综述：多功能可食用涂层结合精油与益生菌：相互作用、配方策略及未来展望

《Journal of Food Measurement and Characterization》：Multifunctional edible coatings incorporating essential oils and probiotics: Interactions, formulation strategies, and future perspectives

　　

本综述批判性审视了用于水果保鲜的可食用涂层的最新进展，重点关注草莓，聚焦于精油（EOs）和益生菌微生物的掺入。与描述性概述不同，本综述提出了一种基于证据、面向决策的框架，该框架整合了机制理解、定量配方参数、涂层结构和经济技术考量，以支持合理的配方设计和工业转化。实验证据、文献趋势和新兴技术被批判性综合，以展示多功能涂层系统如何同时增强微生物控制、延长保质期并提供功能益处。特别关注了EOs与益生菌细胞之间的生物相互作用，区分了经过实验验证的机制与新兴假说，并强调了膜破坏、控释和包封在平衡抗菌功效与益生菌活力中的核心作用。不同的配方策略，包括直接掺入、包封系统、多层结构和刺激响应型涂层，根据其技术性能、释放行为、可扩展性和工业适用性进行了比较评估。本综述还指出了关键的知识空白，特别是关于定量配方基准、标准化释放动力学、工业验证和法规协调方面。最后，讨论了新兴数字技术，包括人工智能（AI）、机器学习（ML）、数字孪生（Digital Twins）和高通量筛选（HTS），作为加速配方优化和预测性涂层设计的有前景的工具。总体而言，本综述提供了一份转化路线图，支持从经验性配方向机制指导的多功能可食用涂层开发转变，以实现可持续的采后保鲜。

引言

人口增长、城市化和消费者对新鲜、最低程度加工及高品质食品需求的增加，加剧了对有效采后保鲜技术的需求。水果因其感官属性和营养价值而广受青睐，但因其高水分含量（75–95%）、强烈的代谢活动以及对微生物腐败的敏感性而极易腐烂。采后损失可达总产量的40%，特别是在发展中国家。延长水果保质期对于减少浪费和确保品质至关重要。可食用涂层已成为一种可持续策略，在水果表面形成薄层，作为气体交换、水分流失和微生物污染的半透性屏障。这些涂层可由多糖、蛋白质或脂质制备，并可富集生物活性化合物以增强保鲜效果。天然抗菌剂，特别是精油（EOs），因其广谱抗真菌和抗氧化特性而被广泛研究。然而，其挥发性、理化不稳定性、快速释放和感官影响限制了直接应用，凸显了适当配方和控释策略的重要性。益生菌微生物是另一种有前景的功能化方法，除了已确立的健康益处外，某些菌株还能产生有机酸和抗菌代谢物，抑制腐败微生物，同时将水果转化为有益细菌的潜在载体。尽管在富含EOs或益生菌的可食用涂层开发方面取得了显著进展，但这些研究途径在很大程度上是独立发展的。EOs基系统主要关注最大化抗真菌功效和保鲜性能，而益生菌富集涂层则强调活力保持和功能递送。这种分离造成了一个重要的科学和技术空白，因为抗菌功效和益生菌存活通常由相互竞争的机制控制。EOs可能通过膜破坏、氧化应激、ATP耗竭和干扰细胞稳态对益生菌细胞产生负面影响，而涂层结构、基质亲水性和释放行为进一步调节这些相互作用。因此，平衡微生物控制、益生菌保护、理化稳定性和感官接受度仍是多功能涂层设计中的主要挑战。当前研究仍以经验性为主，系统理解、比较或机制建模EOs、益生菌微生物和涂层基质之间相互作用的努力相对有限。因此，能够整合抗菌活性、益生菌活力、控释和基质工程的机制导向配方方法仍未得到充分探索。本综述整合了机制EO-益生菌相互作用、定量配方参数、控释策略、比较涂层结构、工业转化、经济技术考量和法规视角，构建了一个统一的基于证据的框架，特别关注草莓作为主要的模型水果，同时强调可广泛应用于其他新鲜农产品系统的概念。

研究景观与文献计量概述

对有关水果可食用涂层的文献进行了描述性文献计量概述，以 contextualize 结合精油（EOs）和益生菌的研究演变。数据组织和检索使用Scopus、Web of Science、ScienceDirect、PubMed和Google Scholar等数据库，检索时间截至2025年7月。审查工作流程遵循PRISMA风格方法以提高透明度和可重复性。经过筛选，最终纳入90篇参考文献进行详细分析。文献计量结果显示，过去二十年间关于水果可食用涂层的出版物急剧增加，从2000年代初的每年不到10篇增至2024年的150多篇。这一增长反映了对可持续保鲜技术和天然食品需求的增加。大多数研究为原创研究文章（约70%），其次为综述论文（约15%）。该领域经历了显著的主题演变：早期研究主要关注减少水分流失和延长保质期的生物聚合物基质；随后研究逐渐纳入EOs和纳米乳液技术以改善抗菌性能和稳定挥发性化合物；最近，注意力转向了整合益生菌、多层结构、包封技术和控释方法的多功能涂层系统。当前趋势进一步强调机制导向配方设计、工业可扩展性、法规方面、消费者接受度以及包括人工智能（AI）和预测建模在内的数字技术，作为加速配方优化和商业实施的工具。地理上，中国（约25%）、印度（约18%）和美国（约12%）在出版物数量上领先，欧洲和拉丁美洲（特别是巴西，约8%）也有相关贡献。尽管该领域迅速扩展，但将EOs和益生菌结合在同一涂层中的研究仍然有限。现有文献主要集中于单独的抗菌活性或益生菌掺入，对多功能配方中机制相互作用和技术权衡的关注有限。本综述通过表1与代表性综述文章进行比较，突出了本综述的独特贡献：将机制EO-益生菌相互作用、定量配方参数、比较涂层结构、控释策略、工业转化和法规考量整合在单一基于证据的框架内。

草莓：经济重要性、易腐性和保鲜策略

草莓（Fragaria × ananassa Duch.）是一种杂交假果，因其亮色、甜味和高含量的花青素、类黄酮、维生素C、矿物质及其他生物活性化合物而具有高度消费者接受度。全球草莓年产量目前超过900万吨。作为一种非跃变型水果，草莓必须在成熟时收获，具有强烈的代谢活动，极易受微生物攻击和机械损伤，保质期短，室温下约两天，冷藏下约一周。采后腐烂可能影响30–50%的收获果实。草莓被选为本综述的主要模型水果，因为它们是用于可食用涂层应用研究最广泛的系统之一，并且由于其高易腐性和对真菌腐败的敏感性，构成了评估多功能保鲜策略的严格模型。然而，所讨论的许多基本概念，如EO介导的抗菌活性、益生菌保护、包封、控释行为以及涂层结构对保鲜性能的影响，预计可广泛适用于其他水果系统。相反，定量配方参数、释放动力学、感官反应和保鲜功效应被解释为依赖于水果的变量，因为角质层组成、表面形态、呼吸速率、水分含量和贮藏生理的差异可能显著影响涂层性能。

采后损失和主要病原体

采后损失具有重大的社会经济和环境影响。影响草莓的主要采后真菌是灰葡萄孢（Botrytis cinerea）和匍枝根霉（Rhizopus stolonifer），分别引起灰霉病和软腐病，共同导致高达30%的采后损失。灰葡萄孢是一种坏死营养真菌，在高湿度和温和温度下有利，冷藏下仍具活性，使采后控制特别具有挑战性。匍枝根霉通过降解果胶引起软腐病，在潮湿贮藏条件下迅速传播。化学杀菌剂仍被广泛使用，但连续应用引起了对残留物、人类健康和真菌抗药性的担忧，因此对能够控制采后病原体同时最小化环境影响的天然保鲜策略兴趣日益增加。

用于水果保鲜和功能化的可食用涂层

可食用涂层是直接在食品上形成的薄层，用于延长保质期并保护免受物理、机械和微生物损伤。它们作为气体和水蒸气的半透性屏障，减缓呼吸和衰老，同时保持感官和营养属性。与常规塑料相比，可食用涂层可生物降解、低成本、无毒且被消费者广泛接受。其配方基于生物聚合物（多糖、蛋白质或脂质），结合增塑剂、乳化剂和抗菌剂或抗氧化剂等活性剂。最常用的应用方法包括浸涂、喷涂和刷涂，选择取决于涂层粘度、水果形态、生产规模和所需涂层厚度。除了表2总结的壁材特性外，涂层基质在阻隔性能、与生物活性化合物的相容性、机械抗性和技术性能方面存在差异。多糖基质（特别是壳聚糖、海藻酸盐和羧甲基纤维素）因其优异的成膜能力、透明度和气体阻隔性能而主导当前配方。壳聚糖尤其具有吸引力，因为它结合了固有的抗菌活性和与EOs掺入的高相容性，尽管其亲水性可能在高湿度下降低水蒸气阻隔性。蛋白质基质（包括明胶和乳清蛋白）通常提供优异的机械柔韧性和有利于益生菌存活的微环境，而脂质基涂层提供出色的水分屏障，但往往表现出较低的机械稳定性和与亲水性生物活性化合物的相容性。因此，近期研究越来越关注组合不同生物聚合物互补特性的复合和杂化基质，以改善阻隔性能、理化稳定性和配方多功能性。这些进展为掺入EOs和益生菌微生物提供了结构基础。

用于草莓真菌控制的活性可食用涂层

草莓的采后腐败主要由真菌引起，传统上用合成杀菌剂控制。尽管有效，但其连续使用引起了对化学残留、环境影响和人类健康以及抗性真菌菌株出现的担忧。植物源化合物如精油（EOs）已成为环保替代品。EOs具有多组分组成（萜烯、酚类、醛类、酮类），提供广谱抗真菌活性并降低抗性发展可能性。最完善的抗真菌机制涉及破坏真菌细胞膜完整性，导致离子、蛋白质和其他必需细胞内成分泄漏。亲脂性化合物如百里香酚和香芹酚插入脂质双层，增加膜流动性和渗透性。此外，EOs与麦角固醇相互作用，麦角固醇是一种关键的膜成分，从而以类似于两性霉素B的方式破坏其结构和功能。另一个相关机制是通过过量产生活性氧（ROS）诱导氧化应激，从而损伤脂质、蛋白质和核酸，导致凋亡或坏死。某些EO成分还抑制参与细胞壁生物合成（特别是β-葡聚糖和几丁质生产）的酶，损害真菌结构完整性。此外，有证据表明EOs通过干扰细胞呼吸、改变膜电位和抑制电子传递链酶来影响线粒体功能，导致ATP耗竭。EOs还可能干扰群体感应机制，阻碍生物膜形成并降低真菌毒力。尽管有效，但EOs的直接应用受到高挥发性、低水溶性、易氧化和强烈香气的限制。掺入可食用涂层基质可保护挥发性化合物免于降解，改善其在聚合物网络中的分散，最小化不良感官影响，并将屏障和抗菌功能结合在单一保鲜系统中。纳米乳液和其他包封方法进一步提高了EOs稳定性、分散性和抗真菌性能，延长了其在活性可食用涂层中的适用性。表3总结了应用于草莓的基于EO的涂层研究，表明壳聚糖和羧甲基纤维素是最常用的基质，而肉桂和百里香衍生的EOs始终表现出强大的抗真菌性能。除了真菌抑制外，许多配方还能减少重量损失，保持硬度和抗氧化化合物，并维持感官质量，突显了基于EO的可食用涂层的多功能潜力。

富含益生菌的可食用涂层

可食用涂层是一种多功能技术，不仅可减少水分流失和气体交换，还可作为生物活性化合物（如益生菌）的载体，无需合成添加剂即可延长保质期并提供额外的健康益处。将益生菌掺入基于生物聚合物的基质（如海藻酸盐、果胶、壳聚糖、植物蛋白）中可增强微生物在贮藏期间的活力，并保护益生菌细胞免受胃肠道应激，确保充分递送至肠道。定期食用益生菌与多种有益作用相关，包括调节肠道微生物群、通过竞争性排斥和抗菌代谢物产生抑制病原体、刺激肠粘液分泌、调节免疫反应以及预防胃肠道疾病和高胆固醇血症。因此，可食用涂层作为功能性递送系统受到越来越多的关注，能够将活的益生菌培养物直接掺入水果表面而不显著损害感官品质。传统上，乳制品是益生菌递送的主要载体，但对植物性和无乳糖产品的需求增长刺激了对水果和蔬菜作为替代益生菌载体的兴趣。可食用涂层因此代表了一种同时保存水果质量和递送活益生菌微生物的有吸引力的策略。表4总结了应用于水果的益生菌富集可食用涂层，强调了菌株存活、贮藏期间活力保持和基质依赖性保护。总体而言，观察到菌株和涂层系统之间益生菌持久性存在相当大的变异性，表明活力取决于益生菌菌株、涂层基质和贮藏条件之间的相互作用，而不仅仅是达到最小功能阈值（≥10⁶?10⁷ CFU/g）。比较证据表明，冷藏贮藏期间活力损失通常在约1.4至2.5 log CFU/g之间，具体取决于益生菌菌株、涂层组成和包封策略。基于海藻酸盐微胶囊、静电纺丝纳米纤维和多层结构的系统通常表现出优异的活力保持，在16–21天冷藏贮藏期间通常将减少限制在约1.4–1.5 log CFU/g。相比之下，传统的纤维素基系统和一些非包封基质可能经历更大的活力下降，偶尔超过2 log CFU/g。菌株特异性行为也起着重要作用，植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）和鼠李糖乳酪杆菌（Lacticaseibacillus spp.）通常在冷藏贮藏中表现出更强的持久性，而海藻酸盐基质由于其温和的凝胶条件和有利的扩散特性经常提供更优的保护。含蛋白质的基质可能通过缓冲能力和营养支持进一步增强活力，而高度亲水的系统可能在长期贮藏期间更容易受到水分引起的结构不稳定性的影响。

走向机制指导的多功能可食用涂层设计

开发同时掺入精油（EOs）和益生菌微生物的多功能可食用涂层是下一代水果保鲜的最有前景的策略之一。然而，成功的配方需要平衡多个且经常相互竞争的目标，包括抗真菌功效、益生菌活力、理化稳定性、控释、感官接受度、工业可扩展性和法规可行性。实现这种平衡仍然具有挑战性，因为这些变量高度相互依赖，必须同时优化而不是单独优化。迄今为止发表的大多数研究通过修改单一配方成分并在特定实验条件下评估保鲜性能来经验性地优化这些变量。尽管这种还原论方法产生了关于单个涂层成分的宝贵知识，但在预测基质组成、包封策略、释放行为或涂层结构如何影响抗菌和益生菌组分同时进行的性能方面提供的指导有限。因此，配方开发在很大程度上仍然是反复试验，限制了可重复性、可扩展性和工业转化。推进该领域需要超越经验优化，走向机制导向的配方设计，其中涂层结构根据控制EO活性、益生菌保护、扩散现象和基质理化性质的生物相互作用来选择。图6提出的框架总结了这种面向决策的策略，整合了影响多功能涂层性能的主要配方变量。根据预期的保鲜目标，直接掺入、包封系统、多层结构或刺激响应型涂层可能在活性化合物保护、释放动力学、抗菌持久性、技术复杂性、可扩展性和经济可行性方面提供不同的优势。因此，涂层结构应被视为战略设计变量，而不仅仅是配方成分，因为它直接决定了活性成分、周围基质和目标食品系统之间的相互作用。通过将机制理解与定量配方参数和实际设计优先级联系起来，本综述提出的框架为根据预期应用选择涂层结构提供了合理基础，支持从经验配方向预测性、机制导向的开发过渡，从而促进实验室优化、中试规模验证和多功能可食用涂层系统的工业实施。

支持机制导向涂层设计的定量配方参数

虽然图6的概念框架建立了合理涂层设计的原则，但其实际实施取决于直接影响抗菌功效、益生菌活力、释放行为和技术可行性的定量配方参数。表5总结了开发含有EOs和/或益生菌的可食用涂层的代表性研究，为根据预期保鲜策略选择活性浓度、递送系统、贮藏条件和涂层结构提供了实用基准。表5中的研究揭示了一些一致的配方趋势。EO浓度通常在0.05至3.0%之间，具体取决于所选油的抗菌效力、涂层组成和目标商品。初始益生菌接种量通常在10⁸至10¹¹ CFU/mL之间，允许在大多数成功配方中在整个冷藏贮藏期间维持高于推荐功能阈值的活种群。先进递送系统，包括纳米乳液、Pickering乳液、β-环糊精包合物、多层涂层、双层结构和海藻酸盐基微包封，始终改善了活性化合物稳定性，最小化了EO挥发，增强了释放控制，并提高了益生菌存活率，与直接掺入策略相比。另一个重要发现是，与单独含有任一成分的配方相比，同时在同一可食用涂层中掺入EOs和益生菌的研究仍然非常稀少。这一观察结果确定了当前文献中的主要知识空白之一，并突显了对能够最小化拮抗性EO-益生菌相互作用同时保持抗菌功效和益生菌功能的配方策略的需求（图7）。另一个重要限制是关于描述配方性能的定量信息的可用性相对有限。尽管先进递送系统的包封效率超过85–90%已有报道，但释放动力学的系统评估仍然稀少，并且很少有研究将释放曲线与益生菌活力、抗菌性能和理化稳定性在现实贮藏条件下相关联。因此，仍需要整合包封效率、释放行为和长期益生菌活力的标准化方法，以实现配方策略之间更可靠的比较。这些定量基准将经验配方数据转化为实用设计标准，支持根据抗菌性能、益生菌功能、技术复杂性和工业适用性之间所需平衡，基于证据选择涂层组成、活性化合物浓度、递送结构和贮藏条件。

精油与益生菌之间的机制相互作用

EO-益生菌相互作用的机制理解在文献中仍然不均匀。虽然EOs的几种抗菌机制已在微生物系统中直接证明，但其他机制是从相关益生菌研究推断出来的，或者由于多功能可食用涂层系统中可用的实验证据有限而仍然是假设性的。为了严格评估当前的知识状态，提出的相互作用机制根据其实验支持程度进行了分类，区分了经过实验验证的机制、由相关微生物系统支持的机制以及需要进一步研究的新兴假说（表6）。共负载系统中的一个关键挑战在于EOs固有的抗菌性质，可能对益生菌活力产生负面影响。负责抗真菌活性的相同机制，如破坏细胞膜、增加渗透性、细胞内成分泄漏和诱导氧化应激，也可能损害益生菌细胞。因此，配方性能取决于平衡针对病原体控制的抗菌功效与保持益生菌功能。EO酚类化合物如百里香酚、香芹酚和肉桂醛已在实验上与膜相关抗菌效应相关联，包括破坏质子梯度、改变膜渗透性、细胞内成分泄漏和损害细胞能量代谢。来自微生物系统的实验证据表明，这些化合物可能干扰膜完整性和细胞呼吸，导致ATP耗竭和膜电位改变。此外，亲脂性EO成分可能在膜双层内积累，影响渗透性和参与应激调节及能量代谢的膜相关蛋白。在所有提出的机制中，膜破坏和细胞能量代谢损害构成了目前可用的最强有力的实验支持证据，因此代表了合理配方设计的主要机制基础（表6）。ROS介导的应激也被认为是EO诱导微生物损伤的重要贡献者。过量的ROS生成可能促进脂质过氧化以及蛋白质和核酸的氧化，可能损害益生菌存活。然而，ROS介导途径的相对贡献及其在含益生菌可食用涂层系统中的具体相关性仍不完全清楚，可能取决于EO组成、浓度和暴露条件。一些暴露于亚抑制EO浓度的益生菌微生物已被报道表现出涉及抗氧化酶、热休克蛋白和膜重塑途径的应激反应激活。因此，表6表明，支持ROS介导损伤的证据仍然大大不如膜相关机制可用的证据有力。支持适应性反应的证据同样在很大程度上取决于菌株，并且主要来自分离的微生物系统，而不是多功能可食用涂层环境。提出的机制包括脂肪酸组成改变、膜重塑和增加胞外多糖产生，这可能部分减轻膜损伤和氧化应激，尽管在现实涂层和贮藏条件下的验证仍然是必需的。同样，群体感应调节和其他调节反应已被建议为潜在相关机制，但目前主要依赖于从相关微生物系统获得的间接证据。涂层结构进一步调节这些生物相互作用。包封、多层结构和其他控释系统通过空间分离活性化合物和调节EO扩散，减少了EOs与益生菌细胞之间的直接接触。实验证据一致表明，这些结构提高了益生菌存活率，同时保持了抗菌活性，使控释和包封介导的保护成为目前可用的最稳健的配方策略之一（表6）。相反，在高EO浓度、快速释放动力学和益生菌细胞直接暴露于抗菌化合物的条件下，拮抗相互作用更可能发生。总体而言，当前证据表明，膜破坏、细胞能量代谢损害、控释和包封介导的保护代表了可用于指导配方开发的最一致验证的机制。相比之下，适应性膜重塑、胞外多糖产生、ROS介导的耐受性和群体感应调节目前应被视为生物学上合理但验证不足的假说，需要在多功能可食用涂层系统中得到确认。这一证据层次强化了在设计下一代多功能可食用涂层时整合生物机制与配方结构的重要性。

多功能涂层设计策略

为了调和抗菌活性与益生菌存活，选择合适的涂层结构成为最重要的配方决策之一。从配方角度来看，多功能可食用涂层可大致分为四种互补的设计策略：（i）直接掺入系统，其中EOs和益生菌分散在同一基质中；（ii）包封系统，改善活性化合物保护并促进控释；（iii）多层结构，将抗菌化合物与益生菌细胞空间分离；以及（iv）刺激响应系统，能够根据pH、温度或湿度等环境触发因素调节释放。如表5所总结，这些结构在定量配方参数、释放特性、技术性能和工业转化潜力方面差异很大。尽管增加结构复杂性通常增强活性化合物保护、释放控制和益生菌存活，但它也增加了制造成本、加工要求、法规复杂性和放大挑战。因此，选择最合适的配方应涉及平衡抗菌功效、益生菌功能、感官质量、制造可行性与现有工业涂层技术的兼容性，而不是最大化任何单一性能参数。包封和纳米级递送系统已被证明在克服EOs的固有局限性（包括挥发性、低水溶性和快速降解）方面特别有效，同时改善分散并延长抗菌活性。表5中总结的代表性研究进一步表明，纳米乳液、Pickering乳液、β-环糊精包合物、多层涂层和海藻酸盐基微包封在活性化合物稳定性和益生菌活力方面始终优于直接掺入。然而，这些优势必须与增加的配方复杂性和生产成本进行权衡。控释行为是另一个关键设计标准。快速的“突释”可能提供即时的抗真菌保护，但同时增加对益生菌细胞的膜和氧化应激。相比之下，扩散控制和刺激响应系统通常提供更渐进的释放曲线，在延长贮藏期间维持抗菌活性，同时最小化益生菌微生物对EOs的直接暴露。尽管取得了这些进展，重要的知识空白仍然存在。如表5所强调，相对较少的研究在等效贮藏条件下定量关联包封效率、释放动力学、益生菌活力和保质期性能。此外，成功的工业实施需要将配方优化与技术经济可行性、与现有涂层设备的兼容性、法规批准途径、消费者接受度以及在商业供应链条件下的验证相结合。

走向合理设计与工业转化

前面章节讨论的配方策略表明，成功的多功能可食用涂层不能通过最大化单一性能参数来优化。相反，配方开发需要平衡抗菌功效、益生菌活力、释放行为、理化稳定性、感官质量、制造可行性、法规符合性和经济竞争力。这种系统导向的视角强化了涂层结构应被视为战略设计决策，而不仅仅是生物活性化合物的载体。未来研究应优先将微生物学、理化、技术和感官信息整合到预测性、机制导向的配方框架中。选择EO耐受性益生菌菌株、优化包封技术、定量评估控释行为以及在现实贮藏条件下验证多功能涂层结构，是改善保鲜性能和促进工业实施的关键步骤。此外，这些系统的工业应用需要克服与可扩展性、法规批准、配方稳定性和消费者接受度相关的挑战。尽管基于EO的涂层显示出强大的抗真菌潜力，但其实际应用仍受到理化不稳定性、活性化合物挥发性和在贮藏期间维持益生菌活力困难的限制。