《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Optimisation of CMC–Chitosan Edible Coatings Using Response Surface Methodology and Their Effect on Banana Quality Stored at Retail Conditions
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<摘要翻译>
香蕉果实因其在常温储存条件下快速的失水、较高的呼吸速率以及加速的后熟作用而极易腐烂，从而导致大量的采后损失。可生物降解的可食性涂膜通过延缓理化劣变，为延长货架期提供了一种可持续的方法。本研究采用响应面法（RSM），优化用于香蕉保鲜的复合可食性涂膜
<摘要翻译>
香蕉果实因其在常温储存条件下快速的失水、较高的呼吸速率以及加速的后熟作用而极易腐烂，从而导致大量的采后损失。可生物降解的可食性涂膜通过延缓理化劣变，为延长货架期提供了一种可持续的方法。本研究采用响应面法（RSM），优化用于香蕉保鲜的复合可食性涂膜中羧甲基纤维素（CMC）和壳聚糖的浓度，储存条件为模拟零售及家庭储存的常温环境。研究人员采用中心复合旋转设计，评估了CMC和壳聚糖浓度对pH值、总可溶性固形物（TSS）、水分含量、干物质、硬度及生物屈服点的影响。两种聚合物均显著影响香蕉的品质属性，且在实验范围内观察到了明显的非线性响应。数值优化确定了一个最优配方，其包含0.375%壳聚糖和0.368% CMC，综合期望值为0.78。与未涂膜的对照组相比，经优化涂膜处理的香蕉在常温储存期间表现出延迟的果皮颜色变化、更低的失重率、减少的糖分积累、更强的组织变形抗性以及更缓慢的后熟进程。15天后，涂膜香蕉的TSS（2.1°Brix）显著低于未涂膜果实（7.4°Brix），且具有更高的生物屈服点值（1915 N对1470 N）。主成分分析基于综合理化特性清晰地区分了涂膜和未涂膜样品，证实了优化涂膜在调节后熟方面的有效性。综上所述，研究结果表明，对CMC–壳聚糖可食性涂膜进行系统优化可有效延长香蕉在常温条件下的货架期，为零售和家庭应用提供了一种低成本且环境友好的采后策略。
<论文解读>
**一、研究背景与问题提出**
香蕉（*Musa* spp.）作为全球最重要的热带水果之一，因其风味和营养价值而广受欢迎。然而，香蕉属于呼吸跃变型果实，采后后熟迅速，且对环境胁迫高度敏感，极易发生机械损伤、微生物侵染和水分流失，导致整个价值链上产生严重的经济损失和资源浪费。传统的保鲜技术，如乙烯拮抗剂、低温储藏、气调储藏等，虽有一定效果，但往往存在成本高、能耗大或可能涉及化学残留等问题。在此背景下，可食性涂膜作为一种低成本、环境友好且安全的物理屏障技术，受到了越来越多的关注。它通过调节气体交换、减少蒸腾作用并延缓生化劣变，成为合成包装的可持续替代方案。
在众多生物聚合物中，壳聚糖和羧甲基纤维素（CMC）因其可生物降解、无毒性及良好的成膜性而展现出显著的应用潜力。壳聚糖具有良好的成膜性和气体调节能力，而CMC则提供柔韧性和阻湿性。理论上，二者复合可产生协同效应，提升涂膜整体性能。然而，已有研究大多集中于单一聚合物，关于二者复合应用的报道较少，且仅有的复合研究也多采用预先设定的配方，缺乏系统性的浓度优化。涂膜的效果高度依赖于聚合物浓度，因其直接影响溶液粘度、气体透过性和膜结构。浓度过低可能导致保护不充分，过高则可能形成过厚涂层，阻碍气体交换，反而不利于保鲜。因此，亟需采用系统化的优化方法来确定最佳配比，以平衡多重品质属性。
**二、研究目标与意义**
本研究旨在应用响应面法（RSM）系统性地优化CMC与壳聚糖复合可食性涂膜的浓度配比，并评估其在模拟零售和家庭储存环境（常温，20°C ± 2°C）下对香蕉采后品质的保持效果。通过将RSM与一系列理化分析及多变量分析（主成分分析PCA）相结合，研究人员希望确定能够同时优化多个与货架期和品质相关属性的涂层配方，从而为香蕉产业提供一种科学有效、经济可行的采后保鲜策略。这项研究的意义在于，它超越了传统的单因素或试错法，提供了一种可量化、可预测的优化方法，并为复合涂膜在呼吸跃变型水果上的应用提供了实证依据。
**三、关键技术方法**
研究人员采用了中心复合旋转设计（CCRD），包含两个因素（CMC和壳聚糖浓度），五个中心点，旋转常数α=1.414，总共进行26次实验，以构建二阶多项式回归模型。实验中使用的绿色未成熟香蕉果实采购自英国伦敦斯皮塔佛德市场（Spitalfields Market）。具体方法包括：采用溶剂浇铸法制备涂膜液，将香蕉浸涂后于35°C脱水器中干燥约20分钟，随后储存于实验室工作台上的纸板箱中，模拟常温零售条件储存15天，并在第0、5、10、15天取样测定。关键响应变量包括pH、总可溶性固形物（TSS）、水分含量、干物质、硬度和生物屈服点，均依据标准方法测定。此外，还测定了总酚含量（TPC）、总黄酮含量（TFC）和DPPH自由基清除活性。模型通过方差分析（ANOVA）和R2值进行验证，最优配方通过期望函数法确定，并采用主成分分析（PCA）对涂膜与未涂膜样品进行区分。统计学分析通过Minitab 24.0和SPSS 22.0完成。
**四、主要研究结果**
**（1）响应面建模与数值优化**
* **CMC和壳聚糖对理化响应变量的影响**：两种聚合物对所有测得的响应变量均有显著影响。增加聚合物浓度总体导致pH、TSS和水分含量下降，而中等浓度则倾向于增加硬度、干物质和生物屈服点。TSS的强负线性效应表明涂膜延缓了淀粉水解。
* **模型充分性与响应面分析**：二阶多项式模型拟合良好，R2值介于0.70（pH）至0.96（TSS）之间，表明模型能解释大部分实验数据变异性。线性项和二次项均显著，揭示了非线性的响应关系。然而，模型对TSS和生物屈服点的预测偏差较大（分别为42.26%和64.28%），这归因于香蕉果实的生物学变异和质地测量的固有变异性。
* **数值优化与期望分析**：通过期望函数法，设定硬度、生物屈服点和干物质最大化的目标，同时最小化水分含量、pH和TSS。优化结果表明，最优配方为0.375%壳聚糖和0.368% CMC，综合期望值（Desirability）为0.78。该配方代表了一种在维护质地稳定性与调节水分和生化成熟指标之间的平衡方案。
* **最优配方验证**：实验验证了模型的预测能力。对于pH、水分、干物质和硬度，实验值与预测值的偏差小于10%，证明了模型对这些响应的预测可靠性。
**（2）最佳浓度下涂膜香蕉的颜色与外观**
* **颜色与外观**：宏观观察和色度计（CIE L\*a\*b\*色空间）量化分析均证实，优化涂膜显著延迟了香蕉果皮从绿转黄的过程。未涂膜样品在储存过程中a\*值（绿色度）快速下降，b\*值（黄度）显著上升；而涂膜样品颜色转变缓慢，外观更均匀。双因素方差分析显示，涂膜处理、储存时间及二者的交互作用对果皮颜色均有显著影响（p ≤ 0.05）。内部果肉颜色变化不大，表明涂膜主要作用于果皮层面。
**（3）最佳浓度下涂膜香蕉的重量损失**
* **重量损失**：涂膜处理显著（p < 0.001）降低了香蕉在储存期间的失重率。储存15天后，未涂膜香蕉的累计失重为32.44%，而涂膜香蕉仅为26.39%。涂膜形成的半透性屏障有效减少了果实表面的水分蒸发和蒸腾作用。
**（4）最佳浓度下涂膜香蕉的果肉-果皮比、TSS和pH**
* **果肉-果皮比**：与未涂膜样品相比，涂膜香蕉的果肉-果皮比增加速度显著减缓，表明涂膜延缓了水分从果皮向果肉的迁移以及由此驱动的成熟过程。
* **总可溶性固形物（TSS）**：涂膜显著抑制了TSS的积累。储存至第15天，涂膜香蕉的TSS（2.1°Brix）远低于未涂膜样品（7.4°Brix），表明涂膜通过限制氧气供给，有效延缓了淀粉向可溶性糖的酶促转化。
* **pH**：涂膜香蕉的pH值在整个储存期间保持相对较低且稳定，而未涂膜样品的pH值则随着成熟衰老而迅速上升，反映了涂膜对有机酸代谢的调节作用。
**（5）最佳浓度下涂膜香蕉的硬度与生物屈服点**
* **硬度**：尽管在优化模型中硬度是对聚合物浓度敏感的响应变量，但在最终优化的配方验证中，涂膜处理对硬度的影响并未达到统计显著水平（p > 0.05）。这归因于成熟过程中淀粉降解和细胞壁多糖分解等导致的整体软化过程并非涂膜所能完全抑制。
* **生物屈服点**：与不易受涂层影响的整体硬度不同，生物屈服点（引发不可逆组织损伤的力）对涂膜处理非常敏感（p ≤ 0.05）。涂膜香蕉在储存期间始终表现出更高的生物屈服点值（第15天为1915 N），而未涂膜样品仅为1470 N。这表明优化涂膜有助于维持细胞壁完整性和膨压，从而提高果实对机械损伤的抵抗力，这对于零售和运输环节尤为重要。
**（6）最佳浓度下涂膜香蕉的总酚和总黄酮含量**
* **总黄酮含量（TFC）**：未涂膜香蕉的TFC在储存期间持续上升，最终在第15天达到37.56 mg QE/g。相比之下，涂膜香蕉的TFC波动较为平缓，且最终值显著低于未涂膜样品，表明涂膜延缓了与后熟后期相关的类黄酮积累。
* **总酚含量（TPC）**：未涂膜香蕉的TPC在储存期间呈现剧烈波动（先降后升），这可能反映了酚类降解与释放的动态平衡。涂膜香蕉的TPC则表现出更平缓、受控的下降趋势，表明涂膜通过减少氧气暴露和减缓代谢，减轻了酚类化合物的氧化降解。
**（7）最佳浓度下涂膜香蕉的DPPH自由基清除活性**
* **DPPH**：涂膜处理与储存时间的交互作用对DPPH活性影响显著（p = 0.031）。在储存结束时（第15天），涂膜香蕉的DPPH自由基清除活性（67.27%）高于未涂膜香蕉（61.64%）。这表明涂膜虽未显著改变抗氧化活性的总体水平，但改变了其随时间演变的规律，可能通过调节氧化代谢，延缓了抗氧化能力的下降或被消耗的速率。
**五、主成分分析（PCA）与综合讨论**
PCA将涂膜和未涂膜样品的多维度理化数据（水分、干物质、TSS、pH、果肉-果皮比、硬度、生物屈服点、果皮颜色、TPC、TFC和DPPH）进行降维分析，前两个主成分（PC1和PC2）累计解释了82.58%的总方差。**PCA结果表明，在PC1-PC2得分图上，涂膜样品与未涂膜样品沿多个变量方向呈现出清晰的分组分离：未涂膜样品倾向于分布在TSS、pH、果肉-果皮比较高以及硬度、生物屈服点较低的区域，代表了成熟后期；涂膜样品则集中在另一侧，其硬度、生物屈服点、水分保持和较绿的果皮颜色等相关指标占优。** 这种可视化分离从整体上证实了优化涂膜在减缓成熟进程中综合、一致的效果。
**六、总结讨论与结论**
讨论部分指出，通过RSM优化得出的CMC-壳聚糖复合涂膜能够同时作用于物理完整性和生化代谢过程，是一种有效的保鲜方法，为香蕉在常温零售环境下的储存提供了可行方案。研究结论部分明确，使用0.375%壳聚糖和0.368% CMC的优化配方，在储存15天后能显著降低TSS（从7.4°Brix降至2.1°Brix）、提升生物屈服点（从1470 N提升至1915 N），延缓果皮颜色变化并减慢整体后熟进程。多变量分析（PCA）进一步证实了这种效果的稳定性和一致性。研究人员指出，鉴于研究仅针对单一香蕉品种且在常温条件下进行，未评估微生物品质，未来研究有必要在更多品种、冷链条件以及长时间储存下拓展其可行性，并深入研究涂膜的微观结构、机械性能和感官接受度，以推动该技术的商业化应用。
