层数可控的Fe-茶多酚金属-酚网络涂层PLCL/明胶静电纺丝膜用于黄樱桃主动保鲜

《Food Chemistry: X》：Layer-number-controlled Fe-tea polyphenol metal-phenolic network-coated PLCL/gelatin electrospun membranes for active preservation of yellow sweet cherries

　　

层数可控的Fe-茶多酚（Fe-TP）金属-酚网络（MPN）涂层实现了PLCL/明胶（PLCL/Gel）静电纺纳米纤维的可调功能化。层数可控的Fe-TP涂层通过更致密的络合作用提高了负载量、纤维直径和亲水性，同时保持力学柔韧性。Fe-TP负载显著增强了抗氧化、抗菌及抗生物膜活性。该膜保持了良好的初步生物相容性和可控降解行为。Fe-TP/PLCL-Gel 4膜对黄甜樱桃提供了最均衡的保鲜性能。

研究背景与问题：生鲜果蔬采后损失是食品供应链和资源利用的重要挑战。贮藏运输中，果蔬易受微生物污染、氧化褐变、水分迁移和呼吸代谢异常影响，导致品质劣变和货架期缩短。黄甜樱桃（Prunus avium L.）果皮薄、蒸腾率高、易受机械损伤和真菌侵染，采后易失水、软化、褐变和霉变，是评价先进保鲜包装的代表性模型。传统石油基塑料主要作为被动屏障，缺乏抑菌、抗氧化和调控贮藏微环境的能力，且不可降解，环境负担重。活性食品包装可整合与食品或环境相互作用的功能组分，例如释放抗菌/抗氧化剂或调节氧气、乙烯和水分。金属-酚网络（MPN，由金属离子与天然多酚配位形成的网络）可在温和条件下快速形成，其厚度、表面化学、润湿性和活性组分负载可通过层层组装（LbL）周期调控。茶多酚（TP）具有抗氧化和抗菌活性，但直接加入包装材料或涂层常受水溶性高、迁移快、稳定性有限和长期利用不足限制；与Fe³⁺配位组装可改善TP的界面保留和控释。既往单层Fe³⁺-TP组装可改善黄樱桃保鲜，但组装周期对涂层结构、释放行为、功能活性和保鲜效果的影响未系统研究，限制了层数可控活性包装的合理设计。静电纺膜具有高比表面积、互连多孔结构、柔性和可调纤维形貌，PLCL（聚（L-丙交酯-co-己内酯））提供柔性和可降解性，明胶（Gel）提供亲水性、生物相容性和界面相互作用官能团，因此PLCL/Gel静电纺膜是Fe³⁺-TP MPN改性的可降解基底。

研究开展、结论与意义：研究人员制备PLCL/Gel静电纺膜，并通过LbL构建Fe-TP MPN涂层，设置1、4、8个组装周期，系统评价形貌、化学结构、力学性能、润湿性、TP释放、降解、抗氧化、抗菌和抗生物膜、初步生物相容性及黄樱桃保鲜。结果表明，Fe-TP/PLCL-Gel 4在机械稳定性、亲水性、缓释、生物安全性和保鲜效能间最均衡；层数控制对平衡活性释放和保鲜性能重要。该研究建立层数依赖的结构-功能-保鲜关系，为可降解活性包装膜设计提供依据，并显示其在水果保鲜中的应用潜力。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员以静电纺丝制备PLCL/明胶（PLCL/Gel）膜，采用层层组装构建Fe-茶多酚（Fe-TP）金属-酚网络（MPN）涂层，设1、4、8个周期；用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、拉伸、接触角、重量法/Folin–Ciocalteu法/电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测负载、释放、土壤降解、DPPH/羟自由基清除、平板计数、结晶紫、活/死染色、细菌SEM与泄漏、CCK-8、溶血及黄樱桃保鲜评价。L929细胞购自中国典型培养物保藏中心（武汉）；E. coli ATCC 25922和S. aureus ATCC 25923原自ATCC并保存于浙江中医药大学微生物实验室；成熟黄樱桃购自当地市场，按外观和重量均一选取，实验前未清洗或消毒。

研究结果：
3.1 静电纺膜的形态与结构表征：SEM观察显示，随Fe-TP组装周期增加，纤维表面由较光滑逐渐变粗糙；平均纤维直径由PLCL-Gel的886.08±247.59 nm变为Fe-TP/PLCL-Gel 1的852.95±217.92 nm、Fe-TP/PLCL-Gel 4的1411.17±237.38 nm和Fe-TP/PLCL-Gel 8的1469.76±342.05 nm，4组分布较窄；截面SEM显示涂层主要由表面向内沉积，周期增加使负载层更致密而膜整体宽度无明显变化，表明Fe-TP成功沉积并保留纤维结构。
3.2 Fe-TP/PLCL-Gel纳米纤维膜的表面化学与负载量：FTIR出现FeO键和酚类C-O伸缩振动特征峰；XPS显示负载后出现C、N、O、Fe，Fe 2p_3/2和Fe 2p_1/2峰约在710和724 eV，Fe²⁺比例由Fe-TP/PLCL-Gel 1的44.95%升至4和8的59.22%和60.79%；ICP-OES、Folin–Ciocalteu法和重量法表明Fe、TP负载及质量增益随组装周期增加，说明负载量可调。
3.3 Fe-TP/PLCL-Gel纳米纤维膜的力学性能与水润湿性：拉伸测试显示原始膜断裂伸长率最高（221.6±33.9%），改性膜均保持100%以上；Fe-TP/PLCL-Gel 4拉伸应力和弹性模量最高，弹性模量由1的18.87 MPa升至4的23.33 MPa、8为22.02 MPa；水接触角由原始膜115.3±2.8°降至1、4、8的44.0±2.3°、33.4±1.4°和18.0±1.1°，表明表面由疏水转为亲水。
3.4 Fe-TP/PLCL-Gel静电纺膜的药物释放能力与环境降解：释放实验显示组装周期增加提高TP早期释放和累积释放，72 h累积浓度分别为1、4、8组的7.22±0.09、8.66±0.14和12.21±0.04 mg/mL；土壤埋藏中原始膜降解最快，第10天残留46.73±0.17%并于第20天完全降解，Fe-TP膜降解减慢，第30天1、4、8组残留分别为72.79±1.09%、82.15±0.65%和83.14±0.66%，显示可控降解。
3.5 Fe-TP/PLCL-Gel静电纺膜的抗氧化活性：DPPH实验中Fe-TP组由紫变黄，清除率由原始膜8.48±11.82%升至1、4、8组的80.89±0.82%、80.12±0.19%和79.19±0.17%；羟自由基清除率呈层数依赖升高，分别为6.09±1.35%、13.34±1.18%和15.04±1.17%，表明Fe-TP改性增强抗氧化性能。
3.6 Fe-TP/PLCL-Gel静电纺膜的初步细胞相容性与血液相容性：CCK-8显示原始膜和各Fe-TP组在不同时间保持较高细胞活力，Fe-TP/PLCL-Gel 8第3天降至75.96%但仍高于常用细胞毒性阈值；溶血实验显示各样品溶血率远低于5%，表明良好接触安全性。
3.1 抗菌活性：平板计数显示原始膜对S. aureus和E. coli已有一定抑制，随组装周期增加抗菌活性增强，Fe-TP/PLCL-Gel 8对两种菌抑制接近或超过90%；结晶紫染色显示Fe-TP/PLCL-Gel 4对S. aureus和E. coli生物膜清除率分别为71.52±2.38%和63.89±2.54%，8组生物膜抑制最强；活/死染色显示周期增加使死菌比例升高。
3.7 Fe-TP/PLCL-Gel静电纺膜抗菌作用证据：SEM显示处理菌出现皱缩、表面损伤和结构破裂，S. aureus较E. coli更敏感；核酸和蛋白泄漏随组装周期及时间增加，5 h时S. aureus核酸泄漏在1、4、8组分别为32.19±0.89%、50.85±3.90%和75.44±3.89%，E. coli 8组接近70%；8组蛋白泄漏在S. aureus和E. coli分别为54.67±9.28%和47.96±3.63%，提示细胞包膜损伤和胞内组分泄漏可能参与抗菌作用。
3.8 Fe-TP/PLCL-Gel静电纺膜对黄樱桃的保鲜性能：黄樱桃直接接触膜贮藏7天，PE和原始膜第2天出现可见腐烂，Fe-TP膜延缓腐烂，4和8组效果最明显；第7天PE腐烂率50.00±5.56%，Fe-TP/PLCL-Gel 4仅1.85±3.21%，8组5.56±5.56%；质量保留率PE和原始膜为66.11%和70.21%，1、4、8组为80.30%、90.19%和88.60%；多指标归一化比较显示4组在弹性模量、细胞相容性、腐烂率和质量保留率上最高，在降解稳定性和抗氧化上接近最高，8组抗菌和亲水性更强但细胞相容性较低，表明4组综合平衡最佳。

讨论部分总结：该研究将静电纺丝与LbL多酚-金属配位组装结合，构建Fe-TP/PLCL-Gel膜；结构、表面化学和负载结果表明Fe-TP MPN成功沉积且性能呈层数依赖。释放和土壤降解表明多层沉积扩大TP储库并提高环境稳定性。抗氧化、抗菌、抗生物膜和泄漏实验表明Fe-TP改性增强自由基清除和细胞包膜损伤相关抗菌表现，但泄漏实验不能单独确立膜破坏为唯一或主要杀菌机制；研究主要评价E. coli和S. aureus，尚需纳入代表性腐败真菌和酵母及贮藏果实真菌/酵母定量分析。黄樱桃保鲜结果说明保鲜性能取决于抗菌、抗氧化、释放和界面调控的平衡，而非单纯抗菌强度；Fe-TP/PLCL-Gel 4以约一半于8组的活性负载实现更均衡的抗菌、抗氧化、力学和后期保鲜稳定性，活性组分利用效率更高。原文指出，实际应用前仍需系统评价感官品质和关键理化指标，通过迁移和毒理学研究验证食品接触安全，并以直接机制证据阐明抗菌机制，同时考察真实冷链条件和可放大性。

研究结论翻译：本研究在PLCL-Gel静电纺膜上成功构建了组装周期可控的Fe-TP金属-酚网络，实现了膜润湿性、释放行为、降解稳定性和水果保鲜性能的可调调控。Fe-TP改性使水接触角由115.3°显著降至Fe-TP/PLCL-Gel 4和Fe-TP/PLCL-Gel 8的33.43°和18.01°。尽管Fe-TP/PLCL-Gel 8的抗菌活性（>90%）强于低层数组，Fe-TP/PLCL-Gel 4在机械稳定性、亲水性、缓释、生物安全性和保鲜效能之间提供了更有利的平衡。值得注意的是，它将黄樱桃贮藏7天后的腐烂率降至1.85%±3.21%，而聚乙烯（PE）对照约为50%。这些发现表明，控制Fe-TP组装周期对于平衡活性释放和水果保鲜性能很重要。然而，实际应用前仍需进一步研究若干方面。应系统评价保鲜水果的感官品质和关键理化属性，食品接触安全需通过迁移和毒理学研究进一步验证。此外，抗菌机制仍需借助直接机制证据加以阐明。未来研究应聚焦这些方面，并结合真实冷链条件下的性能和可放大性，进一步确立Fe-TP/PLCL-Gel膜用于活性食品包装的实际潜力。