以120°C的温度下热处理1小时。随后，使用75%甲酸（1毫升）破坏纳米纤维并涡旋1分钟。然后加入2毫升水提取绿原酸，再次涡旋1分钟。最后，在4°C下以3000转/分钟的速度离心5分钟。之后，根据“酚类化合物的表征”部分所述的方法，使用HPLC定量释放的绿原酸，并根据方程（5）表示结果：
$$Thermal\;resistance\;(\%)=\frac{Stable\;compound\;amount}{Amount\;of\;compounds\;in\;the\;nanofibers}\times100$$
#### 主成分分析
使用Statistica软件（版本7.0）基于相关矩阵对与纳米纤维相关的数据集（关于平均直径、封装效率、接触角以及对DPPH和ABTS•+自由基的抗氧化活性）进行了主成分分析（PCA）。根据因子分析的结果，选择了主成分（PC）1和PC 2来绘制载荷和得分图，因为它们累计解释了94.29%的方差。
**统计分析**
结果通过使用Statistica软件（版本7.0）进行方差分析（ANOVA）进行评估，并采用Tukey检验作为事后程序，显著性水平为95%。
**结果与讨论**
**酚类化合物的特性**
从Ilex paraguariensis（Cambona 4品种）粗茎修剪过程中产生的副产品的树皮（外部分）提取物中鉴定出的绿原酸包括单咖啡酰奎宁酸和双咖啡酰奎宁酸异构体。在咖啡酰奎宁酸（CQA）中，定量得到了3-CQA（1.27 ± 0.01 g/100 g）、5-CQA（1.41 ± 0.01 g/100 g）和4-CQA（1.27 ± 0.01 g/100 g）。在双咖啡酰奎宁酸（DQA）中，鉴定出了3,4-DQA（0.24 ± 0.01 g/100 g）、3,5-DQA（1.55 ± 0.01 g/100 g）和4,5-DQA（1.62 ± 0.02 g/100 g）。这些化合物的总含量为7.36 ± 0.07 g/100 g，表明液体提取物中绿原酸的浓度很高。经过冻干处理后，每100克副产品中的绿原酸含量为27.98克。Lorini等人（2021年）在研究Ilex paraguariensis的不同部位（叶子、细茎和粗茎）时，使用甲醇/水进行彻底提取，发现粗茎中的绿原酸含量约为3.4 g/100 g，这比本研究中仅使用水作为提取溶剂得到的结果低约两倍。这种差异可能与所研究的部位（树皮）有关，因为树皮可能含有更高水平的次生代谢物，以及提取方法和原材料条件的不同。此外，本研究中发现的酚类化合物含量高于Meinhart等人（2017, 2019年）报道的多种植物基材料（包括64种水果、53种蔬菜和99种茶叶）的含量，这突显了这种材料作为生物活性化合物来源的强大潜力。因此，本研究中获得的7.36 g/100 g的总含量进一步证实了马黛茶修剪副产品树皮作为高浓度绿原酸来源的潜力，其在食品、制药和化妆品行业中有潜在的应用价值。
**小麦淀粉的产量、水分和直链淀粉含量**
从小麦面粉中提取淀粉的产率为41.68%。淀粉是小麦胚乳的主要成分，通常占谷物的70-75%，而剩余部分主要由蛋白质和其他微量成分组成（Filip等人，2023年）。提取产量的变化通常与加工条件、面粉成分和淀粉分离技术的效率有关（Wang等人，2020年）。
小麦淀粉的水分含量为7.49% ± 0.06%，远低于巴西卫生监管机构（ANVISA）为面粉和淀粉设定的15.0%的最大限值，表明其具有足够的稳定性和适合进一步加工的特性。水分含量是一个关键参数，因为它会影响淀粉的流动性、储存稳定性和加工行为（Zhang等人，2018年）。
淀粉的直链淀粉含量为31.55% ± 2.39%，对于小麦淀粉来说这一含量相对较高。Baranzelli等人（2019年）报告的类似值在30.81%到35.56%之间，而El Halal等人（2019年）报告的变异性更大（22-35%），这取决于小麦品种。这种变异性受到遗传因素、环境条件和收获后处理的影响，这些因素会影响淀粉的生物合成和结构（Silveira等人，2020年；Wang等人，2020年）。
从结构和功能的角度来看，高直链淀粉含量在决定淀粉的物理化学性质方面起着关键作用。由于直链淀粉分子主要呈线性结构，它们能够形成分子间的关联和缠结，这对于纤维形成过程至关重要（Kong & Ziegler，2012年）。相比之下，支链淀粉由于其高度分支的结构，会引入空间障碍，限制链间的相互作用，降低形成连续纳米纤维的能力（Cao等人，2022年）。因此，高直链淀粉含量的淀粉特别适合用于静电纺丝应用，因为它们能促进更好的链缠结、溶液稳定性和纤维完整性。Cao等人（2022年）的研究表明，这会导致形成更均匀且机械强度更高的纳米纤维。因此，本研究中获得的7.36 g/100 g的总含量进一步证明了马黛茶修剪副产品树皮作为高浓度绿原酸来源的潜力，其在食品、制药和化妆品行业中有潜在的应用价值。
**聚合物溶液的特性**
**电导率和流变性能**
表1展示了含有不同浓度IPE的小麦淀粉聚合物溶液的电导率和流变性能结果。
对所呈现的数据进行分析发现，小麦淀粉溶液的电导率（EC）随着IPE浓度的增加而增加，分别对应于含0%、5%、10%和15%提取物的纳米纤维，电导率分别为2.69 mS/cm、3.14 mS/cm和3.45 mS/cm。这种行为可以归因于提取物中存在的导电化合物，这些化合物加入淀粉基质后增强了电导性。
溶液的电导率使得电荷传输成为可能，有利于溶液与收集器之间的相互作用，并促进聚合物射流的拉伸，这直接取决于溶液传输电荷的能力（Unnithan等人，2015年）。当电导率较高时，溶液中的离子移动性更强，在电场作用下它们更容易被引导，从而增加射流的延伸长度，可能减小纤维直径并防止聚集体的形成（Antunes等人，2017年；Pires等人，2024b）。电导率的增加并未影响过程，因为形成了稳定且连续的射流。然而，观察到平均纤维直径有所增加，这可能是由于表观粘度的升高或其他工艺相关因素所致。
通过流动行为（粘度与剪切率的关系，图1a）和储存（G′）及损耗（G″）模量（图1b）评估了仅含小麦淀粉的对照溶液以及含有不同浓度IPE（5%、10%和15%，w/v）的溶液的流变性能。对于这两种样品，数据都能用Herschel-Bulkley模型很好地描述，决定系数（R²）也在表1中给出。当加入IPE时，溶液的粘度在某个点之前保持稳定略有下降；然而，在IPE浓度达到15%时，其行为与对照组相似，这表明在一定浓度范围内添加IPE是有利的，超过该浓度后，由于IPE提取物中的溶质，溶液变得更为粘稠。这种行为可以通过流动行为指数（n）（表1）来解释，其值小于1，表明表现出非牛顿 pseudoplastic 行为。Santos等人（2024a）在评估含有天竺葵精油的豆类淀粉溶液时也观察到了类似的行为。关于一致性指数（k），各样品之间没有显著差异（p < 0.05），尽管随着副产品提取物浓度的增加，粘度略有上升趋势，表明流动阻力增大。
**图1**
图1展示了含有不同浓度IPE的小麦淀粉聚合物溶液的流动行为（a）以及储存（G′）和损耗（G″）模量（b）。
溶液浓度的增加直接导致粘度升高，这是由于聚合物链的缠结加剧，有助于纤维形成过程中的射流稳定（Wang等人，2016年）。尽管溶液的粘度增加了，但这种增加不足以阻碍静电纺丝过程，不过确实产生了平均直径较大的纳米纤维。在粘度较高的溶液中，射流拉伸受到限制，不仅导致纤维直径增大，还出现了称为“珠状物”的聚集体（Wang等人，2009年）。
图1b展示了聚合物溶液的储存（G′）和损耗（G″）模量随频率（0–10 rad/s）的变化。在所有评估的浓度下，损耗模量（G″）始终高于储存模量（G′），表明粘性行为占主导。这一结果与之前关于不同直链淀粉含量的老化玉米淀粉溶液和小麦淀粉纳米颗粒的研究一致，这些研究表明，以粘性为主的系统表现出更高的表观粘度和更大的流体动力学直径（Herrera等人，2017年）。电导率、粘度和聚合物浓度是静电纺丝过程中的关键参数，直接影响纤维的形态（Rostamabadi等人，2020年；Santos等人，2024a）。在本研究中，随着IPE浓度的增加，电导率的提高表明离子移动性和电荷传输能力增强。相反，流变结果表现出 pseudoplastic 行为（n < 1）以及在高提取物浓度下流动阻力的轻微增加，表明系统内的分子相互作用增强。虽然较高的电导率倾向于增强静电力并促进射流拉伸，但粘度的同时增加限制了链的移动性，从而阻碍了拉伸。因此，静电纺丝过程受到这些相互竞争效应的平衡控制，这种平衡的变化直接影响射流的稳定性和变形行为。
**纳米纤维的形态和尺寸分布**
通过光学显微镜对纳米纤维的形态进行评估（图2和图3）发现，淀粉浓度对最终结构有直接影响。含有15%淀粉的配方产生了更细、更连续、更均匀的纳米纤维（图2），缺陷（如珠状物和不连续性）较少。相比之下，较高浓度的淀粉（20%和30%）表现出更大的结构不规则性，这可能与溶液粘度的增加有关，可能会阻碍静电纺丝过程中的射流拉伸。需要注意的是，尽管粘度和电导率等参数已知对这一过程至关重要，但在本研究的这个阶段并未对这些性质进行评估。关于加工条件，观察到较高的甲酸浓度（85%）结合较高的流速（1.0 mL/h）产生了较粗、不均匀的纳米纤维，并伴有珠状物的出现。基于这些结果，最合适的条件被确定为使用75%（v/v）甲酸、15%（w/v）小麦淀粉和0.8 mL/h的流速，因为这些条件有利于形成更均匀、连续且无缺陷的纳米纤维。
**图3**
图3显示了添加到纳米纤维形成溶液（15% w/v小麦淀粉）中的IPE浓度对形成连续均匀结构的影响。随着提取物浓度的增加，缺陷的发生率增加，特别是在超过15%（w/w）的浓度时，这种效应随着流速的进一步提高而加剧。基于这些结果，为了获得连续、均匀且无缺陷的纳米纤维，选择了5%、10%和15%（w/w）的IPE浓度来生产小麦淀粉纳米纤维。
图4展示了小麦淀粉纳米纤维的形态（a、c、e和g）和尺寸分布（b、d、f和h），包括对照组和含有IPE（0%、5%、10%和15%）的纳米纤维。静电纺丝条件导致了均匀、圆柱形、连续且无聚集体的纳米纤维的形成。提取物的加入以浓度依赖的方式影响了纳米纤维的形态。尽管所有配方都产生了连续的纤维，但在较高提取物浓度下观察到纤维直径分布和均匀性的轻微变化。这些发现表明纤维形成没有受到损害；然而，形态属性受到了一定程度的影响，表现为平均纤维直径的减小。纯小麦淀粉的平均直径为195 ± 25 nm，而添加5%副产品提取物后平均直径变为218 ± 28 nm。在IPE浓度为10%（214 ± 32 nm）和15%（204 ± 24 nm）时，纤维直径略有减小。方差分析（ANOVA）表明，0%（195纳米）和5%（218纳米）处理组之间存在显著差异（p < 0.05），0%（195纳米）和10%（214纳米）处理组之间也存在显著差异，这证实了添加提取物后纳米纤维的直径有所增加。通常情况下，低粘度溶液倾向于产生直径较小的纳米纤维（Fonseca等人，2020a）；然而，在本研究中观察到了相反的现象，即5%的IPE溶液表现出最低的粘度以及最大的平均纳米纤维直径。这种行为可能与IPE中存在的化合物有关，尽管这些化合物降低了溶液的粘度，但也改变了电导率和表面张力等参数。这种综合效应可能限制了电纺过程中的喷射拉伸，从而导致即使在粘度较低的溶液中，纳米纤维的直径也较大。
图4：该图像的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图像。
不同浓度IPE（0%（a和b）、5%（c和d）、10%（e和f）和15%（g和h）掺入的小麦淀粉纳米纤维的形态和尺寸分布。
**包封效率**
含有IPE提取物的小麦淀粉纳米纤维的包封效率分别为90.8±6.24%、68.2±11.8%和63.7±9.96%，其中5%、10%和15%的样本显示出较高的效率，并且随着提取物含量的增加而逐渐降低。这种行为与Fonseca等人（2020b）在马铃薯淀粉纳米纤维中的研究结果相似，他们发现添加0.5%、1.0%和1.5%的pinhão坚果壳提取物后，装载能力降低（62-100%）。然而，作者观察到最高的包封效率出现在最低提取物浓度（0.5%）时，这与本研究的结果一致。Santos等人（2023）在评估含有jambolan提取物的zein纳米纤维的包封效率时也报告了下降趋势（58.0-66.8%）。在我们的研究中，含有最低浓度IPE（5%）的小麦淀粉纳米纤维表现出令人满意的基质性能，符合Yun等人（2021）建议的70%的工业可行性阈值。因此，结果表明小麦淀粉作为一种包封基质具有很大的潜力，能够在低浓度下有效保留IPE中的生物活性化合物。相比之下，较高的提取物浓度会导致结构不规则性的增加。这种行为与平均纤维直径的结果一致，即含有最低提取物浓度（5%）的纳米纤维显示出更高的包封效率，这可能是由于它们的直径较大，有利于IPE中生物活性化合物的掺入和保留。
**官能团**
官能团是通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定的。IPE的冻干提取物显示出多酚的特征谱带（图5），其中3310 cm⁻¹处的谱带（νO–H与νN–H重叠）对应于存在于绿原酸、皂苷、黄嘌呤等化合物中的羟基（Gullón等人，2018）。2874 cm⁻¹处的谱带（νsC–H；νaC–H）对应于脂肪族基团，1661 cm⁻¹处的谱带（νC=O）对应于酯、酰胺和黄嘌呤中的羰基，另一个1613 cm⁻¹处的谱带（νC=O）对应于酸和皂苷中的羧基。最后，在1360 cm⁻¹（δsCH₃CO）和1255 cm⁻¹（νasC–O–C；δC–O–H in-plane）处观察到谱带，这些谱带归属于I. paraguariensis化合物中的环醚和其他官能团（Gullón等人，2018）。
图5：该图像的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图像。
不同浓度IPE掺入的小麦淀粉提取物和纳米纤维的傅里叶变换红外光谱。
0%的纳米纤维在3380 cm⁻¹处显示出谱带（νO–H），这可以归因于直链淀粉链之间的分子内和分子间羟基；在2896 cm⁻¹处（νsC–H；νaC–H）对应于环状链。1703 cm⁻1和1628 cm⁻1处的谱带（δOH）与颗粒非晶区域中的氢键相关。1427 cm⁻1处的谱带（δsCH₂）对应于支链淀粉，而1288 cm⁻1处的谱带（δC–O–H）与面外弯曲相关，1158 cm⁻1处的谱带（νasC–O–C）归因于α−1,4糖苷键。Pires等人（2022）在天然马铃薯淀粉中也观察到了类似的谱带。5%、10%和15%的纳米纤维显示出与0%纤维相似的特征谱带，这表明在所有研究的浓度下，提取物都被有效包封。
**热性质**
IPE的热稳定性以及含有不同提取物浓度（5%、10%和15%，w/w）的小麦淀粉纳米纤维的热稳定性通过热重分析（TGA）进行了评估，结果如图6所示。IPE的热图显示了两个主要的质量损失阶段：第一个阶段在约100°C左右，与结合水的蒸发有关；第二个阶段在约200至380°C之间，与低分子量化合物和更复杂结构（如半纤维素和果胶）的降解有关（Bruni等人，2020）。
图6：该图像的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图像。
不同IPE浓度（0%、5%、10%和15%）的提取物和纳米纤维样品的热重分析。
对于对照纳米纤维，观察到了三个质量损失阶段：第一个阶段在约40至100°C之间，归因于材料中水分的蒸发；第二个阶段在约200至280°C之间，与甲酸和淀粉之间的酯化反应形成的酯基团的消除有关；最后一个阶段在约310至410°C之间，与淀粉结构的分解有关（Santos等人，2024a, 2025）。
对于含有不同浓度IPE（5%、10%和15%，w/w）的纳米纤维，获得的热图与对照纳米纤维相似，也显示了三个质量损失阶段，分别对应于结合水的蒸发、酯化过程中形成的基团的降解以及最终的小麦淀粉的分解。关于掺入纳米纤维中的IPE，很可能提取物成分与淀粉的羟基发生了相互作用，这可以解释为什么纯提取物没有观察到质量损失阶段（约200°C）。这种行为表明提取物化合物的降解与淀粉基质的分解同时发生，温度接近约350°C。这一结果表明，含有提取物的纳米纤维具有更好的热稳定性。
**接触角**
测量了纳米纤维膜与超纯水之间的静态接触角（θ）。所有纳米纤维的接触角均低于90°，具体分别为θ = 28.26±6.15°、θ = 32.67±0.15°、θ = 27.72±0.56°和θ = 27.24±2.91°，分别对应于含有0%、5%、10%和15% IPE的纳米纤维，根据Ahmad等人（Ahmad & Kan，2016）的分类，这些表面是亲水性的（图7）。最初，比较0%和5%纳米纤维时观察到θ的增加。这种行为可能是因为纳米纤维表面的极性和非极性基团的存在影响了润湿性。表面修饰可以通过提取物的掺入来解释，其中提取物含有多种化合物；然而，接触角的增加表明纳米纤维表面存在自由的极性基团，这表明5%纳米纤维的活性位点负责这种行为。相比之下，10%和15%纳米纤维的接触角减小，证实了更多活性位点的占据，并表明随着共产物浓度的增加，纤维逐渐变得更加亲水，从而增强了其润湿性。
这些结果与Cruz等人（2023）和Santos等人（2023）的报告一致，他们观察到随着封装的红洋葱皮和jambolan提取物浓度的增加，黄色和白色甜薯淀粉及zein基质中的接触角减小。这种行为可以用酚类提取物的亲水性来解释，因为它们具有高水溶性，从而降低了接触角。此外，接触角还受到膜毛细效应的影响，并根据表面粗糙度、形态、纳米纤维直径和孔隙率等因素而变化（Correia等人，2015），这些因素可以改变膜的表面张力，进而影响其亲水性和润湿性。
**抗氧化活性**
表2展示了IPE封装在小麦淀粉纳米纤维中对ABTS•⁺和DPPH自由基的抗氧化活性结果。对照纳米纤维（0%）对ABTS•⁺自由基没有抗氧化活性，对DPPH自由基只有较低的活性（6.57%），表明单独的小麦淀粉纳米纤维不具备显著的抗氧化活性。当提取物掺入小麦淀粉纳米纤维后，抗氧化活性显著增加，且掺入的提取物量越大，观察到的抗氧化活性越高。5%、10%和15%的纳米纤维在抑制ABTS•⁺自由基方面显示出显著增加（p > 0.05），其中15%的纤维表现出最高的活性（97.83%）。然而，对于DPPH自由基，5%和10%的纳米纤维显示出活性增加，而15%的纳米纤维则表现出活性降低。这种行为可能是因为5%和10%的纳米纤维含有中等浓度的IPE，其中抗氧化化合物可能更容易被吸收并在纳米纤维中更均匀分布，从而导致通过DPPH测定法测得的抗氧化活性更高。此外，DPPH自由基是一种特定的化学物质，其可能与提取物中的抗氧化化合物发生不同的反应，这可以解释纳米纤维对这种自由基的抗氧化活性变化。这些结果表明，小麦淀粉纳米纤维对ABTS•⁺自由基的抑制能力比对DPPH自由基更强。此外，将共产物掺入电纺小麦淀粉纳米纤维可能部分保护了酚类化合物的功能性质。
Fonseca等人（2020a）的研究表明，将百里香精油掺入甜薯淀粉纳米纤维中也导致DPPH抑制能力降低。在另一项使用白色和黄色甜薯淀粉封装红洋葱皮黄酮的研究中，作者观察到随着冻干化合物浓度的增加，抗氧化活性显著提高（Cruz等人，2023）。然而，尚未找到使用小麦淀粉纳米纤维封装生物活性化合物的研究。然而，在冻干自由提取物中观察到对ABTS•⁺自由基的抑制能力较低，这可能与化合物的络合有关，从而在掺入纳米纤维后活性增加。在干燥的商业马黛茶叶样品中，报告的抑制水平高达94%（Akbarmehr等人，2023）。当将pinhão壳提取物掺入马铃薯淀粉纳米纤维时，获得了28%的抑制效果，低于本研究的发现（Fonseca等人，2020b）。同样，Pires等人（2022）观察到随着姜黄素在不同浓度（0.5%、0.75%和1%）掺入天然马铃薯淀粉时，自由基清除活性逐渐增加。根据Cruz等人（2023）的研究，抗氧化剂可以延缓或抑制食物的氧化；然而，它们在暴露于环境条件时可能会降解。封装I. paraguariensis中的酚类化合物对于维持其稳定性很重要，可以最小化由光、热和温度等环境因素引起的降解。
**体外释放模拟**
表3展示了在亲水（10%乙醇）和疏水（50%乙醇）条件下，封装在小麦淀粉纳米纤维中的I. paraguariensis提取物中绿原酸的模拟释放情况。根据欧盟委员会法规（2011），10%乙醇溶液代表亲水条件。在这些条件下，咖啡酰奎宁酸（5-CQA、3-CQA和4-CQA）的释放量随着IPE浓度的增加而增加，在含有15%（w/w）提取物的纳米纤维中，5-CQA的释放量达到最大值70.72%。表3 不同浓度IPE的小麦淀粉纳米纤维在亲水性（10%乙醇）和疏水性（50%乙醇）介质中的绿原酸体外释放情况以及120°C下的热稳定性
相比之下，50%乙醇溶液（模拟疏水性条件，根据欧盟委员会法规2011年规定）促进了不同的释放行为。在这种介质中，咖啡酰奎宁酸（5-CQA、3-CQA和4-CQA）和二咖啡酰奎宁酸（3,4-DQA、3,5-DQA和4,5-DQA）都从纳米纤维中释放出来。在这些化合物中，3,5-DQA的释放量最高，在含有15%（w/w）IPE的纳米纤维中达到了82.71%。
封装在小麦淀粉纳米纤维中的IPE中的绿原酸的释放情况应根据预期应用进行调整。在模拟较温和介质的条件下（如10%乙醇），较慢的释放速度是可取的，因为这有助于保护酚类化合物免受降解，使其逐渐释放同时保持其稳定性和功能性（Fonseca等人，2020b）。这种行为在活性包装应用中尤为重要，因为目标是通过这些化合物的持续抗氧化作用来延长食品的保质期（Cruz等人，2023）。
另一方面，在更恶劣的条件下（如50%乙醇），绿原酸的释放速度可能会加快，在某些情况下这也是可取的，特别是对于保质期较短的食物，如需要立即发挥抗氧化和抗菌作用的食物，例如 minimally processed vegetables（Cruz等人，2023）。因此，可以根据食品类型和储存条件调整封装生物活性化合物的释放曲线，使这些纳米纤维能够应用于脂质和水性系统中。
热稳定性
无论是以游离形式存在还是封装在小麦淀粉纳米纤维中的IPE中的绿原酸，在120°C下加热1小时后都表现出热稳定性（表3）。然而，未封装的提取物的稳定性较低，热稳定性值低于48%，这是由于酚类化合物在游离状态下具有更高的热敏感性（Meinhart等人，2019）。相比之下，含有不同浓度IPE的纳米纤维表现出更高的热稳定性，大多数分析的绿原酸的热稳定性值超过了58%，其中含有5% IPE的纳米纤维稳定性最高。然而，对于含有最高提取物浓度（15%；w/w）的纳米纤维中的3,5-DQA和4,5-DQA化合物，观察到了较低的热稳定性，这可能与这些化合物在50%乙醇模拟介质中的较高释放量有关（表3）。总体而言，结果表明，通过静电纺丝法制备的小麦淀粉纳米纤维显著提高了绿原酸的热稳定性，这可能是由于提取物成分与聚合物基质之间的相互作用增强了它们在高温条件下的保护作用。
主成分分析（PCA）
对纳米纤维数据集（Dmed、EE、θ、DPPH和ABTS•⁺）进行的主成分分析表明，提取物浓度的增加显著影响了纤维的特性。这一点通过变量云图中接近或重叠单位圆的向量的强线性贡献和大小得到了证实（图8a）。
图8
在得分图中形成了三个不同的组（图8b），含有10%和15% IPE的纳米纤维（分别称为F10和F15）聚集在一起，表明对于所研究的变量，这些浓度的效果是相似的。这些纳米纤维与对照纳米纤维（F0）和含有5% IPE的纳米纤维（F5）不同，这表明提取物在较高浓度下对改变纤维特性以产生不同材料的效果更为显著。
含有10%和15% IPE的纳米纤维在稳定ABTS•⁺和DPPH自由基方面的抗氧化活性更高，这从它们在因子平面上的相同象限位置可以看出。向量θ、Dmed和EE与含有5% IPE的纳米纤维相关联，这些纳米纤维在这些变量上显示出更高的值。这些发现与前面章节中的讨论一致。
结论
通过静电纺丝法成功制备了含有Ilex paraguariensis副产品提取物（IPE）的小麦淀粉纳米纤维，这些纳米纤维具有光滑、均匀且无缺陷的形态。提取物的加入影响了溶液的性质，如粘度和电导率，从而导致纤维直径的变化。在5%提取物浓度下获得了最高的封装效率（90.8%），而在更高浓度下效率有所下降。
封装对抗氧化活性的影响取决于所评估的自由基类型。在纳米纤维中加入提取物后，观察到ABTS•⁺自由基的清除活性增加，而对DPPH自由基的活性部分得以保留。热分析显示，封装提取物的稳定性高于游离提取物，傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果证实了其已融入淀粉基质中。此外，提取物的存在增加了纳米纤维的润湿性，使其更具亲水性。纳米纤维表现出可控的绿原酸释放曲线，在亲水性介质中释放速度较慢，在疏水性条件下释放速度较快，表明它们具有不同的食品应用潜力。此外，封装显著增强了生物活性化合物的热稳定性，突显了聚合物基质的保护作用。
总体而言，结果表明IPE是一种有前景的天然抗氧化剂来源，而小麦淀粉作为一种高效且可持续的聚合物基质，适用于静电纺丝和封装。这项研究还有助于循环经济的原则，通过利用马黛茶残渣实现了资源的再利用。未来的研究应探讨这些纳米纤维在真实食品系统中的应用，以探索它们在提高食品质量和稳定性方面的技术和功能潜力。
