《Foods》：Low-Temperature Transcriptional Responses in Selected pESI-Positive Salmonella Infantis Isolates with Contrasting Antimicrobial Resistance Phenotypes: An Exploratory Study
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采后损失是粮食安全面临的巨大问题，占果蔬腐败损耗的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替代材料具有潜力，但由于其阻隔性能和力学性能较差以及活性组分释放不可控，实际应用仍受到限制。因此，本文提出的微/纳米气泡集成生物聚合
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采后损失是粮食安全面临的巨大问题，占果蔬腐败损耗的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替代材料具有潜力，但由于其阻隔性能和力学性能较差以及活性组分释放不可控，实际应用仍受到限制。因此，本文提出的微/纳米气泡集成生物聚合物可食涂层（MNB-BEC）框架建立在纳米气泡辅助生物聚合物膜的新兴研究基础之上，并将这些发现拓展至更广泛的采后可食涂层概念框架，以最大限度地减少食品损失。本研究聚焦于微/纳米气泡集成生物聚合物可食涂层作为先进采后保鲜的创新策略。该概念强调微/纳米气泡在生物聚合物基涂层中的物理化学性质、高比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。生物聚合物与微/纳米气泡的集成可能有助于增强膜的阻隔性、力学性能、结构性能和热性能。此外，对气体（包括臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）、氧气（O2）和乙烯）水平的调控可形成抗菌环境，通过延缓氧化应激、水分损失和呼吸速率来减少微生物腐败并维持产品的理化性质和消费者可接受性。创新概念和假设聚焦于MNB-BEC、气泡形成技术、插入气体类型、生物聚合物及其表征技术和应用。本文还讨论了该技术面临的主要挑战，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、气液界面和可食涂层技术的发展，本概念为MNB-BEC作为可持续多功能包装系统提供了一个综合性的概念框架。
论文主体内容学术总结
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。联合国粮农组织数据显示，果蔬在采后至零售环节的损失率从2015年的23.2%上升至2023年的25.4%。微生物腐败和机械物理损伤是采后损失的主要因素，占整个供应链损失的40%。尽管改性气氛包装、可控气氛包装、可食/复合包装和智能包装等策略已被用于果蔬采后品质保持，但基于天然生物聚合物（多糖、蛋白质、脂质/蜡及其复合材料）制备的可食涂层因其阻隔性能和生物可降解性而成为控制呼吸和水分损失的有效方案。然而，传统天然生物聚合物涂层常存在果蔬表面覆盖性差和生物活性化合物递送能力不足的问题。微/纳米气泡（MNB）作为一种气/液体系，因其小尺寸能够提供更高的气/液界面面积，影响气体溶解、传质和水性体系的物理化学性质。将MNB与生物聚合物集成的创新概念旨在改善可食涂层和膜的功能特性，并实现生物活性化合物的可持续或受控释放。该集成方法利用MNB潜在的高效气体传递特性来优化生物聚合物膜的结构和功能。本文提出的MNB-BEC系统考虑了微/纳米气泡特性（尺寸分布、界面性质、气体组成/数量）对生物聚合物基涂层物理、结构和传质性能的影响，并假设这些效应在很大程度上取决于聚合物化学性质、干燥过程中的微泡保留、界面稳定性和储存条件。此外，本文提出了特定气体对采后微环境调控的作用以及可能的抗菌作用机制和活性化合物释放机制。由于缺乏对集成MNB-BEC系统的充分实验验证，这些关系被表述为假设和研究方向。本文还提出了可检验的假设，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掺入改变最终涂层的有效气体和水分传递性能，但该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。
2. 新颖概念概述
MNB-BEC平台利用气泡负载材料作为活性剂释放的递送系统，为采后保鲜提供创新解决方案。气体的掺入改善并改变了其高效传质性能和界面特性。MNB-BEC技术能够创建动态屏障以改善内部气氛，从而抑制微生物生长，并可能实现延长货架期和维持采后品质的环保方法。该概念探索了气体负载微腔在可食生物聚合物基质中的功能及其对溶质负载和薄膜形成的贡献。通过优化气泡浓度和尺寸分布，该技术可能克服附着力差和涂层厚度不一致的问题。气泡-生物聚合物相互作用的独特改性改善了新型活性包装所需的机械强度和水分阻隔效率。气态纳米球的高比表面积和独特电荷分布可能有助于改善界面相互作用。该方法通过在结构空隙中精确稳定气态活性组分，解决了气体挥发性问题——这是传统包装技术有效性受限的因素。因此，MNB-BEC方法提供了一条超越被动成膜的途径，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。
3. 微/纳米气泡技术：性质、功能、气泡生成方法及气体与机制
微气泡和纳米气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，其尺寸通常在几十纳米到几微米之间。这些性质使其能够在液体介质中长期存在，并有利于活性物种的形成，从而有助于微生物抑制。Zeta电位可提供前体分散液中胶体稳定性和静电相互作用的信息，但不应被解释为干燥MNB-BEC中粘附或力学增强的直接证据。气体包含物的固有浮力和特殊表面电荷使其可作为多糖和蛋白质基体中的增强材料，从而避免传统生物聚合物膜的渗透性限制。气体在涂层中的掺入可将其形态结构转变为能够控制传质速率并防止产品腐败的复杂胶体体系。气泡的高内部压力和气液传质机制有助于实现特定气体核的受控释放，其释放量足以满足产品特定的代谢需求。
3.1 气泡性质与特征
微气泡尺寸范围在10至50 μm之间，而纳米气泡小于1 μm，具有高表面积与体积比。MNB稳定性不应仅归因于高表面电荷或Zeta电位，而是一个受气泡尺寸分布、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、界面流变性和气泡生成方法等多因素影响的综合性质。在MNB-BEC系统中，气泡在聚合物基质中的稳定性预计取决于气泡界面特性和气泡-聚合物相互作用，需要实验验证。不同候选气体的功能差异显著，臭氧因其氧化性质而区别于氧气、二氧化碳和氢气。
3.2 气泡生成方法
基于类似系统可以假设，气泡生成采用水力空化和加压饱和方法，利用局部剪切力和压降在液体前体中建立稳定的气态成核位点。超声辐射和基于膜的微滤可能为气泡尺寸控制提供潜在途径。旋转装置也可用于受控剪切和气体引入以生成稳定气泡，气体相的选择（如氧气、二氧化碳或臭氧）对此类系统的功能至关重要。充氧纳米气泡已被证明可改变界面氧化还原条件，而含氢气泡可作为防止氧化过程的清除剂。臭氧化气泡利用其强氧化性质破坏微生物的膜和酶功能。通过仔细操控气体填充结构，智能MNB-BEC系统可以在储存条件下对刺激做出智能响应。
3.3 MNB-BEC系统中活性化合物的释放机制
活性化合物从MNB-BEC系统的释放可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至其表面然后进入周围食品基质；第二种是气泡溶解，即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；第三种是气泡破裂或塌缩，改变孔隙率和界面特性，可能有助于活性化合物的暴露或释放；第四种是聚合物因吸水而溶胀，增加聚合物链的流动性，从而增加扩散途径；第五种是基质随时间降解，有助于释放包埋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，提供刺激响应性释放。
3.4 MNB-BEC系统中的结构-性能关系
微/纳米气泡的界面特性可通过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，这为较小气泡相关的高气液界面面积提供了理论基础。气体通过聚合物涂层的传输可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表示涂层上的浓度梯度。在溶液-扩散框架下，气体渗透率可表示为：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MNB-BEC系统，气泡的掺入可能改变有效扩散路径、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。然而，气泡掺入对最终涂层渗透率的影响方向和幅度不能先验假设，需要通过实验确定。
3.5 阻隔功能与气体传递功能
微/纳米气泡集成到生物聚合物涂层中可能通过改变聚合物基质内的扩散路径或提供气液界面进行气体溶解/交换来影响气体传输过程。在阻隔性能方面，如果气泡在干燥的生物聚合物涂层中分散并适当集成，可被视为聚合物基质中的分散域，从而破坏连续扩散路径，迫使水蒸气或氧气沿更复杂的路径移动，增加扩散路径的弯曲度并降低扩散系数，从而可能降低渗透率。然而，如果气泡分散不良、过度集中、相互连接或在干燥过程中留下孔隙，则可能形成优先传质通道并导致高渗透率。在气体传递能力方面，湿前体或气液界面处的MNB因其微小尺寸而具有相对较高的界面表面积，可实现气液交换。但前体中的气液传递并不总是意味着干膜中的高气体渗透率，这两个过程发生在不同的物理形态下并遵循不同的原理。MNB-BEC不应被视为两个特性同时自动增长的系统，而是平衡气体传递和阻隔功能的系统。
3.6 抗菌活性和ROS介导机制
MNBs的抗菌作用应被视为气体和过程特异性的，而非固有归因于所有类型的MNB。该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。提出的机制可表示为：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（ROS）生成→微生物细胞损伤→抗菌作用。载臭氧MNB是最具代表性的案例，因为臭氧是氧化剂，臭氧化MNB系统具有抗菌特性。相比之下，含氧/空气的MNB可能影响氧气可用性，并在特定生理和化学条件下引起ROS形成，但ROS的产生不能仅由MNB的存在来解释。含二氧化碳的MNB可通过二氧化碳溶解、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。含氢MNB可从氧化还原和抗氧化效应角度考虑，而非作为抗菌剂。
4. 基于生物聚合物的可食涂层
生物聚合物如多糖、蛋白质和脂质/蜡来源于植物、动物和微生物，这些基质无毒且可生物降解。壳聚糖因其成膜能力和天然抗菌性能而成为最有前景的主要生物聚合物之一。海藻酸盐和果胶也可形成连续膜，常用于可食膜。淀粉具有良好的成膜性、封装和乳化能力，但基于淀粉的膜因力学性能和阻隔能力低而需要增强。多糖基膜是有效的氧气和二氧化碳阻隔层，但由于其亲水性而对水蒸气的抵抗力较差。在MNB-BEC系统中，壳聚糖可作为主要聚合物基质，而海藻酸盐、淀粉或果胶可作为替代基质或共混聚合物。MNB在生物聚合物可食膜中的稳定性和包埋可能受涂层基质的物理性质和成膜方法的影响。浸涂、喷涂和流延等涂布过程本身也可能影响气泡在涂层基质中的保留能力。从工业角度看，可食涂层的使用还需考虑成分和生产的成本、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。
5. MNB-BEC集成的理论基础
微/纳米气泡在生物聚合物基可食膜中的集成有助于克服传统膜的一些缺陷，如水分稳定性不足和活性抗菌剂递送欠佳。气泡掺入聚合物基质产生另一个相，作为结构稳定剂，增加水扩散路径的弯曲度。气体气泡在结构内部形成内部屏障，破坏多糖基质的晶体结构，从而使涂层更具柔韧性。MNB-BEC设计并不暗示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，可位于聚合物基质中、气泡-聚合物界面处，或邻近气态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改性、聚合物基质的微观结构、释放途径或水诱导传递，但MNB不一定作为活性化合物的储库。关键假设是MNB的掺入导致生物聚合物基可食涂层的结构、阻隔、力学、气体传递和释放性能相对于不含MNB的相同涂层产生显著差异，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。
6. MNB-BEC系统的表征与功能
6.1 结构表征
冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）在确定气泡在聚合物基质中的空间分布和形态方面起关键作用。傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于验证气泡-涂层相互作用，基于官能团振动变化确认气体的界面稳定化。流变学评估用于评价新型复合材料粘弹性和结构稳定性，以提供高性能包装膜足够的力学性能。
6.2 稳定性分析
气泡在这些生物聚合物膜中长期存在的研究非常重要，因为包埋气体的逐渐融合或扩散可能极大地影响涂层作为有效保护屏障的能力。因此，必须使系统承受不同的环境应力，如温度和相对湿度变化，以观察这些因素对涂层内气泡结构的影响。对MNB-BEC系统在不同储存环境中的货架期进行前瞻性研究，以确保膜的结构质量不受气泡氧化损伤或气泡气体损失的影响。
6.3 成膜和干燥过程中气泡的归宿
MNB在成膜和干燥过程中可能经历不同的物理变化，取决于聚合物基质的性质和干燥条件。气泡有四种可能的归宿：气泡保留——气泡被截留在聚合物基质中并成为干膜结构不可分割的部分；气泡溶解——气泡中的气体溶解在水相中并可能在膜干燥过程中释放，导致气泡消除；气泡迁移——在水分蒸发和膜结构变化过程中，气泡可能迁移到涂层表面或其他低阻力区域；气泡破裂/合并——气泡在膜干燥过程中可能破裂、合并和聚结，导致膜中形成孔隙。因此，干膜的最终形态和气泡分布取决于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等多个参数。
6.4 MNB-BEC的功能
6.4.1 生理调控
气体屏障的集成有助于调节商品周围的气氛，从而抑制呼吸速率和乙烯形成。这些屏障通过控制氧气传递创造改变的气氛，可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衰老相关代谢物的形成，有助于维持新鲜产品的结构。
6.4.2 货架期延长
微/纳米气泡在生物聚合物基质中的集成能够调控内部气体气氛，从而防止成熟过程并减少果蔬衰老引起的品质损失。MNB-BEC系统可改善膜的水分和气体阻隔性能，比传统包装更具功能性。
7. 概念贡献
先前研究已证明纳米气泡介导的加工技术可以影响生物聚合物基膜系统。本研究的创新不在于首次在生物聚合物膜系统中引入纳米气泡相关系统，而在于将气泡特性、气体化学、界面现象、传输机制、活性释放和采后保鲜概念性地整合到一个统一的MNB-BEC模型中。该框架旨在将微/纳米气泡介导的界面和气体传递现象整合到生物聚合物基可食涂层中用于采后应用，为动态、界面介导的保鲜创造新的理论基础。
8. 新颖性与未来展望
MNB-BEC的创新在于其从传统阻隔材料向活性界面材料的演变，能够在微纳尺度调控采后微环境。该创新方法通过操控气液界面效应来控制传质、改善阻隔功能并延长新鲜产品的货架期。未来研究需要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进一步帮助优化气体负载过程和开发可扩展的MNB-BEC系统。未来研究需要超越实验室规模表征阶段，转向使用真实新鲜产品研究该系统，并适当评估其有效性、稳定性、安全性、迁移问题、法规和可扩展性。
9. 结论
微/纳米气泡在生物聚合物基可食膜开发中的应用是创建新型可持续采后保鲜系统的潜在方法。微/纳米气泡可以改变生物聚合物膜的结构、界面、力学、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前景。然而，该技术仍面临若干技术和科学挑战。主要问题涉及微/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性。气泡尺寸、浓度和分布的相互依赖性对力学强度、水分和气体性能的影响目前难以预测。活性化合物和气体的受控释放需要受控的动力学和扩散研究。抗菌活性取决于所用气体类型和工艺，不能外推至其他MNB组成。需要系统评估不同温度和相对湿度条件下的长期稳定性以及活性成分的迁移和安全性。大规模生产和MNB在涂层基质中的均匀掺入也可能引发问题。因此，未来需要进行研究实验调查、法规和经济评估以验证该技术。
