基于麦芽糊精、负载纳米碳酸钾与火棘提取物的活性涂层用于“Rish Baba”葡萄冷藏保鲜中的生化品质保持

《Postharvest Biology and Technology》：Maltodextrin-based bioactive coating with potassium nanocarbonate and Pyracantha extract for preserving biochemical quality of ‘Rish Baba’ grapes during cold storage

　　

钾纳米碳酸与火棘提取物协同延长葡萄保质期。最优涂膜由2%的钾纳米碳酸和1.33%的火棘提取物组成。该涂膜抑制多酚氧化酶活性，同时增强过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶的抗氧化防御功能。该生物活性涂膜在冷藏期间保持抗坏血酸和酒石酸的水平。引言葡萄是种植面积广、拥有数千年栽培历史的主要农作物，仍然是当代农业中最重要的全球作物之一，也是世界上消费量最大的水果之一。除了作为食物来源外，葡萄因其富含单宁、酚类化合物、天然抗氧化剂以及大量必需营养素（包括矿物质、糖类和维生素）而具有可观的营养价值。此外，葡萄还具有显著的心血管保护作用和潜在的抗癌特性，受到广泛关注。由于葡萄属于非跃变型水果，在储藏期间可能发生生理变化，从而影响其保质期、食用品质、营养价值及最终的市场接受度，导致整体品质逐渐下降，包括硬度降低和色泽变差。因此，需要采用各种保鲜方法来维持其采后品质。新鲜葡萄最常见的短期储存方法包括在室温下置于果篮中或进行冷藏储存；然而，对于长期储存而言，在不使用化学处理的前提下保鲜新鲜葡萄仍然是一个重大挑战。欧洲国家的家庭新鲜果蔬废弃物占比近50%，欧盟委员会已将减少食品浪费列为其欧洲经济战略中的关键优先事项之一。二氧化硫是控制采后真菌病害（尤其是灰霉病）最广泛使用且最有效的药剂之一。除抑制微生物腐烂外，二氧化硫还在葡萄的糖代谢、苯丙烷途径和香气生物合成中发挥调节作用。然而，过量接触二氧化硫可能产生不良影响，包括葡萄穗轴褐变、果粒开裂或脱落，以及对敏感人群的过敏反应。已使用多种材料制备食用膜，包括壳聚糖、普鲁兰多糖、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素和海藻酸。壳聚糖因其良好的机械性能、对氧气和二氧化碳的选择透过性以及优异的成膜能力，成为食用膜中最广泛使用的材料之一，其用于保持葡萄品质的应用也已见报道。普鲁兰多糖和海藻酸也用于食用膜体系，而羧甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素则作为纤维素衍生物应用于这些体系中。然而，麦芽糊精具有食品应用所需的多种理想特性，包括天然、安全、廉价、无毒、水溶性和成膜性。此外，与明胶和壳聚糖等某些天然聚合物不同，麦芽糊精还适用于素食和纯素食应用。这些特性，加上麦芽糊精在包载和递送生物活性化合物方面的适用性，使其成为开发生物活性食用膜的合适基质。一些研究人员指出，具有抗菌和抗氧化功能的多功能食用膜更为有效，这些食用膜可以由天然食品级材料（如水胶体、多糖、蛋白质、脂质和乳化剂）制成。基于碳水化合物的涂膜广泛用于储存期间保持水果品质，从而延长保质期。麦芽糊精是这一领域的重要化合物，在食品基质中发挥关键作用，通过保护抗坏血酸、花青素和挥发性香气化合物等敏感成分免受氧化来起到屏障形成剂的作用，有助于减少降解并保持水果新鲜度。然而，多糖类涂膜通常具有亲水性，这限制了其在高湿度条件下的防潮性能和结构稳定性。这些固有特性会降低涂膜在储存期间的耐久性和整体效果。因此，有必要提高食用膜的功能性能，最近的研究表明，多层或复合体系可以提供增强的保护，更好地保持采后储存期间的水果品质。用于增强食用膜性能的一类化合物是植物来源的抗氧化提取物。这些天然提取物可以从不同的植物部位（如叶片和果皮）获取，或从副产物和农业废弃物中回收。它们富含具有强抗氧化活性的生物活性化合物。火棘果实富含营养物质，包括糖类、蛋白质和维生素，以及多种生物活性化合物，如多酚、单宁、黄酮类化合物、槲皮素、香豆精、β-谷甾醇和寡聚原花青素。其果实提取物因其富含酚类化合物（尤其是儿茶素和花青素）而表现出相当的抗氧化活性，据报道其抗氧化能力超过了二丁基羟基甲苯。这种抗氧化能力在很大程度上归因于多酚类化合物的存在，它们通过氢原子转移、单电子转移和金属离子螯合等机制促进对氧化过程的抑制。这些化合物能够中和自由基、离域未配对电子并限制氧化反应，从而防止氧化链反应的引发和传播。纳米技术通过引入各种纳米级系统（包括纳米颗粒、纳米乳液、纳米囊、纳米管和纳米纤维）拓展了食用膜的功能潜力。在生物高分子基质中引入纳米材料可以提高功能性化合物的分散性和稳定性，并增强食用膜的结构、屏障、抗氧化和抗菌性能。据报道，某些纳米材料（特别是某些金属和金属氧化物纳米颗粒）可通过产生活性氧来诱导氧化应激，可能影响蛋白质、脂质和DNA等细胞成分。然而，这些生物学效应高度依赖于纳米材料的具体理化特性、组成、粒径、浓度和暴露条件，因此不能一概适用于所有纳米材料。纳米材料在食品应用中的安全性和功能性应结合其具体特性和预期用途加以考量。在此背景下，纳米技术在食品包装中的应用因其改善食品安全和质量、保护营养化合物、减少食品浪费及增强产品可追溯性的潜力而备受关注。在食品工业使用的钾化合物中，碳酸钾是一种无机碱性盐，具有高水溶性，用作食品中的酸度调节剂和稳定剂。据报道，碳酸钾作为食品涂膜的功能组分，尤其用于抑制真菌生长。因此，在纳米尺度下引入碳酸钾可能为将该钾化合物的既有功能性与纳米尺度体系的潜在优势结合到食用膜基质中提供一种潜在途径。酪氨酸酶和儿茶酚氧化酶是二铜酶，统称为多酚氧化酶。多酚氧化酶在自然界中广泛分布，存在于原核生物和真核生物中。酪氨酸酶催化单酚和邻二酚的氧化，而儿茶酚氧化酶仅催化邻二酚的氧化，从而导致葡萄及其制品的酶促褐变。最近的研究展示了火棘提取物的多种应用。然而，尽管已报道其抗氧化特性，但目前关于其在复合食用膜体系中的应用及其在葡萄采后储存期间与其他功能性成分相互作用的信息仍然有限。此外，火棘提取物与钾化合物在麦芽糊精基涂膜中协同作用对葡萄酶促褐变、酶活性和有机酸代谢的影响尚未得到充分研究。尽管作者之前曾对食用膜配方进行了相关研究，但这些研究主要侧重于对被涂膜葡萄保质期的建模和预测，而本研究在实验评价和质量属性研究方面有所不同。特别是，本研究聚焦于火棘提取物与钾纳米碳酸在麦芽糊精基涂膜中联合应用对葡萄储存期间酶促褐变、多酚氧化酶活性及其他选定生物化学和质量相关属性的影响。因此，本研究通过应用不同的实验评估方法提供补充信息，以进一步阐明该涂膜配方的有效性。材料从伊朗哈马丹省马拉耶尔市采购里什巴巴葡萄品种，并立即转移至马拉耶尔大学葡萄与葡萄干研究所实验室。葡萄根据成熟度、大小和颜色的一致性，以及无真菌感染和物理损伤的标准进行分级。葡萄的总可溶性固形物含量为18.4°Brix，pH值为5.1，果粒硬度为2.6 N，初始DPPH自由基清除活性为——研究条件对多酚氧化酶活性的影响方差分析表明（表2），所有线性参数、储存时间与钾纳米碳酸浓度的交互作用、与火棘提取物浓度的交互作用以及储存时间的二次参数对样品中的多酚氧化酶活性均有显著影响（P<0.05）。图3显示，储存期间多酚氧化酶活性逐渐升高，尤其是在总体结论本研究采用响应面法评价和预测涂覆钾纳米碳酸与火棘提取物后葡萄中酶活性和有机酸水平的变化。结果表明，随着储存时间的延长，多酚氧化酶活性升高，而过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶、抗坏血酸和酒石酸含量降低。涂膜的应用有效减缓了这些变化。优化结果作者贡献M.E.撰写了初稿并进行了数据分析。R.K.和A.D.G.负责项目管理、监督和指导工作。R.K.和A.D.G.还参与了稿件的审阅和编辑。所有作者均已阅读并批准了本稿件的最终版本。CRediT作者贡献声明Maryam Ebrahimi：撰写初稿、验证、软件、资源、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。Rouhollah Karimi：撰写审阅与编辑、监督。Amir Daraei Garmakhany：撰写审阅与编辑、监督。资助本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何专项资助。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。Maryam Ebrahimi|Rouhollah Karimi|Amir Daraei Garmakhany