酶响应型皮克林乳液包裹的乳清蛋白包膜形成体系：制备、性质及其在香蕉保鲜中的应用

《Food Hydrocolloids》：Enzyme-responsive Pickering emulsion-incorporated whey protein coating-forming system: Preparation, properties and application in banana preservation

　　

摘要

我们开发了一种对果胶甲酯酶响应的乳清蛋白涂层，用于香蕉采后保存。该涂层含有由乳清蛋白分离物、低甲氧基果胶构成的纳米复合物所稳定的皮克林乳液，其中油相为百里香精油与大豆油的混合液。当油相比例为40%时，这种混合油的平均粒径为693纳米，ζ电位为-59毫伏，同时还能保持较高浓度的活性成分，并防止液滴聚集。含有1.5%（体积比）该混合油的乳清蛋白薄膜的断裂伸长率为83.21%，且其屏障性能也有显著提升。此外，随着果胶甲酯酶浓度从0升高到4毫克/毫升，该酶会逐步分解低甲氧基果胶，进而破坏乳清蛋白-低甲氧基果胶纳米复合物，导致百里香精油的释放量从16%上升至42%。在保存试验中，含有该混合油的乳清蛋白涂层能有效延缓香蕉变褐，使其重量损失率降至5.93%，同时还能保持香蕉的硬度，相比对照组57.19%的硬度下降幅度，该涂层的下降幅度仅为35.59%。另外，由于这种涂层具有酶触发释放的特性，它能持续提供抗菌保护。与仅含百里香精油的涂层相比，含有1.5%该混合油的涂层在储存后期能更有效地抑制微生物生长，10天时的总活菌计数分别为4.70和对数CFU/克和5.08对数CFU/克。这些结果表明，这种涂层是一种很有前景且可持续的策略，有助于延长易腐水果的保质期。

引言

香蕉富含钾、维生素B6、膳食纤维和天然糖分，这些成分有助于维护胃肠道健康、快速补充能量以及调节情绪（Wang等，2024）。然而，香蕉在采后储存和运输过程中极易受到微生物感染，从而导致腐烂和品质下降。其中，真菌是主要的腐败微生物，包括多种引起炭疽病的Colletotrichum属真菌，如Colletotrichum musae、C. fructicola和C. siamense；还有引起冠腐病的Lasiodiplodia theobromae，以及多种镰刀菌属真菌（Fusarium spp.）（Kuyu & Tola，2018；Nguyen等，2024）。此外，某些能分解果胶的细菌，如Pectobacterium spp和Erwinia spp，在香蕉果皮受损或储存条件不佳时，也会加速香蕉软腐和品质下降（Thomas等，2011）。天然抗菌精油已被证明是缓解采后品质下降的有效方法。百里香精油中含有百里酚和香芹酚等抗菌成分，它可以通过抑制群体感应、破坏细胞膜以及与细胞外多糖相互作用来发挥抗菌作用（Fathy等，2025；Qin等，2024）。因此，百里香精油作为防腐涂层中的抗菌剂具有很大优势。

在水果被微生物感染时，这些微生物通常会分泌能够分解细胞壁的酶，如果胶酶和纤维素酶，从而加速水果软化（Alkan & Fortes，2015）。利用这一特性构建酶响应型递送系统，就可以在感染部位精准释放抗菌剂。已有研究表明，负载百里酚的纳米纤维膜（THY@PLA-PEI-Pectin）和果胶包覆的脂质体（Thy@Lip@Pec）可以通过霉菌分泌的果胶酶分解外层果胶，从而实现按需释放抗菌成分（Li等，2026；Min等，2022）。与脂质体这类传统递送系统相比，皮克林乳液在构建刺激响应型递送系统方面具有独特优势，因为其纳米复合物稳定的界面结构可以充当酶响应位点（Lou等，2025）。在我们之前的研究中，我们开发了一种由高甲氧基果胶和乳清蛋白分离物共同稳定的、对果胶甲酯酶响应的皮克林乳液涂层。乳液中的果胶可以被细菌分泌的果胶酶特异性分解，从而触发封装在其中的抗菌剂的释放（Xin等，2023）。不过，这种系统还存在一些缺陷。由于高甲氧基果胶的酯化程度很高，其上可解离的自由羧基数量较少，因此与乳清蛋白之间的静电相互作用较弱，这限制了界面网络的稳定性，进而影响了乳液的载油能力以及抗菌成分的负载效率（Lopes等，2017）。正因如此，我们之前开发的涂层中百里香精油的实际含量只有大约0.1%。而低甲氧基果胶的自由羧基密度更高，因此能与乳清蛋白带正电的区域形成更强的静电相互作用（Wijaya等，2020）。这种更强的相互作用有助于提高油水界面上颗粒的吸附能力、乳液的稳定性以及抗菌成分的负载能力（Vithanage等，2010）。

虽然皮克林乳液能够为涂层赋予抗菌功能，但若添加过量，则可能导致液滴聚并和应力集中，从而影响涂层的机械强度（Liu等，2022；Wu等，2024）。已有研究显示，在以柑橘精油为基质的皮克林乳液系统中，当油相体积分数超过25%时，乳液的稳定性和涂层的性能都会显著下降（Yang等，2024）。在油相中加入植物油可以抑制奥斯特瓦尔德熟化现象，改善涂层结构，因此被视为提升乳液稳定性和涂层性能的有效方法（McClements等，2012）。例如，Sun等（2020）将肉桂精油和玉米油作为混合油相用于涂层制备，这显著提升了涂层的阻氧性能和结构紧密度。不过，加入植物油会降低涂层的抗菌效果，而且往往需要将油相体积分数提高到7-20%的传统范围之外。因此，需要优化油相成分、油相体积分数以及乳液的添加量，才能在保持良好抗菌效果的同时保障涂层的机械性能。

基于以上考虑，本研究旨在优化由乳清蛋白分离物-低甲氧基果胶纳米复合物稳定的皮克林乳液，从而提升基于乳清蛋白的香蕉保存涂层的性能。这项工作的核心创新在于合理设计了高油相比例的皮克林乳液系统（油相比例最高可达40%），这样既能够有效提升涂层的抗菌性能，又能保持良好的机械性能和屏障性能。为此，我们系统研究了油相比例（10-50%）对乳液各项性能的影响，包括粒径、ζ电位、微观结构以及流变行为。此外，我们还优化了乳液在乳清蛋白薄膜中的添加量（0-2.5%体积比），以此在保持涂层机械强度、屏障性能和功能性能之间找到平衡。在评估了乳清蛋白-低甲氧基果胶纳米复合物对果胶甲酯酶的响应性以及涂层中百里香精油的释放行为之后，我们在不同的储存条件下进行了香蕉保存试验，以验证这些涂层的实际应用价值。这项研究为设计兼具精准释放功能和较高乳液负载能力的智能保鲜涂层提供了新思路。

内容片段

材料

乳清蛋白粉末（蛋白质含量95%）购自新西兰奥克兰的恒天然集团。低甲氧基果胶的酯化度为36-40%，由中国山东省烟台市的烟台安德瑞果胶有限公司提供。果胶甲酯酶则来自中国上海的上海麦克林生化科技有限公司。百里香精油由中国吉安市的吉安中祥天然植物有限公司供应。甘油（分析级）则由

TEOPE的粒径分布

粒径分布是评估乳液性能的重要指标。我们检测了油相比例在10%到50%不等的乳液的粒径分布和ζ电位情况。如图1A所示，所有样本都呈现单峰分布，平均粒径约为700纳米。起初，随着油相比例的增加，平均粒径会有所减小，但当油相比例超过30%后，平均粒径又会开始上升，这是因为乳清蛋白-低甲氧基果胶纳米复合物无法充分覆盖

结论

我们成功开发了一种对果胶甲酯酶响应的抗菌涂层，该涂层含有由乳清蛋白分离物和低甲氧基果胶构成的纳米复合物所稳定的皮克林乳液，乳液中还含有百里香精油和大豆油，可用于香蕉的智能采后保存。经过优化的含有该混合油的体系（油相比例为40%）中，混合油的平均粒径为693纳米，ζ电位为-59毫伏。在复合薄膜中加入1.5%（体积比）的该混合油后，薄膜的机械性能得到均衡提升，屏障性能也有所增强，同时还具备出色的紫外线阻挡能力

作者贡献说明

Chenhao Yang：软件使用、数据整理。 Shuangshuang Liu：方法设计、概念构思。 Menglong Zhang：结果可视化、验证工作。 Fusheng Chen：项目监督、资金筹集。 Hanrui Yang：论文初稿撰写、软件使用、方法研究、实验分析、数据整理。 Xinru Qiu：结果验证、统计分析、数据整理。 Hongshun Yang：论文修改与润色、项目监督、概念构思。 Ying Xin：论文修改与润色、项目监督、项目管理工作，

未引用参考文献

Wang等，2024；Wang等，2024；Xin等，2023。

数据可用性

数据可应要求提供。

资金来源

本研究得到了以下机构的资助：河南省自然科学基金（编号：242300421200），国家自然科学基金（编号：32172258），河南省青年科技人才扶持计划（2024年度），河南省青年教师培养计划（编号：2024GGJS056），河南理工大学“拓新团队”培育项目（编号：2024TXTD04），以及河南省研究生教育改革项目（编号：2025SJGLX399Y）。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

Hanrui Yang|Xinru Qiu|Chenhao Yang|Shuangshuang Liu|Menglong Zhang|Fusheng Chen|Ying Xin|Hongshun Yang

中国河南省郑州市河南理工大学食品科学与工程学院，邮编450001