紫苏醛对抗指状青霉的分子机制及其在柑橘保鲜中通过改性玉米淀粉实现的高效应用

《Food Bioscience》：Molecular mechanism of perillaldehyde against Penicillium digitatum and its efficiency application by modified cornstarch in citrus preservation

　　

摘要：

由Penicillium digitatum引起的柑橘绿霉病会给采后果实造成严重损失。已证明佩兰醛能有效抑制该菌，但其作用机制尚不完全清楚。本研究揭示，佩兰醛通过破坏细胞壁和膜的结构、引发能量消耗型无效代谢循环从而导致ATP耗尽和细胞不可逆死亡，以及扰乱碳、氮和脂质代谢的平衡来发挥抗真菌作用。为解决佩兰醛挥发性强且稳定性差的问题，研究人员制备了佩兰醛改性的玉米淀粉复合颗粒。其中，在100℃下制备的100PMCS具有最高的佩兰醛负载量（113.71毫克/克），并对Penicillium digitatum具有出色的抗真菌效果，同时还具备更好的热稳定性和抗氧化性能。在活体实验中，使用100PMCS处理的柑橘在5天时的病斑直径为15.10毫米，显著低于对照组的19.99毫米。此外，100PMCS还能有效延缓柑橘在储存过程中的品质下降。本研究为控制采后柑橘中的Penicillium digitatum提供了理论依据和绿色保鲜策略。

引言

柑橘是全球范围内种植面积最广、经济价值最高的果树之一。然而，在储存和运输过程中，柑橘极易受到病原真菌的侵害，这会大幅降低果实的品质和商业价值（Strano等人，2022年）。在这些病原菌中，Penicillium digitatum是最为常见的种类，其特点是孢子生成速度快且感染周期短（López-Pérez等人，2015年）。目前，控制这种病原菌主要依靠丙环唑等传统化学杀菌剂。但长期使用这些药剂不仅会导致病原菌产生抗药性，还会对生态环境和消费者健康构成威胁（Tisza等人，2025年）。因此，开发安全、高效且环保的生物基抗真菌方法，对于控制柑橘中的Penicillium digitatum而言十分迫切。

植物源精油因其广谱的抗真菌作用和安全性，被视为化学杀菌剂的理想替代品，受到了广泛关注（Bhatta，2021年）。佩兰醛是一种天然的单萜醛，主要从紫苏中提取，已被列入安全物质清单（Erhunmwunsee等人，2022年）。它对多种采后病原真菌具有广谱抗真菌活性，比如Fusarium graminearum（Meng等人，2024年）、Botryosphaeria dothidea（Zeng等人，2024年）、Aspergillus flavus（Zhuo等人，2024年）以及ceratocystis fimbriata（Wang等人，2024年）。此前研究已证实，佩兰醛可通过破坏细胞膜结构、引发活性氧积累以及干扰真菌代谢途径，对Penicillium digitatum发挥强烈的抗真菌作用（Liu等人，2025年）。不过，其具体作用靶点和分子机制仍有待进一步阐明。此外，佩兰醛的高挥发性和不稳定性能限制了它的应用范围。因此，构建合适的递送系统对于提升其在抑制Penicillium digitatum方面的应用效果至关重要。

作为最为丰富且可再生的多糖之一，淀粉已被广泛研究作为用于稳定和控释生物活性成分的理想载体材料（Cui等人，2026年）。但天然淀粉存在溶解度低、回生现象严重以及疏水性较弱等问题，这些缺陷限制了其对亲脂性活性成分的包封能力。因此，人们通常会对淀粉进行改性处理，以改善其结构和功能。在各类改性淀粉中，改性玉米淀粉因成本较低、生物相容性良好、成膜能力强以及微包封效果优异而备受关注（Kapoor等人，2025年）。通过对玉米淀粉进行适当的物理或化学改性，可以调节其晶体结构，形成疏水的螺旋状空腔，进而改善表面性质，增强其与疏水性物质的结合能力，形成稳定的包合物（W?odarczyk-Stasiak等人，2017年）。这类基于玉米淀粉的复合材料不仅能提高精油的热稳定性和抗氧化性，还能在界面处实现靶向且持续的释放（Santos等人，2024年；Sharif等人，2017年）。目前，改性玉米淀粉已被用于肉桂（Feng等人，2025年）、薄荷醇（Laras Putri等人，2025年）以及橙花精油的包封、保护及控释（Jarined Amaral等人，2019年）。不过，现有关于基于淀粉的精油递送系统的研究大多集中在优化包封效率及物理化学稳定性方面，而在针对采后病原真菌的控制以及维持果实品质方面的活体验证还较为不足。此外，很少有研究将精油的分子抗真菌机制与淀粉载体的结构设计联系起来，改性参数与持续抗真菌效果之间的构效关系也尚未明确。对于具有强效抗真菌活性的挥发性单萜类物质佩兰醛而言，目前还缺乏关于基于改性玉米淀粉的递送系统的构建及其在控制由Penicillium digitatum引起的柑橘绿霉病方面的实际应用效果的系统性研究。

本研究首先通过转录组学和蛋白质组学方法，阐明了佩兰醛对抗Penicillium digitatum的分子机制，通过分析基因表达和蛋白质含量的变化，确定了关键的调控节点以及受影响的代谢途径。随后，为解决佩兰醛挥发性强且稳定性差的问题，研究人员制备了佩兰醛改性的玉米淀粉复合颗粒，并对其佩兰醛负载量、结构特性、抗真菌及抗氧化性能进行了研究，以便筛选出最优的复合颗粒配方。最后，通过柑橘果实试验，验证了所优化复合颗粒的实际抗真菌效果及采后保鲜潜力。本研究为高效利用佩兰醛抑制采后柑橘中的Penicillium digitatum提供了可行的策略。

章节要点

试剂

玉米淀粉购自美国Ingredion Incorporated公司。佩兰醛（纯度≥95%）和磷酸盐缓冲液则购自中国上海的上海源恩生物科技有限公司。2,2'-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS）、2,2-二苯基-1-苦基肼（DPPH）以及碘化丙啶染色溶液均购自中国上海的国药集团化学试剂有限公司。活性氧检测试剂盒则购自中国上海的上海贝泰姆生物科技有限公司。

佩兰醛对抗Penicillium digitatum的活体验证

如图1B所示，0天时所有柑橘都新鲜完整，未观察到明显病斑。在储存过程中，对照组柑橘出现了严重的腐烂现象，而经过佩兰醛处理的柑橘则显著延缓了病斑的扩展，其抑制效果与丙环唑相当（图1C-D）。尤其是在5天时，经过佩兰醛处理的柑橘仅出现轻微的局部褐变，其病斑直径和腐烂面积分别控制在约25.33毫米和696.51平方毫米左右。由此可见，佩兰醛具有显著的抗真菌效果。

结论

佩兰醛可通过靶向细胞膜、抑制ATP合成、下调核心代谢途径以及扰乱碳、氮和脂质的代谢平衡，对Penicillium digitatum发挥强大的抗真菌作用。虽然佩兰醛的抗真菌机制已较为明确，但其高挥发性和较差的稳定性使得它难以直接用于采后处理。为此，研究人员采用了改性玉米淀粉包封技术来解决这一难题。改性玉米淀粉包封显著提升了佩兰醛的稳定性。

作者贡献说明

王荣荣：项目指导、项目管理、实验研究、资金申请、概念构思。丁胜华：文章撰写与修改、资金申请。史萌：软件分析。刘奇科：数据可视化、统计分析。蒋思敏：文章撰写与修改、初稿撰写、方法设计、实验研究、统计分析、数据整理。

未引用参考文献

Adolfsen和Brynildsen，2015年；Atarés和Chiralt，2016年；Dos Santos和Franco，2023年；Li和Hoppe，2023年；Ritger和Peppas，1987年；Trott和Olson，2010年；Whitehouse和Moore，2013年；Zhang和Rock，2008年。

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利益冲突或个人关系。

数据可用性

相关数据将在有需求时提供。

利益冲突声明

本论文的提交不存在任何利益冲突，且所有作者均已同意发表该论文。

致谢

本研究得到了“十四五”国家重点研发计划项目（2023YFD2100301-1）、岳麓山实验室现代种业关键项目（YLS-2025-ZY01010）以及岳麓山实验室关键新品种培育项目（YSL2025-ZY02033）的支持。

蒋思敏|刘奇科|史萌|丁胜华|王荣荣

中国湖南省长沙市湖南农业大学食品科学与技术学院，邮编410128