用于樱桃番茄保鲜的掺入香蕉皮废弃物衍生生物分子的海藻酸钠/肉桂醛可食用涂层中屏障性能与采后生理的组分特异性调控

《Food Bioscience》：Fraction-specific regulation of barrier properties and postharvest physiology in alginate/cinnamaldehyde edible coatings incorporating banana peel waste-derived biomolecules for cherry tomato preservation

　　

摘要：本研究开发了一种组分特异性增值策略，通过 L9(3^4) 正交设计，利用从香蕉皮中提取的蛋白质 (SPP)、多糖 (SPPs) 和脂质 (SPL) 组分，构建了多功能海藻酸钠 - 肉桂醛可食用涂层。这项工作阐明了不同的生物分子组分如何调节樱桃番茄的涂层结构和采后性能。结果表明，香蕉皮衍生的组分从根本上重塑了薄膜微观结构和界面相互作用。多糖增强了氢键网络密度，蛋白质促成了异质但功能性的分子间相互作用，而脂质促进了疏水域的形成和紧密链堆积，在 SCL 中产生了最有效的屏障结构。因此，SCL 表现出最低的含水率和水蒸气透过率，同时表面粗糙度降低，结构完整性提高。这些分子层面的差异转化为水果保鲜中的显著生理效应。与未涂层的果实（第 15 天重量损失和腐烂>30%）相比，所有涂层都显著抑制了呼吸、乙烯释放、硬度损失和汁液泄漏，并在储存期间稳定了 TSS (>5) 和 TA。值得注意的是，SCL 将市场货架期延长至 20 天以上，感官评分保持在 8 分以上，并显示出对代谢恶化的最强抑制作用。与此同时，涂层调节了气体交换行为，有效地解耦了呼吸驱动的基质消耗和乙烯介导的成熟。这项工作建立了一种清晰的组分 - 结构 - 功能关系，其中富含脂质的组装体主要主导屏障性能和保鲜性能，而多糖和蛋白质调节网络稳定性和生物活性。这些发现为将香蕉皮废弃物升级再造为高性能可食用涂层提供了机制框架，并强调组分工程是实现农产品采后可持续保鲜的有效策略。

引言
香蕉是全球种植和消费最广泛的热带水果之一。香蕉皮 (BP) 占总果质量的 30%–40%，传统上被视为利用效率低的农业废弃物 (Yasin, 2025)。最近的研究表明，BP 含有大量的功能生物分子，包括多糖、蛋白质、脂质和酚类化合物，这为将这种农业残留物转化为增值功能材料提供了潜在机会 (Emmanuel et al., 2025)。这些化合物具有抗氧化、抗菌和乳化特性，还可以与生物聚合物基体相互作用，增强可食用薄膜的机械完整性和屏障性能 (Sanchez et al., 2025)。Arquelau et al. (2019) 将成熟的 Prata BP 面粉与淀粉共处理，通过形成紧密的生物聚合物网络，生成了具有卓越屏障性能的可食用薄膜。Silva et al. (2020) 证明，在 BP 基薄膜中富含植物提取物显著增强了抗氧化功能。同样，Taweechat et al. (2021) 报告称，在淀粉基薄膜中掺入 BP 提取物不仅改善了抗氧化性能，还延长了食品产品的货架期。总体而言，BP 衍生组分在可食用薄膜和涂层中的增值应用以及绿色食品包装材料方面越来越受到关注 (Rahmawati et al., 2025)。研究表明，BP 基薄膜，包括富含植物或 BP 提取物的淀粉和壳聚糖复合材料，表现出改善的机械强度、屏障性能、生物降解性和抗氧化活性 (Zhang et al., 2020)。然而，现有研究主要强调酚类化合物的抗氧化特性，而其他 BP 组分的贡献和协同效应 largely underexplored (Mahmoud & Rahman, 2025)。尽管最近的努力证明了直接将香蕉皮生物质掺入基于海藻酸钠的薄膜中用于樱桃番茄保鲜的可行性 (?zgen and Olukman ?ahin, 2026)，但源自香蕉皮的单个生物分子组分的功能作用仍不清楚。

全球对食品安全、环保和可持续发展日益增长的重视，导致了替代石油基塑料包装材料的迫切需要。源自天然产品的可食用薄膜因其生物降解性、生物相容性和环境安全性，成为食品包装的有前景的候选材料 (Matloob et al., 2023; Ncube et al., 2020)。

海藻酸钠 (SA) 是一种天然衍生的阴离子多糖，由于其优异的成膜能力、生物相容性以及包裹和递送亲水性生物活性化合物的能力，受到了广泛关注 (Senturk Parreidt et al., 2018)。然而，SA 薄膜固有的亲水性和相对较弱的机械性能限制了其实际应用。掺入天然生物质衍生的组分被认为是一种改善 SA 基材料功能特性的有效策略 (Bhat & Aminabhavi, 2007)。为了解决这些局限性，天然多糖 (Bhatia, et al., 2023)、蛋白质 (Urbanova et al., 2024)、植物衍生的脂质 (Borchers & Pieler, 2010) 和精油 (Doyle et al., 2019) 已被掺入 SA 基体中，以开发具有改善性能的功能复合材料。最近的研究表明，香蕉皮纤维可以增强基于海藻酸钠的生物塑料，提高其机械性能，并证明了将香蕉皮衍生物材料与海藻酸钠基体结合用于可持续包装应用的可行性 (Simorangkir et al., 2026)。肉桂醛 (CIN) 是肉桂油的主要活性成分，通常被用于赋予可食用涂层抗菌活性 (Doyle et al., 2019)。然而，此类化合物的高挥发性往往导致加工过程中大量损失和有限的抗菌耐久性。Ye et al. (2013) 和 Huang et al. (2021) 记录了 CIN 与其他天然化合物之间的协同抗菌效应。这些复合系统不仅增强了物理化学性质（例如，拉伸强度、水蒸气透过率 (WVP) 和热稳定性），还赋予了食品保鲜的关键功能，如抗氧化和抗菌活性。Du et al. (2021) 使用层层 (LbL) 自组装策略开发了一种具有显著自愈合能力（机械恢复率：97%）的 SA/壳聚糖 (CS) 三层涂层，并显著改善了针对水蒸气和氧气的屏障性能，从而延长了草莓的货架期。在另一项研究中，Lu et al. (2021) 将 2%–3% (w/w 或 v/v) 的牛至精油掺入 SA 基薄膜中，用聚氧化乙烯或甘油增塑薄膜，并用 Ca2+ 进行离子交联。改性后的薄膜表现出降低的 WVP，略低的拉伸强度，改善的断裂伸长率，以及对革兰氏阳性和 - 阴性细菌的有效抗菌活性（抑制区≈ 11–19 mm）。此外，Zhang et al. (2023) 证明，在 SA-酪蛋白薄膜中包含鼠尾草精油导致含水率 (MC) 和溶解度降低，同时在多元醇基体中保持了结构完整性。同样，羧甲基壳聚糖/SA 复合涂层显著降低了 WVP，并实现了对大肠杆菌 (E. coli) 和金黄色葡萄球菌 (S. aureus) >99 % 的抗菌效率，延长了室温下草莓的货架期 (Geng et al., 2023)。综上所述，这些发现表明，将天然多糖、蛋白质和脂质掺入 SA 基体中可以协同增强相应涂层和薄膜的机械强度、防潮容量和生物活性。这种集成策略为开发适用于可持续食品包装应用的高性能多功能可食用薄膜提供了一个有前景的平台。

我们假设 BP 中的粗多糖、蛋白质和脂质各自对可食用薄膜的结构和性能有独特的贡献。此外，制备 BP 提取物时使用的不同条件可能会影响这些提取组分的产率和物理化学性质，而这一问题尚未得到系统调查。在本研究中，我们采用正交实验设计来优化从 BP 中提取粗多糖、蛋白质和脂质。每个提取的组分分别与 SA 混合制备复合材料薄膜。对薄膜的厚度、机械性能、WVP 和光学性能进行了表征。全面测量了它们在室温长期储存期间对保护樱桃番茄的影响。本研究旨在阐明不同的 BP 衍生功能组分对 SA 基薄膜结构、性能和性能的影响。通过关注材料功能和结构性能关系，我们的结果不仅为可食用功能薄膜的可持续设计和应用提供了理论支持，也为农业副产品的增值利用提供了理论支持。

片段章节

材料
有机种植香蕉 (Musa acuminata L. AAA 组；品种。大蕉，产自菲律宾) 由 Farmind Co. 供应。肉桂醛 (CIN, 99%)、三聚磷酸钠 (TPP)、甲醇 (≥99.9%, HPLC 级)、2,2-二苯基 -1-苦基肼 (DPPH) 和 SA 购自 Sigma-Aldrich Co., Ltd. (St. Louis, MO, USA)。Tween 80、甘油、胰蛋白胨大豆肉汤 (TSB) 和胰蛋白胨大豆琼脂 (TSA) 购自 FUJIFILM Wako Chemical Co., Ltd., Japan. 大肠杆菌 (15034) 和金黄色葡萄球菌

香蕉皮生物分子组分顺序提取的优化
根据 2.3.2 节描述的程序，进行单因素实验以评估 BP 等级和提取条件如何影响提取产率 (Borchers & Pieler, 2010)。提取参数对香蕉皮衍生生物分子组分回收率的影响与目标组分的物理化学性质以及提取条件与植物基质结构之间的相互作用密切相关。在不同的香蕉皮

结论
本研究表明，BP 衍生的生物分子在高效提取和合理组合时，可以提高用于采后包装的复合可食用薄膜的性能。与基础 SC 薄膜相比，掺入 BP 提取物延长了 SC 的保鲜能力。涂有 SCP、SCPs 尤其是 SCL 的樱桃番茄在储存期间重量损失显著减少，在 15–20 天后保持硬度，抑制了呼吸和乙烯产生，以及

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能看似影响了本文中报告的工作。

CRediT 作者贡献声明
罗东辉：资源，方法论。严西瑞：写作 – 回顾 & 编辑，方法论，调查，概念化。孟繁泽：写作 – 回顾 & 编辑，方法论，概念化。曾娇：写作 – 回顾 & 编辑，写作 – 原创草稿，可视化，软件，资源，方法论，调查，数据整理，概念化。田中文彦：写作 – 回顾 & 编辑，监督，项目管理，资金获取。田中史美：监督，资金

未引用参考文献
Athanasopoulou et al., 2024; Chemat et al., 2012; Hong et al., 2021; Medeiros Silva et al., 2020; Mursleen Yasin, 2025; Rhim, 2004; Thomas et al., 2008.

数据可用性
数据应要求提供。

利益冲突声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能看似影响了本文中报告的工作。

致谢
这项工作得到了 JST SPRING (授予编号 JPMJSP2136) 的支持。

曾娇 | 严西瑞 | 孟繁泽 | 罗东辉 | Reshaka Kavindi Malawara Arachchige | 石子沙枝 | 田中史美 | 田中文彦
九州大学生物资源与生物环境科学研究生院，福冈县福冈市西区元冈 744，日本 819-0395