《International Journal of Biological Macromolecules》：Characterization of exopolysaccharide/chitosan/TiO
2 composite film and its application in preservation of Meizao cherry
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摘要采后水果因微生物污染、机械损伤和氧化降解而变质，这仍然是食品行业面临的主要挑战，导致质量严重下降和经济损失。开发具有增强机械性能、阻隔性和抗菌性的活性包装材料对于延长保质期和保持水果品质至关重要。本研究利用Pediococcus acidilactici J1的外多糖（EPS
摘要
采后水果因微生物污染、机械损伤和氧化降解而变质，这仍然是食品行业面临的主要挑战，导致质量严重下降和经济损失。开发具有增强机械性能、阻隔性和抗菌性的活性包装材料对于延长保质期和保持水果品质至关重要。本研究利用Pediococcus acidilactici J1的外多糖（EPS）和壳聚糖（CS）并与TiO?结合，制备了功能性防腐薄膜。添加0.5%的TiO?后，薄膜的拉伸强度显著提高至35.03 MPa。与对照组相比，其紫外线（UV）阻隔性能显著改善，接触角从40.09°增加到73.89°，表明其疏水性增强。水蒸气透过率降低了78%以上，热稳定性也得到了提高。在测试条件下，该薄膜显示出低细胞毒性，在TiO?含量高达1%时，NIH3T3细胞的存活率仍保持在80%以上。当用于梅草樱桃的保存时，EPS/CS/1%TiO?薄膜有效保持了感官品质，延缓了软化及褐变过程，10天内的重量损失控制在10.46%，并保持了3.09 mg/100 g的维生素C含量，同时显著减缓了总酚类和黄酮类物质的降解。第10天的微生物群落分析显示，与对照组相比，EPS/CS/1% TiO?薄膜不仅显著抑制了细菌性腐败菌Pseudomonas，还使真菌性腐败菌Fusarium的相对丰度降低了10.7%。这种复合薄膜展现了优异的机械性能、UV阻隔能力和抗菌性能，具有应用于活性水果包装的潜力。
引言
樱桃是一种具有高商业价值的水果。它们不仅颜色鲜艳、味道鲜美，还富含铁、维生素、有机酸等多种营养物质[1]。然而，在采后储存和运输过程中，樱桃极易受到微生物污染，导致腐烂、茎部萎蔫、褐变等问题，严重影响其经济价值和市场供应[2]。传统的樱桃保存方法（如冷藏和控制气氛储存）可以在一定程度上延长保质期，但存在能耗高、设备昂贵和技术要求高等问题。相比之下，化学保存方法可能会留下化学残留物，难以满足对高效环保解决方案的需求。
在寻找更可持续和有效的保存策略的过程中，来自天然来源的生物活性大分子受到越来越多的关注。乳酸菌的外多糖（EPS）作为重要的次级代谢产物，因其多功能特性而表现出巨大潜力，它们既可以作为分泌到外部环境中的黏液多糖，也可以作为附着在细菌表面的荚膜多糖存在[3]。EPS表面微结构的形态特征包括纤维状、球状、颗粒状和片状。表面纹理可以是光滑的或粗糙的，并可能具有多孔结构。这种材料还具有高黏度，在水溶液中能迅速形成凝胶。由此制成的薄膜兼具优异的透气性和良好的延展性[4]。与海藻酸钠等常见天然聚合物相比，EPS与壳聚糖基质的界面相容性更好，在低浓度下就能形成均匀稳定的成膜溶液，这使其在制备可食用薄膜材料方面具有独特优势[5]。EPS还具有出色的抗菌活性、抗氧化性能和益生菌效果。凭借这些优势，EPS已广泛应用于食品加工、药物制备、生物材料研究和畜牧业。Li等人[6]使用两种不同乳酸菌的EPS，并将其与木薯淀粉和羧甲基纤维素结合制成薄膜，以延长香蕉的保质期。然而，在复合薄膜中，木薯淀粉的抗菌活性、机械性能和阻隔性能仍有改进空间。将壳聚糖引入复合薄膜体系可以有效提升薄膜的整体机械性能并优化其实际应用效果。壳聚糖（CS）是一种由D-苷胺单元通过β-1,4糖苷键连接的线性聚阳离子多糖[7]，由于其独特的材料特性（包括显著的生物降解性、优异的生物相容性、无毒性以及出色的成膜能力）而受到广泛关注。尽管如此，EPS和壳聚糖复合薄膜体系在食品储存性能上仍存在一定局限性。该复合薄膜的抗菌活性主要针对细菌，对于导致樱桃采后腐烂的主要真菌病原体Penicillium expansum和Botrytis cinerea的抑制效果仍然非常有限。此外，该薄膜对水蒸气和氧气的阻隔性能不足以有效抑制樱桃采后的强烈呼吸代谢，从而无法满足长期保存的包装要求[8]。研究人员常引入抗菌活性成分进行功能改性，以增强其抗菌和防腐性能[9],[10]。
TiO?被认为是应用最广泛的光催化抗菌剂。从有效性角度来看，无机抗菌剂具有效果持久、耐热性强和相对安全系数高等优势[11]。TiO?通常通过电子-空穴对机制发挥抗菌作用，而钴铁氧体则含有氧化还原对，可以通过协同的电子-空穴对机制以及芬顿反应和类芬顿反应高效生成·OH，从而显著提升抗菌性能[12]。当TiO?被 incorporated 到生物聚合物中制备复合薄膜时，不仅因其光催化活性而展现出优异的抗菌性能和乙烯气体吸附特性，还能促进聚合物与TiO?之间的强相互作用，从而改善薄膜的物理、化学和功能性能。将光催化活性的TiO?整合到生物聚合物基质中，可以提供稳定的抗菌效果，最大限度地保持食品的新鲜度。Xia等人[13]研究了添加TiO?纳米颗粒对薄膜机械性能、阻隔性能、抗菌活性和光催化活性的影响，证实该复合薄膜能有效抑制食品腐败细菌，适合用于新鲜食品的活性包装。目前，利用高通量测序技术系统探索活性包装薄膜在食品储存过程中对细菌和真菌群落影响的研究尚不多，难以全面揭示包装材料调节食品微生态的机制。
本研究结合了壳聚糖（CS）、Pediococcus acidilactici J1 EPS和TiO?纳米颗粒，开发了一种新型的活性包装薄膜。最终目标是开发出具有更好生物相容性的多功能活性包装薄膜。在此基础上，该研究还分析了二氧化钛对复合薄膜物理化学性能和抗菌性能的影响，并探讨了该复合薄膜在包装过程中对梅草樱桃保鲜效果及对细菌和真菌群落变化的调节作用。
章节片段
化学试剂
TiO?（CAS: 13463–67-7，锐钛矿型，纯度>99%，粒径10–25 nm）和壳聚糖（C804726，脱乙酰度≥95%）分别从Aladdin Reagent Co. Ltd.（中国上海）和Macklin Inc.（中国上海）购买。P. acidilactici J1 EPS的制备方法如前所述[14]。本研究中使用的所有其他溶剂和试剂均为分析级。
复合薄膜的制备
复合薄膜的制备按照Ning等人[15]描述的程序进行。使用2克P. acidilactici J1 EPS和2克...
光学吸收和热性能
纳米复合薄膜的全波长扫描光谱（图1a）显示，所有复合薄膜在约220 nm处都有一个明显的UV吸收峰，这是复合薄膜中存在多糖聚合物结构的特征，为复合薄膜的基本结构提供了光谱证据。在280–400 nm的UV范围内，纯多糖薄膜的吸光度最低，曲线最平缓，表明纯...
结论
本研究通过将TiO?掺入P. acidilactici J1 EPS和壳聚糖基质中制备了复合薄膜。TiO?、EPS和壳聚糖之间的非共价相互作用增强了薄膜的UV阻隔性能。EPS/CS/1% TiO?复合薄膜显示出优异的机械性能和适当的水蒸气透过率。该薄膜无细胞毒性，NIH3T3细胞存活率超过80%，细胞迁移率为53.74%，且未显著影响细胞功能。
CRediT作者贡献声明
贾曹：撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析。陈志强：验证、方法学设计、数据分析。杨焕：实验研究、数据分析。史静静：软件开发、方法学设计。宁颖颖：撰写——审稿与编辑、验证。赵丹：项目监督、资金申请。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号32072189）和黑龙江省高校基本科研业务经费科研项目（项目编号2024-kYYWF-0127）的资助。
贾曹|陈志强|杨焕|史静静|宁颖颖|赵丹
