《Foods》：Integration of Micro/Nanobubbles into Biopolymer-Based Coatings: An Innovative Concept and Hypothetical Approach for Postharvest Preservation
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采后损失是粮食安全的巨大问题，占果蔬腐败率的30%–40%。尽管基于生物聚合物的果蔬涂层作为传统包装的可持续材料具有潜力，但由于其较差的阻隔性和机械性能以及活性成分的不可控释放，实际应用仍然有限。因此，提出的微/纳米气泡集成生物聚合物可食用涂层（MNB-BEC
采后损失是粮食安全的巨大问题，占果蔬腐败率的30%–40%。尽管基于生物聚合物的果蔬涂层作为传统包装的可持续材料具有潜力，但由于其较差的阻隔性和机械性能以及活性成分的不可控释放，实际应用仍然有限。因此，提出的微/纳米气泡集成生物聚合物可食用涂层（MNB-BEC）框架建立在新兴的纳米气泡辅助生物聚合物薄膜研究基础上，并将这些发现扩展到更广泛的概念框架中，用于采后可食用涂层以减少食品损失。本研究聚焦于微/纳米气泡集成的生物聚合物可食用涂层，作为一种先进的采后保鲜创新策略。该提出的概念强调了微/纳米气泡在生物聚合物基涂层中的物理化学性质、高表面积和气液传质特性，以设计具有更高功能性的多层涂层。这种生物聚合物与微/纳米气泡的整合可能有助于增强薄膜的阻隔性、机械性能、结构性能和热性能。此外，对包括臭氧（O3）、CO2、O2和乙烯在内的气体进行调控，可形成抗菌环境以减少微生物腐败，并通过延缓氧化应激、水分流失和呼吸速率来维持产品的理化特性和消费者接受度。创新概念和假设聚焦于MNB-BEC、气泡形成技术、注入气体类型、生物聚合物及其表征技术和应用。本文还讨论了与该技术相关的主要挑战，包括界面稳定性、释放动力学、可扩展性以及监管和产业化问题。随着胶体形成、气液界面和可食用涂层技术的发展，本概念为MNB-BEC作为一种可持续的多功能包装系统提供了一个全面的概念框架。
1. 引言
果蔬是最易腐坏的食品之一，在采收、处理、储存、运输、批发和零售过程中极易发生数量和质量损失。据联合国粮农组织统计，全球食品损失指数显示，从采收到零售环节的食品损失显著，其中果蔬是损失率最高的商品类别，从2015年的23.2%上升至2023年的25.4%。这些损失源于新鲜农产品固有的高呼吸和蒸腾速率、机械损伤、微生物降解、温湿度控制不当以及不良的采后处理和基础设施。微生物腐败以及机械和物理损伤是采后损失的主要因素，占整个供应链损失的40%。为了克服采后损失，需要采用有效的采后处理和先进的可持续保鲜方法来延长果蔬货架期。多种采后管理策略已被用于保持果蔬采后品质，例如气调包装、可控气氛包装、可食用/复合包装和智能包装。尽管如此，利用天然来源的生物聚合物（包括多糖、蛋白质、脂质/蜡及其复合材料）制成的可食用涂层是一种有效解决方案，可通过其阻隔阻力来控制产品的呼吸和水分流失，并减少储存和运输过程中的氧化应激。然而，由天然生物聚合物制备的传统涂层通常存在水果表面覆盖不佳以及递送生物活性化合物能力较差的问题。多糖基涂层和可食用薄膜已被广泛研究，以减少水分流失、调节气体传递并提供抗菌或抗氧化化合物以延长果蔬储存寿命。然而，此类系统的性能在很大程度上受所用聚合物类型、配方、涂层厚度和相对湿度的影响。亲水性多糖和蛋白质通常具有良好的气体阻隔性但水分阻隔性差，而脂质作为涂层可增强水分阻隔性但可能影响涂层的机械性能或质量。微米和纳米气泡的应用作为一种气/液系统变得越来越普遍，因为其小尺寸能够提供更高的气/液界面面积，并影响气体溶解、传质和水性系统的物理化学性质。一些近期综述文章强调了MNB在食品加工操作中的应用，如清洗消毒、鲜切产品洗涤、气体传递、发酵相关操作、提取/分离和材料性质改性。将微米和纳米气泡与生物聚合物集成的创新概念旨在改善可食用涂层和薄膜的功能特性，并在生物活性化合物的可持续或控释方面具有潜在有效性。这种由于气体填充结构的存在而产生的独特物理化学行为，使得与传统涂层配方相比，能够更好地调控果实呼吸和微生物安全性。这种集成方法利用了微米和纳米气泡潜在的高效气体传递特性，以优化生物聚合物薄膜的机械和功能结构。关于微/纳米气泡集成生物聚合物基涂层方法中气体的掺入，所提出的MNB-BEC系统考虑了微/纳米气泡特性（如尺寸分布、界面性质和气体组成/数量）可能对生物聚合物基涂层的物理、结构和传质特性产生的影响。这些影响预计在很大程度上取决于聚合物的化学性质、干燥过程中的微泡保留、界面稳定性和储存条件。此外，还提出了系统中特定气体对采后微环境修饰的作用，以及可能的抗菌作用机制和活性化合物的释放。由于缺乏对集成MNB-BEC系统的充分实验验证，这些拟议的关系被表述为假设和研究方向。此外，这种多功能方法可能有助于解决涂层系统中的生物活性化合物递送问题以及果蔬的水分和呼吸调节。尽管已有研究关注复合包装的气体阻隔性能，但使用含气泡基质对这些层机械强度的影响是采后管理中另一个需要探索的领域。气液界面的集成和MNB-BEC系统的发展为替代化学杀菌剂和农药提供了一条可持续途径，通过延长货架期而不影响生理生化属性来最大限度地减少采后损失。现有的包装技术缺乏在整个供应链不同条件下平衡气体和水分渗透性的能力。消费者对有机食品日益增长的意识和需求导致需要开发可食用的生物基包装材料作为合成材料的替代品。尽管是合成和不可降解塑料的绿色替代品，基于生物聚合物的薄膜由于其气体阻隔性和承受机械应力能力的自然不足，往往在潜在有效功能方面受到限制。生物聚合物基质在高湿度环境下无法保持其结构，这使得它们无法用于生物活性成分的潜在持续释放。此外，此类薄膜的稳定性和可扩展性面临诸多挑战，因为当前的制造技术无法提供添加剂的均匀分布或薄膜的结构内聚力。然而，将微米和纳米气泡掺入基质中为控制结构的孔隙率和提高其组分的生物利用度提供了一种新方法。本综述论文考虑的科学问题涉及三个各自取得重大进展的研究领域之间的相互作用：MNB气液界面工程、生物聚合物基可食用涂层以及活性和智能食品包装。现有文献包含大量关于液相中MNB生成和稳定的信息，以及关于可食用涂层创建和使用的信息。同时，对于MNB在成为生物聚合物涂层一部分并经历干燥和其他转变时会发生什么，目前尚无明确认识。因此，MNB-BEC方法并不假定引入气泡会固有地增强涂层性能。相反，MNB-BEC方法考虑了MNB增加额外分散气相和气-聚合物界面的潜力，其影响取决于加工和配方条件。它旨在建立气泡性质、聚合物相互作用、涂层微观结构、传输和释放特性及其对采后功能影响的预测关系。这一点尤其重要，因为许多归因于MNB-BEC的好处尚未得到实验证实。这引出了诸如以下研究问题：微/纳米气泡能否在混合、涂层沉积、干燥和生物聚合物基质储存过程中保持其特征性的尺寸分布和空间分布？聚合物化学性质、粘度、表面张力、界面电荷以及成膜过程在气泡保留和涂层微观结构中起什么作用？MNB的掺入是否会影响最终涂层中氧气、二氧化碳、水蒸气或其他气体的传输，并且这种效应是否依赖于气泡负载和连通性的取向？可测试的假设包括：MNB掺入以气泡尺寸和浓度依赖的方式改变生物聚合物涂层的微观结构和界面特性。干燥过程中的气泡保留受聚合物粘度、气体组成、涂布方法、干燥速率和环境条件的显著影响。MNB掺入改变了最终涂层的有效气体和水分传输特性；然而，这种效应的方向和幅度取决于气泡分布、连通性、聚合物结构和涂层厚度。MNB的掺入可以通过改变界面面积、基质结构、聚合物溶胀和扩散路径来改变活性化合物的释放动力学。特定气体的MNB-BEC配方会对微生物生长和产品生理产生不同的影响，因为氧气、二氧化碳、臭氧、氢气和乙烯具有不同的物理化学和生物学功能。
2. 新颖概念概述
所提出的概念，即MNB-BEC平台，可以为采后保鲜提供一种创新的解决方案，使用气泡负载材料作为活性剂释放的递送系统。气体的掺入改善并改变了其高效的传质特性和界面特性。MNB-BEC技术可以创建一个动态屏障以改善内部气氛，从而抑制微生物生长。MNB-BEC技术可以促进一种环保的方法来延长商品的货架期并在更长时间内保持其采后品质。该提出的新颖概念探讨了在可食用生物聚合物基质内运作的气体负载微腔的基础知识及其对最佳溶质负载和薄膜形成的关键贡献。此外，该技术可能能够通过优化气泡浓度和尺寸分布来克服附着力差和涂层厚度不一致的问题。利用气泡-生物聚合物相互作用的独特修饰改善了新型活性包装所需的机械强度和水分阻隔效率。这些气体纳米球体的超高比表面积和独特的电荷分布可能有助于改善界面相互作用，这优于其他改性方法。因此，本研究概述了聚合物基质内气液界面稳定的协同效应，这为未来自适应食品包装的研究提供了蓝图。通过在结构空隙中精确稳定气态活性组分，该方法解决了气体挥发性问题，这是传统包装技术潜在有效性的一个限制因素。因此，MNB-BEC方法为超越被动成膜的平台提供了一条潜在途径，提供了一种适应园艺新鲜农产品代谢需求的新型气体响应系统。含气微/纳米气泡被掺入可食用生物聚合物基质中。
MNB-BEC概念的可行性
将MNB掺入生物聚合物可食用涂层的可行性取决于气泡在混合、涂布应用和干燥过程中保持稳定性的能力。然而，气泡在前驱体分散液中的稳定性并不能保证它们在所得涂层中存活，因为粘度、表面张力、蒸发速率、聚合物浓度和干燥过程的改变可能会促使气泡溶解、迁移、聚结和/或破裂。因此，所提出的MNB-BEC概念应被视为依赖于工艺的，需要优化气泡尺寸和浓度、气体混合物、聚合物类型、涂布技术和干燥条件。
3. 微/纳米气泡技术：性质、功能、气泡生成方法、气体及机制
微泡和纳米泡的关键特征是高表面积与体积比以及气体溶解的稳定性，这是由于气泡尺寸较小，通常在几十纳米到几微米量级。这些性质允许其在液体介质中长期存在，并有利于反应性物种的形成，这可能有助于微生物抑制。Zeta电位可作为前驱体分散液中胶体稳定性和静电相互作用的潜在指标，但不应将其解释为干燥MNB-BEC中粘附或机械增强的直接证据。最终涂层的附着力和机械性能还取决于聚合物-气泡界面化学、聚合物链组织、干燥历史、气泡保留以及涂层-基底相互作用。含气结构固有的浮力和特殊的表面电荷意味着它们可以用作多糖和蛋白质基基质中的增强材料，从而规避传统生物聚合物薄膜的渗透性限制。在涂层中掺入气体使其形态结构转变为复杂的胶体系统，能够控制传质速率并防止产品腐败。通过利用这些可调的胶体性质，MNB-BEC系统可以提供结构化环境，将挥发性生物活性剂（如精油）掺入生物聚合物基质中以增加其抗菌活性而不牺牲感官品质，尽管活性化合物的位置及其保留和释放的机制需要实验验证。此外，使用这些气态隔室导致的界面张力降低可能有助于活性物质的更均匀分散，并可能增加超出传统薄膜系统能力的保护性能。这种结构修饰将生物聚合物基质从被动结构转变为主动结构，以防止病原体生长并维持产品更高的营养和理化性质。此外，这一创新可能有助于解决传统气液传输中因活性物质溶解度差和分解快而产生的问题。将这种气态空腔掺入生物聚合物基质利用了纳米气泡特殊的中空壳核结构来增加材料的稳定性和功能可用性。此外，气泡中的高内部压力和气液传质机制有助于根据产品的特定代谢需求，以足够量实现某些气体核心的受控释放。气态内含物作为内部结构调节剂，降低粘度并可能阻止蛋白质溶液中结构元素的聚集过程，从而实现涂层的均匀分布。此外，在生物聚合物网络中掺入此类气泡可以创建水分和气体扩散的曲折路径，以改善薄膜包装的阻隔性能。独特气体特性与生物聚合物的结合有助于开发具有优化结构稳定性和释放动力学的混合系统。这种材料科学与气泡技术的融合为解决机械不稳定性、传质和表面张力问题提供了一种新方法，以增强薄膜在水果表皮上的润湿性能。它还创造了一条生态友好的途径来改变食品界面的物理化学环境。这与现有解决传统薄膜相关问题（如过度水分传递和机械脆弱性）的方法相关联，通过胶体增强以获得更好的结果。此外，这种内含物的中空壳核构造使极其有效的传质成为可能，并且可以利用气液相互作用来控制新鲜农产品的呼吸速率。创建一个大气微环境的潜在控制系统有助于减少氧化应激并延缓农产品的衰老过程。因此，这项技术也弥合了薄膜阻隔性与活性成分可持续封装释放之间的差距。因此，先进的包装材料和系统通过优化可食用薄膜的水分和气体渗透性，最大限度地减少了与新鲜农产品保鲜相关的问题。这些新颖的组合代表了与传统涂层的重大突破，因为它们利用胶体科学来克服机械强度与气体阻隔潜在有效性之间长期存在的问题。这种方法可以创造“智能”包装，通过响应产品的采后环境来减少食品和采后损失，并减少化学和合成防腐剂的使用。通过从被动系统向这些更活跃的、气体调节结构的转变，MNB-BEC概念代表了一种弥合传统水胶体系统与基于纳米复合材料的更先进材料之间差距的尝试。
3.1. 气泡性质与特征
微泡和纳米泡的特点在于其流体动力学尺寸范围。微泡介于10到50微米之间，而纳米泡小于1微米，导致高的表面积与体积比。MNB的稳定性不应仅仅归因于高表面电荷或zeta电位。气泡稳定性是一个多因素性质，受气泡尺寸分布、气体组成、溶解气体浓度、pH值、离子强度、温度、溶解有机物、表面活性剂、聚合物组成、粘度、界面流变性以及气泡生成方法的影响。Zeta电位可以提供关于气泡界面静电特性的有用信息，但不应用作生物聚合物配方中气泡持久性的独立预测因子。因此，在MNB-BEC系统中，聚合物基质内气泡的稳定性预计将同时取决于气泡界面特性和气泡-聚合物相互作用，并需要实验验证。相应地，分散状态下高幅度的zeta电位不应自动被解释为掺入生物聚合物涂层后长期稳定性的证据。与MNB-BEC开发相关的参数是分散气相在混合、涂层沉积、干燥和后续储存整个过程中的保留和结构完整性。纳米气泡的“自加压”行为已在拉普拉斯压力、气体溶解和界面现象的背景下进行了讨论；然而，体相纳米气泡表观长期稳定性的机制仍在积极研究中。任何提出的活性氧物种形成也应被认为是气体和工艺依赖性的，而非所有MNB的内在结果。这些气泡的存在有助于通过创建曲折路径来改善薄膜的阻隔性能，该路径可以防止过多的水分和氧气损失。由于这些气泡的大比表面积，可以制成具有可调孔隙率的复合薄膜，作为先进的“气体开关”，根据园艺产品的需求调节O2和CO2交换。候选气体之间的功能区别已展示。MNB系统中的气体不应被视为彼此等效的试剂。这可能是由于受气体溶解度、氧化还原反应、浓度、接触时间以及与食品基质相互作用影响的效果。在这种情况下，臭氧因其氧化性质而与氧气、二氧化碳和氢气截然不同。
3.2. 气泡生成方法
基于类似系统，可以假设这些气泡的生成是通过水力空化和加压饱和等方法进行的，这些方法利用局部剪切力和压降在液体前驱体中创建稳定的气态成核位点。使用超声辐射和基于膜的微滤可能为更好地控制气泡尺寸提供一条潜在途径，从而允许设计适合由生物聚合物制成的不同基质形态需求的气泡。基于类似系统，可以假设旋转装置也可用于受控剪切和气体引入以生成稳定气泡，而气相（如氧气、二氧化碳或臭氧）的选择对此类系统的功能性至关重要。使用充氧纳米气泡已被证明可以改变界面氧化还原条件，而含氢气泡可以作为可能防止氧化过程的清除剂。另一方面，臭氧化气泡利用其强氧化性质，破坏微生物的膜和酶功能，与被动抗菌材料相比呈现出显著进步。这种界面气体组成的控制可能允许使用智能生物聚合物网络形成动态屏障，克服与常规蛋白质和多糖涂层的水分敏感性和脆性相关的缺点。通过仔细操控气体填充结构，智能MNB-BEC系统可以智能地响应储存条件下的刺激，从而解决传统可食用薄膜中透气性和保护性之间的平衡。选择诸如膜灌注或压力控制电解等制造方法，可以潜在地操纵气泡群体，使其在不同食品加工条件（包括加热和机械应力）下保持稳定。
3.3. MNB-BEC系统中提出的活性化合物释放机制
活性化合物从MNB-BEC系统的释放可以通过多种互补机制发生。第一种是活性化合物通过聚合物基质扩散到其表面，然后进入周围食品基质。第二种机制可以是气泡溶解，此时气泡中溶解的气体转移到水相，从而减小气泡尺寸并改变基质结构。第三种机制是气泡破裂或坍塌，这会改变孔隙率和界面特性，并可能有助于活性化合物的暴露或释放。第四种机制是由于吸水导致聚合物溶胀，增加了聚合物链的流动性，从而增加了扩散路径。第五种机制是基质随时间降解，这将有助于释放包裹在聚合物基质中的活性化合物。第六种是外部刺激对聚合物-化合物相互作用、气泡稳定性、溶胀或基质结构的影响，从而提供刺激响应性释放。
3.4. MNB-BEC系统中的结构-性质关系
展示了微/纳米气泡与生物聚合物基涂层系统之间的结构与性质关系。微/纳米气泡的界面特性可以使用球形气泡的表面积与体积关系与其特征直径相关联：A/V = 6/d，其中A/V是表面积与体积比，d是气泡直径。因此，随着气泡直径减小，单位气体体积可用的界面面积增加，这为与较小气泡相关的高气液界面面积提供了理论基础。当考虑MNB配方中的气体溶解和界面传质过程时，这一关系尤为相关。通过聚合物涂层的气体传输可以使用菲克第一定律描述：J = -D * (dC/dx)，其中J是扩散通量，D是扩散系数，dC/dx代表穿过涂层的浓度梯度。在溶液-扩散框架下，气体渗透率可以表示为：P = D × S，其中P是渗透率，D是扩散系数，S是气体在聚合物基质中的溶解度系数。对于所提出的MNB-BEC系统，气泡的掺入可能会改变有效扩散路径、局部聚合物自由体积、气体-聚合物相互作用、气体溶解度和界面阻力。因此，气泡掺入可以改变有效扩散路径、局部溶解度和界面阻力，但不能先验地假设所得渗透率变化的方向和幅度。最终的传输行为预计取决于气泡尺寸和分布、气泡体积分数、连通性、干燥过程中的气泡保留或损失、聚合物结构、涂层厚度以及气体-聚合物相互作用。因此，MNB掺入对最终生物聚合物涂层渗透率的影响需要通过实验确定，而不是仅从MNB的高界面面积推断。
3.5. 阻隔功能与气体传递功能
将MNB掺入生物聚合物涂层可能会通过改变聚合物基质内的扩散路径或提供用于气体溶解/交换的气液界面来影响气体传输过程。这些效应应独立分析，不能假定MNB的掺入会同时增加阻隔性能和气体传递效率。
3.5.1. 阻隔性能
如果气泡在干燥的生物聚合物涂层中良好分散和整合，它们可被视为聚合物基质内的分散域，这可以破坏连续的扩散路径。因此，水蒸气或氧气等物质将被强制沿着更复杂的路径移动。分散的气泡域可能增加扩散路径的曲折度并降低扩散率，从而可能降低渗透率。然而，这种影响在很大程度上取决于最终的微观结构。如果气泡分散不好、过度集中、相互连接或在干燥过程中留下孔隙，它们可能只会形成优先传质通道并导致高渗透率。
3.5.2. 气体传递能力
在湿前驱体或气/液界面处，MNB由于其微小尺寸而具有相对较高的界面表面积。该界面可以实现气/液交换，包括气相在周围液体中的溶解。单位气体体积具有高气/液界面表面积的小气泡可能具有很高的气体溶解/交换潜力。注意：前驱体中的气/液传递并不总是意味着干膜中的高气体渗透性。这两个过程发生在不同的物理形态下，并遵循不同的原理。
3.5.3. 两种功能之间的联系
MNB-BEC不应被视为两种特性自动同时增长的系统，而应被视为平衡气体传递和阻隔功能的系统。引入微/纳米气泡对所得涂层中气体传输的后果应从两个不同且可能冲突的功能角度进行评估：涂层组合物中气液相之间的气体传质以及形成的干燥涂层的阻隔性能。一方面，在初始分散液中，MNB的高比界面面积可能促进气体在气相和液相之间的增溶和交换。另一方面，在薄膜形成和干燥后，保留且良好分散的气泡可以改变聚合物结构并增加扩散路径的曲折度，从而降低涂层的渗透性。同时，过量的气泡浓度、气泡合并、连接或干燥过程中的损失可能导致孔隙形成或优先路径，从而增加传质过程。因此，更好的气液传质和增加的阻隔性能不能被视为总是互补的现象。最终的传输性质预计将由气泡尺寸和体积分数、它们的分布和连通性、气体溶解度、聚合物密度、界面阻力、涂层厚度以及干燥过程中的保留情况决定。
3.6. 抗菌活性和ROS介导机制
MNB的抗菌作用应被视为气体和工艺特异性的，而非固有地归因于所有类型的MNB。这个过程可能取决于气体类型、气泡生成方法、工作条件、气泡尺寸、气泡浓度、气液界面性质、溶解气体浓度以及气泡周围介质的物理和化学性质。提出的机制可以表述如下：气体类型→气泡生成条件→气泡性质和气液界面→溶解气体和/或空化相关过程→活性氧物种生成→微生物细胞损伤→抗菌作用。负载臭氧的MNB是最具说明性的案例，因为臭氧是一种氧化剂，臭氧化MNB系统具有抗菌特性。活性氧物种如羟基自由基可以在臭氧MNB系统中，在气液界面反应以及气泡收缩或内爆过程中形成。这意味着臭氧化MNB的抗菌作用由臭氧的化学性质和MNB的气液界面性质共同决定。相比之下，含氧/空气的MNB可能影响氧气可用性，并在某些生理和化学条件或激活下引起ROS形成，但ROS的产生不能仅由MNB的存在来解释。新信息表明，纳米气泡的生物活性很大程度上取决于气体组分和工作条件。含二氧化碳的MNB可能通过二氧化碳溶解、pH变化、气体可用性和相应的物理化学效应影响微生物生长，而不诉诸共同的ROS途径。含氢的MNB可以从氧化还原和抗氧化效果的角度考虑，而不是作为抗菌剂。因此，在所提出的MNB-BEC系统中，抗菌活性应被视为一个需要通过特定的基于气体、基于工艺和基于基质的实验来检验的功能性假设，这些实验将检查溶解气体、ROS/氧化能力和微生物反应的影响。因此，来自MNB的抗菌活性应被视为气体和工艺特异性的，而非纳米气泡的固有特性。
4. 生物聚合物基可食用涂层
源自植物、动物和微生物来源的生物聚合物，如多糖、蛋白质和脂质/蜡，这些基质无毒且可生物降解。在这些材料中，壳聚糖因其成膜能力和天然抗菌特性而成为最有前途的主要生物聚合物之一。因此，壳聚糖可用于开发保护膜，这也可能在采后保鲜过程中控制微生物。海藻酸盐和果胶也适用，因为它们可以形成连续薄膜，并常用于可食用薄膜。淀粉提供良好的成膜、包封和乳化能力；然而，由于机械性能和阻隔能力较低，淀粉薄膜需要增强。类似地，多糖基薄膜是氧气和CO2的有效屏障，但由于其亲水性，对水蒸气的抵抗力可能较差。在基于微米和纳米气泡的涂层系统中，壳聚糖可以被视为主要的成膜聚合物基质，而海藻酸盐、淀粉或果胶可以被视为替代基质或共混聚合物。所选聚合物需要与气泡生成技术兼容，并确保涂层的均匀性、附着力、稳定性和可食性。此外，聚合物基质需要能够封装气泡并在不影响最终产品感官特性的情况下在涂层中分配活性成分。然而，此类薄膜的潜在有效性取决于气体和水分传递的调节。事实上，此类薄膜的限制性对于减少氧化和脱水是必要的。例如，基于多糖的涂层对O2和CO2具有渗透性，这对于减缓衰老过程至关重要，并可能影响内部气氛。MNB在生物聚合物可食用薄膜中的稳定性和截留可能受到涂层基质物理性质和成膜方法的影响。虽然聚合物粘度可以限制气泡运动和气泡间的碰撞，但过高的粘度可能会阻碍适当的气泡分散和涂层形成；表面张力和界面电荷预计会影响气泡的形成和聚结。这取决于基质，也可能受其他因素如聚合物浓度、pH值、离子强度、表面活性剂和其他成分的影响。甚至涂层过程本身也会影响气泡保持在涂层基质内的能力。浸渍通过浸涂、提拉和沥干进行。喷涂通过雾化和剪切完成，而浇铸则涉及溶剂蒸发和通过干燥增加基质浓度。所有这些过程都可能导致气泡的变化，如重新分布、溶解、聚结或坍塌。因此，初始溶液中的MNB稳定性并不能保证最终干燥涂层薄膜内的稳定性，并且应在涂层形成前后都对气泡尺寸分布/浓度进行表征。从工业角度来看，使用可食用涂层的其他考虑因素包括成分和生产成本、一致性、涂层厚度控制、感官可接受性、法规以及与现有设备的兼容性。这些表明MNB-BEC的开发需要同时优化上述所有方面，而不仅仅是气泡稳定性本身。
5. MNB-BEC集成的理由
将微/纳米气泡集成到生物聚合物基可食用薄膜中有助于克服传统薄膜的某些缺点，例如缺乏水稳定性和活性抗菌剂递送欠佳。由于它们的掺入，基质允许被包裹物质的延长释放，并可能通过提供对水分敏感性的保护来改善其阻隔性能，而这通常是淀粉和多糖基薄膜的问题。现有文献表明，生物聚合物是高效的气体交换调节剂，但缺乏机械稳定性和创建水分屏障以保护高度易腐产品的能力。将气泡引入聚合物基质会产生另一相，用作结构稳定剂，导致水分扩散路径的曲折度增加。此外，结构内部的气泡创建了内部屏障，破坏了多糖基质的晶体结构，从而使涂层更具柔韧性。所提出的MNB-BEC设计并不意味着活性化合物固有地位于气泡的气相中。活性组分的位置可能取决于设计方法，位于聚合物基质中、气泡-聚合物界面处，甚至靠近内部气体结构的聚合物相区域。因此，MNB的功能可能涉及界面层性质的修改、聚合物基质的微观结构、释放途径或水诱导转移，但MNB不一定充当活性化合物的储库。化合物的释放可能由于通过聚合物基质的扩散、聚合物材料的松弛、气体溶解或气泡坍塌、从界面层的解吸以及基质的逐渐降解而发生。相对湿度、温度、pH值和渗透压也可能影响这些过程。目前针对MNB-BEC设计提出的这种释放机制方法需要通过释放动力学研究、显微镜、迁移和扩散建模进行验证。将MNB掺入递送载体可以提供一种微观结构，通过气泡-聚合物相互作用和对基质的修饰来实现活性剂的受控分布和传输。重要的是，生物活性化合物的保护和刺激触发释放对于MNB-BEC来说仍只是假设，并且pH值、渗透压、湿度和温度的改变可能会影响气泡稳定性、聚合物水合、界面相互作用和扩散途径；必须通过实验研究这种影响的程度。在生物聚合物基可食用涂层中使用MNB的理由是在涂层中加入一个额外的气液界面，该界面会影响结构、气体传递、界面相互作用和功能化合物的分布，而不是仅仅加入另一种活性化合物。尽管如此，MNB的掺入可能导致负面后果，例如加工过程中气泡聚结/坍塌、形成孔隙或优先扩散路径、机械强度下降、涂层结构不均匀、干燥过程中气体损失以及与加工相关的额外成本。因此，关键假设是MNB的掺入会导致生物聚合物基可食用涂层的结构、阻隔、机械、气体传递和释放性质相对于不含MNB的相同涂层发生显著差异，差异程度受MNB尺寸和浓度、气体组成、聚合物基质、涂布方法和储存条件的影响。零假设H0：含有MNB的涂层和不含MNB的涂层在性质或采后表现上没有显著差异。验证将涉及一个顺序过程：(i) MNB的生成和表征，(ii) 聚合物-气泡系统相容性和稳定性的研究，(iii) 涂层生成和气泡保留评估，(iv) 涂层形貌、厚度、机械和阻隔性能的表征，(v) 药物负载和递送研究，最后(vi) 在特定储存条件下对选定果蔬进行MNB-BEC验证，随后进行感官、安全、可扩展性和经济性评估。由于关于MNB的现有证据在液态食品和工艺方面比在干燥生物聚合物涂层方面更有说服力，因此MNB-BEC的拟议作用，包括增强的阻隔行为、控释、抗菌效果和延长的货架期，应被视为假设。
6. MNB-BEC系统的表征与功能
对这些系统的评估需要最先进的分析方法，如纳米颗粒追踪分析和冷冻扫描电子显微镜，以确定生物聚合物基质中的气泡尺寸分布和界面形貌。此外，MNB-BEC系统中结构-功能关系的研究需要流变学和机械应力测试，以确保分散气相的存在可以提高拉伸强度和阻隔效率，而不牺牲薄膜的粘弹性。标准化协议对于执行可重复的比较评估、测量分散均匀性和气体传递效率，从而评估这些系统在不同条件下的稳定性是必要的。基准的制定将有助于实验室规模原型进一步投入工业应用，并帮助满足市场对清洁标签保鲜技术日益增长的需求。进一步研究应侧重于评估这些系统对不同水果品种的潜在有效性，以证明通过抗氧化剂释放抑制水果氧化过程在长期储存期间是有效的。通过研究物理化学表征和氧化稳定性测试，该理论框架有助于填补关于复杂食品基质中生物活性递送效率的现有研究空白。这种方法将有助于建立一种标准化的方法来配制“一般认为安全”的生物活性载体，这些载体具有必要的机械强度，并可能增强保存食品的功能性。尽管如此，MNB-BEC概念在薄膜形成过程中的气泡保留、气泡结构与气体/水分渗透性之间的关系、气体特异性功能、活性化合物释放、长期稳定性、感官接受度、安全性和工业可扩展性方面仍然存在很大的不确定性。这些不确定性强调了在进行任何性能或货架期效益被认为确立之前，需要进行系统的实验验证。
6.1. 结构表征
在此背景下，显微镜，特别是冷冻扫描电子显微镜，对于确定气泡在聚合物基质中的空间分布和形貌起着关键作用。光谱学研究，例如使用傅里叶变换红外光谱，用于验证气泡-涂层相互作用并根据官能团振动的变化确认其有效性，这是气体适当界面稳定的标志。此外，需要对这种新型复合材料进行流变学评估，以评价其粘弹性和结构稳定性，从而为高性能包装薄膜提供足够的机械性能。稳定的基准对于克服实验室规模生物聚合物薄膜的可重复性问题至关重要。此外，鉴于活性包装基质的最新进展，建议在模拟储存条件下进行严格的稳定性测试。经验验证对于应对生物聚合物基屏障因其无法具备所需柔性结构而存在的局限性所带来的挑战非常重要。该概念模型可作为通过利用MNB-BEC相互作用来提高活性包装有效性的潜在有效指南。
6.2. 稳定性剖析
研究这些生物聚合物薄膜中气泡随时间的持久性非常重要，因为这些截留气体的逐渐融合或扩散可能极大地影响涂层作为潜在有效保护屏障的能力。因此，使系统经受不同的环境应力（如温度和相对湿度变化）以观察这些因素对涂层内部气泡结构的影响至关重要。对不同储存环境中这些MNB-BEC系统货架期的前瞻性研究对于确保薄膜的结构质量不受气泡氧化损伤或气泡气体损失的影响非常重要。将这些结构变化与薄膜的气体渗透性联系起来，对于确定活性包装的潜在有效性至关重要。此外，将这些发现整合到标准化的元数据报告和单位协调中，正如最近关于屏障系统可持续性研究所呼吁的那样，将能够更好地与行业相关包装进行比较。此外，未来的研究必须包括实时应用，通过测试包装材料在减少整个供应链腐败方面的性能来验证这些发现。此外，还需要研究包装系统中活性剂的迁移及其在实时应用下的稳定性。
6.3. 薄膜形成和干燥过程中气泡的命运
MNB在薄膜形成和干燥过程中可能经历不同的物理变化，这取决于聚合物基质的性质和干燥条件。MNB有四种可能的命运。气泡保留：气泡保留在聚合物基质中，成为干燥薄膜结构的一个组成部分。气泡溶解：气泡中包含的气体溶解在水相中，并可能在薄膜干燥过程中释放，导致气泡消除。气泡迁移：在水分蒸发和薄膜结构变化过程中，气泡可以迁移到涂层表面或任何其他低阻力区域。气泡破裂/合并：气泡可能在薄膜干燥过程中破裂、合并和聚结，导致薄膜中形成一些孔隙。因此，干燥薄膜的最终形貌和气泡分布取决于几个参数，包括聚合物溶液的浓度和粘度、气体溶解度、气泡尺寸分布、蒸发速率、干燥温度、相对湿度、表面润湿性和界面稳定性。
6.4. MNB-BEC的功能
MNB-BEC技术的主要工作原理可能依赖于气体渗透性和生物活性化合物释放的受控管理，以影响新鲜果蔬的代谢环境。微/纳米气泡提供高界面表面积，有助于提高天然抗氧化涂层的溶解度和传质，从而实现对不同商品所需的释放动力学的更好管理。通过这种方式，这两种原理都提供了通过优化气体交换来防止采后老化的潜在有效手段，并可能防止易腐果蔬的内部褐变。此外，使用这种气态界面精确调节呼吸条件，可能通过减少乙烯引起的成熟，成为延长高度易腐产品货架期的潜在有效方法。它还可以作为一个自适应屏障，通过气泡的存在确保针对氧化和酶促降解的最大屏障质量。
6.4.1. 生理调节
这种气态屏障的整合有助于调节商品周围的气氛，从而有助于抑制呼吸速率和乙烯形成。这些屏障通过控制氧气传递帮助创造改变的气氛，并可能防止跃变型果实的氧化应激和酶促褐变。此外，这些组合屏障可能有助于防止与衰老相关的代谢产物形成，这有助于保持新鲜产品的结构。
6.4.2. 货架期延长
将微/纳米气泡整合到生物聚合物基质中可以调节内部气体氛围，从而防止成熟过程并减少果蔬因衰老引起的品质损失。MNB-BEC系统可以改善薄膜的水分和气体阻隔性能，并且比传统包装更具功能性。
7. 概念贡献
先前的研究已经证明，纳米气泡介导的加工技术可以影响生物聚合物基薄膜系统。例如，研究了通过纳米气泡水处理将百里酚负载的玉米醇溶蛋白纳米粒子分散在明胶薄膜中；结果显示对纳米粒子的分散、分子间相互作用、机械性能和水蒸气渗透性有影响。因此，本研究的创新之处不在于首次将纳米气泡相关系统引入生物聚合物薄膜系统。创新之处在于将气泡特性、气体化学、界面现象、传输机制、活性释放和采后保鲜统一整合到一个MNB-BEC模型中。本研究提出了一个概念框架，将微/纳米气泡介导的界面和气体传递现象整合到用于采后应用的生物聚合物基可食用涂层中。该提出的框架旨在将微/纳米气泡掺入生物聚合物基可食用涂层中，从而为动态的、界面介导的保鲜创造新的理论基础。该提出的概念为解决传统包装和化学防腐剂的当前问题提供了一条潜在途径。它通过提供一种超越静态和被动涂层的方法，使环境调节成为可能。因此，通过在气泡介导的气体调节和可持续屏障之间建立联系，这个理论模型在推动脱离现有包装方面变得至关重要。未来的实证工作将集中于研究MNB-BEC在不同湿度和温度水平下的界面稳定性，从而克服该主题理论与实践之间的差距。
8. 新颖性与未来展望
MNB-BEC的创新之处在于它们从传统的屏障材料演变为活性界面材料，可以在微米和纳米尺度上调节采后微环境。这种创新方法通过利用气液界面效应来控制传质、改善阻隔功能和增加新鲜农产品的货架期，带来了从传统包装到活性包装技术的转变。关于生物包装材料的发展，MNB-BEC技术有助于克服多功能涂层中机械性能与气体-水分阻隔性能之间的权衡。将微米和纳米气泡整合到生物聚合物中带来了一种创新的结构和功能策略，其中气体界面被用来影响涂层结构和传输性质。未来的研究需要致力于理解气泡界面与生物聚合物网络之间的相互作用及其对活性物质负载、稳定性和释放速率的影响。流体动力学、胶体、聚合物和食品科学的结合可以进一步帮助优化气体加载过程和开发可扩展的MNB-BEC系统。这些发展可能导致发现石油衍生塑料包装的可生物降解替代品。对MNB-BEC开发过程的研究前景应基于实时应用的严格验证。因此，未来的研究需要超越目前实验室规模的MNB-BEC表征阶段，转向使用真实新鲜农产品研究该系统，并对其潜在有效性、稳定性、安全性、迁移问题、法规和可扩展性进行适当评估。在这方面，需要研究MNB-BEC在不同温度和相对湿度水平下的稳定性及其与保鲜性能的相互关系。总的来说，MNB-BEC方法似乎是一个有趣的多学科概念，结合了胶体科学、气液界面工程和食品包装。实际上，用可食用涂层替代传统包装——从被动屏障到主动屏障——可能为开发可生物降解和多功能的包装技术提供一条途径，这将有助于减少与传统塑料包装相关的采后损失问题。
9. 结论
在开发生物聚合物基可食用薄膜中使用微米和纳米气泡是为创建新颖且可持续的采后保鲜系统的一种潜在方法。微/纳米气泡可以改变生物聚合物薄膜的结构、界面、机械、气体传递和水分阻隔性能，并为生物活性化合物的封装及其可持续释放提供了前景。微/纳米气泡的大比表面积、界面和气体传递能力可能有助于更好地管理新鲜农产品周围的氧气、二氧化碳和其他气体，从而降低呼吸速率、延迟乙烯产生，并可能防止微生物降解。使用MNB-BEC系统将有可能在传统的被动涂层和更先进的、对气体敏感且具有生物活性的涂层之间创建一种中间状态。气泡表面的协同效应和生物聚合物的相互作用可能能够解决传统包装中机械屏障差和活性物质释放不受控制的问题。尽管如此，需要注意的是，所提出的技术是一个新概念，尚未与生物聚合物集成开发。然而，所提出的MNB-BEC概念可能会遇到一些技术和科学挑战。首要问题可能与纳米气泡在混合、沉积、应用、干燥和储存过程中的稳定性和保留有关，这可能会因微/纳米气泡的溶解、移动和破裂而发生变化或受到影响。微/纳米气泡尺寸、浓度、分布的相互依赖性导致的机械阻力、水分和气体目前难以预测。活性化合物和气体的控释需要受控的动力学和扩散研究。此外，抗菌活性取决于所使用的气体类型和工艺，不能外推到其他MNB组成。取决于温度和相对湿度条件的长期稳定性，以及活性成分的迁移和安全性，都需要系统地评估。大规模生产和将MNB均匀包含到涂层基质中也可能会引发问题。因此，未来需要进行研究和实验调查、法规和经济评估以验证这项提议的技术。
