先进的水果采后涂层/薄膜技术：从简单基质重构到智能微环境工程

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Advanced fruits postharvest coatings/films technologies: from simple matrix restructuring to intelligent microenvironment engineering

　　

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  重新定义复合涂层——将其视为用于采后保鲜的工程设计型智能界面平台。
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  阐明通过调控界面能与胶体结构来克服黏附失效的机制。
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  揭秘动态界面输运调控机制，以调节果实与外界环境之间的质量/气体交换。
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  阐明针对不同类型果实特定生理劣变特征而制定的靶向调控策略。

引言

新鲜园艺农产品的采后品质损耗仍然是全球面临的重大挑战，对食品供应链中的农业废弃物和经济损耗贡献显著[1]。传统上，由天然生物高分子（包括多糖、蛋白质和脂质）构成的涂层被开发为被动屏障，用以调控质量传递并维持产品品质[2]、[3]。然而，其开发过程在很大程度上仍以配方驱动为主，性能评估通常基于涂层本身的内在性质，而非涂层与水果表面之间的相互作用。这一区别在实际应用中尤为关键。虽然涂层薄膜可以相对容易地在较为光滑且稳定的基材（如玻璃或合成塑料）上进行制备和表征[4]，但当其应用于活体果实组织时，性能可能会发生显著变化。因此，即使在实验室条件下表现优异的配方，在实际应用和贮藏过程中仍可能遭遇过早剥落、覆盖不均匀或涂层失效等问题[5]。

从胶体与界面科学的视角来看，这些局限性在很大程度上与果实蜡皮的独特性质密切相关。与惰性模型基材不同，果实表面是动态的生物界面，其上覆盖着低表面能的表皮蜡，其化学组成和晶体形态具有异质性，并可能随果实类型、品种和贮藏条件而变化[6]。这些特征影响着涂层与果实表面的接触和相互作用方式。在理想平衡条件下，杨氏方程γ_LV cosθ = γ_SV ? γ_SL描述了平衡接触角θ与固-气（γ_SV）、固-液（γ_SL）以及液-气（γ_LV）界面张力之间的定量关系[7]。黏附功通过杨氏-杜普雷方程与接触角相关联：W_a = γ_LV（1 + cosθ）= γ_LV + γ_SV ? γ_SL，该方程反映了界面结合的能垒强度[8]。重要的是，平衡润湿、自发铺展和黏附描述了相关但不同的现象：接触角表征润湿，自发完全铺展由铺展系数决定，S = γ_SV ? γ_SL ? γ_LV，而黏附功则反映界面结合的能垒强度。然而，对于真实的果实表面，表观润湿行为还额外受到表面粗糙度、化学异质性、接触线钉扎以及润湿滞后等因素的影响[9]。因此，涂层溶液的界面行为不能仅从表面能来解读，并且可能因果实种类和品种、蜡的组成与形态、表面状态、溶液性质以及测量条件而异。这种变异性可能影响铺展和薄膜沉积，最终导致覆盖不均匀或黏附不足，从而限制保护层在贮藏期间的持久性[10]。

以往关于复合涂层的综述主要按照聚合物类型、复合配方或目标商品对涂层体系进行分类[2]。虽然这种以材料为导向的分类方法对于总结迅速增长的文献文献非常有用，但它并未充分将涂层与果实表面之间发生的界面过程与最终的保鲜性能联系起来。特别是，涂层润湿与黏附的作用、异质性蜡皮形貌的影响，以及果实表面在贮藏过程中的变化，很少被作为一组相互关联的因素来考虑[11]。这些未解决的界面问题也使人难以解释为何相似的涂层配方在不同果实上的表现差异很大，以及为何涂层在整体性质上表现良好并不意味着能够转化为稳定的表面保护效果。为弥补这一差距，本综述围绕界面相互作用、涂层结构与采后功能之间的关系来组织讨论。在此框架下，生物高分子涂层被定义为以天然生物高分子为主要成膜基质的涂层，而纳入合成聚合物或无机组分的体系则根据其在调控界面和功能性方面的作用被讨论为复合涂层。后续各节将探讨界面特性如何影响水分散失、呼吸气体交换和病原菌防御，以及这些关系如何在跃变型果实、非跃变型果实、柑橘果皮和鲜切组织中有所不同（图1）。通过将上述界面挑战与针对特定果实的保鲜需求联系起来，本综述进一步探讨了更合理地理解涂层-果实界面如何有助于可持续采后涂层体系的设计及其未来的实际应用开发。

各节摘要

复合涂层的界面设计

高效复合涂层的首要要求是其在目标蜡皮上的物理黏附[12]。为弥补亲水性生物高分子与疏水性果实蜡之间固有的热力学差异，配方策略必须从整体混合转向精准的界面操控。重要的是，这些策略不仅在基础界面机制上有所不同，在提升阻隔性能和采后保鲜效果方面的能力也存在差异。A

界面输运与调控

正确黏附的涂层不再仅仅是一个静态的物理屏障；它是一个动态的、具有生物活性的边界界面，主导着活体组织与其外界环境之间的物质交换。采后腐败很少是单一事件，而是蒸腾失水、不规则呼吸高峰和机会性病原菌入侵协同级联的结果，所有这些过程均被严重的细胞内氧化应激所加剧[66]。通过精准调控输运通道，这些基质

针对特定果实的界面需求

即使结构最为精密的涂层，如果其调控特性与目标商品特定的生理劣变轨迹不一致，也将无法发挥作用。鉴于劣变途径在遗传和解剖学上各不相同，农业供应链中通用型、"一刀切"的保鲜基质并不切实际。相反，界面设计必须由宿主的主要腐败机制来引导[111]。由于这些

结论与未来展望

本综述系统总结了复合涂层在采后果实保鲜领域的最新进展，阐明了从被动物理屏障向理性工程化主动界面平台演进的范式。通过靶向调控界面能、构象介导的润湿策略、Pickering稳定化以及纳米级功能组分的引入（如碳点、金属有机框架、纳米酶），这些涂层有效解决了润湿和黏附

CRediT作者贡献声明

王嘉真：论文写作——初稿撰写、调查研究、数据整理。孙梦环：调查研究、数据整理。杜婷：研究方法、调查研究。王懿淇：调查研究、数据整理。程杰：项目管理、形式化分析。张雯涛：论文写作——审阅与编辑、指导。王建龙：论文写作——审阅与编辑、验证、指导、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系有可能影响到本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了创新人才推进计划——陕西省科技创新团队（2023-CX-TD-55）、科技部海外青年人才引进计划（QN2023172001L）、北京市自然科学基金（Z250016）以及中国农业大学农业科技创新计划（CAAS-ASTIP-IQSTAP-04）的资助。

王嘉真｜孙梦环｜杜婷｜王懿淇｜程杰｜张雯涛｜王建龙