载藻蓝蛋白-铜明胶-壳聚糖活性成膜溶液的开发及其在水果品质保鲜中的应用

《Foods》：Development of a Phycocyanin–Copper-Loaded Gelatin–Chitosan Active Forming Film Solution and Its Application in Fruit Quality Preservation

　　

以藻蓝蛋白-Cu²⁺负载明胶-壳聚糖复合膜（Gel/Cu@PC/Ch）作为活性包装材料，旨在解决新鲜农产品采后劣变问题。研究人员系统制备并表征了一系列不同壳聚糖（Ch）浓度（0.1%、0.5%、1%、5%，w/v）的复合膜。扫描电子显微镜（SEM）显示，Gel/Cu@PC/Ch0.5膜（含0.5%壳聚糖）表面及截面形貌光滑、无孔、无裂纹；而当壳聚糖添加量增至5%时，导致严重的结构开裂。Gel/Cu@PC/Ch0.5膜具有最大水接触角（101.13 ± 9.59°），表现出优异的表面疏水性。所有复合膜均具备出色的紫外屏蔽能力；同时，随着壳聚糖含量的增加，ABTS和DPPH自由基清除率逐渐升高，在5%Ch时分别达到79.71 ± 0.72%和84.91 ± 1.31%。抗菌评估中，由于Cu²⁺与壳聚糖的协同杀菌作用，Gel/Cu@PC/Ch0.5对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出有效抑制，抑菌圈直径分别为13.83 ± 0.42 mm和14.93 ± 0.83 mm。在为期12天的葡萄保鲜试验中，经Gel/Cu@PC/Ch0.5包裹的葡萄表现出最低的失重率（3.60 ± 0.30%），保留了最高的残余硬度（316.16 ± 13.81 g）和总可溶性固形物（TSS）含量，并在贮藏12天后维持显著较高的总抗氧化能力（TAC）值（0.71 ± 0.12 nM），整个贮藏过程中未观察到可见的微生物腐败或严重皱缩。这些结果表明，Gel/Cu@PC/Ch0.5复合膜实现了水分阻隔性能、抗氧化活性和广谱抗菌功效的理想整合，为新鲜水果保鲜提供了一种可扩展且可生物降解的活性食品包装平台。

论文解读：负载藻蓝蛋白-铜的明胶-壳聚糖活性复合膜用于水果保鲜的研究

**研究背景与意义**

水果富含维生素、微量元素和酚类物质等必需营养成分及生物活性化合物，对维持人体健康、预防慢性疾病具有重要作用，已成为日常膳食不可或缺的组成部分。然而，水果采后贮藏常伴随水分梯度迁移、呼吸代谢增强和微生物定植等多重因素导致的协同劣变，进而引发果肉组织机械强度下降、病理性腐烂及营养品质衰退。全球范围内水果采后损失率居高不下，不仅造成巨大经济损失，还对农业经济可持续发展构成严峻挑战。传统水果保鲜策略主要依赖化学防腐剂如二氧化硫和合成抗氧化剂，但化学试剂因潜在残留及对人体健康的不良影响而引发安全性担忧，消费者接受度低且在多地受到严格法规限制。因此，开发天然、安全、环境友好的新型水果保鲜技术成为食品工业的迫切需求。

食品包装膜作为一种物理保鲜手段，在天然性和安全性方面具有显著优势。然而，现有食品包装膜大多由不可再生的石油基合成高分子材料制成，难以生物降解，过度依赖焚烧和填埋等末端处理方式，加剧不可再生能源消耗并引发微塑料污染、土壤酸化和温室气体排放等环境问题。基于此，开发环境友好、生物基、可生物降解的包装材料以替代传统石油基塑料，成为食品包装领域亟待解决的关键挑战。

明胶（Gel）和壳聚糖（Ch）等天然多糖和蛋白质来源的生物基可降解包装材料被认为是替代传统石油基聚合物的最有前景的材料。壳聚糖具有良好的成膜性、生物降解性、生物相容性和广谱抗菌活性；明胶因其良好的生物相容性、可降解性和优异的成膜性能而被广泛研究。然而，单组分明胶/壳聚糖膜在抗氧化活性和抗菌功效等关键功能指标上仍存在明显不足，严重制约其在需要多功能性能的食品保鲜中的实际应用。藻蓝蛋白是一种天然蓝色色素，具有良好的抗氧化、抗炎和免疫调节活性，且可由螺旋藻商业化生产，成本相对较低，适合大规模应用于活性包装；但其稳定性差、易降解。研究人员先前研究表明，将Cu²⁺引入藻蓝蛋白（PC）形成PC-Cu²⁺复合物（Cu@PC），可显著增强PC的稳定性并降低其降解性。因此，将藻蓝蛋白-铜（Cu@PC）复合物掺入明胶/壳聚糖膜中，有望有效克服单一明胶/壳聚糖材料的功能缺陷，提高复合膜的综合性能，进而提升其食品保鲜能力。本研究旨在开发一种Cu@PC负载的明胶/壳聚糖活性复合膜，并系统评估其在水果采后保鲜中的潜在应用。该研究发表于《Foods》。

**主要技术方法**

研究人员采用溶液浇铸法制备了一系列不同壳聚糖浓度（0.1%、0.5%、1%、5%，w/v）的Gel/Cu@PC/Ch复合膜，并设置不含Cu²⁺的Gel/PC/Ch和不含PC及Cu²⁺的Gel/Ch作为对照。利用扫描电子显微镜（SEM）表征膜表面及截面微观结构；通过水接触角（WCA）测量评估表面疏水性；采用紫外-可见分光光度法测定UV屏蔽性能；使用ATR-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析化学结构；通过ABTS和DPPH自由基清除实验评价抗氧化活性；采用细菌生长曲线和抑菌圈法评价对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。葡萄保鲜试验中，选用辽宁大连市前河市场购买的商品成熟期辽峰葡萄（初始TSS为15.6 ± 0.62%，初始硬度为367.23 ± 16.04 g），随机分为四组（无包裹对照、Gel/Ch0.5、Gel/PC/Ch0.5、Gel/Cu@PC/Ch0.5），在25°C下贮藏15天，每两天记录失重、硬度、总可溶性固形物（TSS）和总抗氧化能力（TAC）。

**研究结果**

*3.1 宏观形貌与微观结构*：扫描电子显微镜观察表明，随着壳聚糖浓度增加，膜颜色逐渐加深；当Ch含量达到5%时，膜表面出现明显裂纹。Gel/Cu@PC/Ch0.1和Gel/Cu@PC/Ch0.5膜表面光滑、致密、连续，无裂纹和孔隙，显示出优异的成膜能力；而Ch含量增至5%时，表面和截面均出现明显裂纹，严重破坏膜的结构完整性。这表明过量壳聚糖负载会显著改变复合膜的形态和结构性能。

*3.2 多功能膜的基本性能*：水接触角测量显示，Gel/Cu@PC/Ch0.5膜的WCA最高达101.13 ± 9.59°，表现出典型疏水表面，而Gel/Cu@PC/Ch1和Gel/Cu@PC/Ch5膜WCA较低，呈亲水性。UV-Vis透射光谱表明，所有Gel/Cu@PC/Ch复合膜均具有高效紫外阻隔性能，其中Gel/Cu@PC/Ch0.5膜紫外线透射率低于Gel/Cu@PC/Ch0.1，表现出更优的UV屏蔽能力。ATR-FTIR结果显示Gel/Cu@PC/Ch0.5膜具有高红外透射率。

*3.3 抗氧化性能*：ABTS和DPPH自由基清除活性均随壳聚糖含量增加而逐渐升高。在Ch浓度为0.1%、0.5%、1%、5%时，ABTS清除率分别为51.93 ± 3.05%、66.23 ± 2.13%、64.26 ± 1.72%和79.71 ± 0.72%；DPPH清除率分别为37.74 ± 1.17%、43.89 ± 3.78%、65.06 ± 3.20%和84.91 ± 1.31%。综合前序实验结果，Gel/Cu@PC/Ch0.5被确定为最优配方。

*3.4 抗菌活性*：细菌生长曲线结果表明，Gel/Cu@PC/Ch0.5和Gel/PC/Ch对金黄色葡萄球菌均有一定抑制作用，且含Cu²⁺的Gel/Cu@PC/Ch0.5抑制能力显著更强；仅Gel/Cu@PC/Ch0.5有效抑制大肠杆菌生长。抑菌圈实验中，Gel/Cu@PC/Ch0.5对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别为13.83 ± 0.42 mm和14.93 ± 0.83 mm，显著大于对照及不含Cu²⁺的膜，证明Cu²⁺的引入对复合膜抗菌活性起关键作用。

*3.5 葡萄保鲜应用*

*3.5.1 外观变化*：贮藏第8天，对照组葡萄出现明显脱水和软化；而Gel/Cu@PC/Ch0.5或Gel/PC/Ch包裹的葡萄保持相对完整外观。第10天对照组表面出现微生物生长、皱缩和变色，随后进一步恶化。Gel/Cu@PC/Ch0.5处理组葡萄在整个贮藏期间几乎无皱缩且无可见微生物腐败，归因于其较低氧气透过率和固有抗菌活性。

*3.5.2 失重率*：12天贮藏后，对照组失重率高达16.07 ± 1.76%，显著高于所有膜处理组。Gel/Ch组虽优于对照但未能有效抑制失重。Gel/Cu@PC/Ch0.5和Gel/PC/Ch组失重率显著低于对照，表明PC掺入增强了复合膜的水分阻隔性能。其中Gel/Cu@PC/Ch0.5组失重率最低（3.60 ± 0.30%），显著低于Gel/PC/Ch组，说明Cu²⁺进一步改善了膜的阻水性能。

*3.5.3 硬度*：对照组硬度从初始367.23 ± 16.04 g降至第12天的176.47 ± 21.43 g；而Gel/Cu@PC/Ch0.5组保持了显著较高的硬度，第12天为316.16 ± 13.81 g。Cu@PC复合物作为有效水蒸气阻隔层，在保持葡萄组织结构完整性方面发挥关键作用，延缓了采后衰老。

*3.5.4 总可溶性固形物*：TSS含量先升高后降低，与早期成熟和后期营养消耗有关。整个贮藏期间，Gel/Cu@PC/Ch0.5组始终保持高于其他组的TSS水平，表明该膜能有效抑制果实呼吸和微生物污染，减缓营养物质消耗。

*3.5.5 总抗氧化能力*：对照组TAC从初始1.20 ± 0.11 nM降至第12天的0.07 ± 0.01 nM；Gel/Ch和Gel/PC/Ch组分别为0.19 ± 0.02 nM和0.47 ± 0.09 nM；而Gel/Cu@PC/Ch0.5组显著保持较高TAC（0.71 ± 0.12 nM）。这表明该膜有效减轻了葡萄中抗氧化物质的氧化降解，归因于其固有抗氧化活性及抑制微生物生长和呼吸代谢的能力。同时，藻蓝蛋白能有效阻挡紫外线，从而显著减轻葡萄采后贮藏中的品质劣变。

**讨论与结论**

讨论部分强调，Gel/Cu@PC/Ch0.5膜通过协同其优异的水蒸气与氧气阻隔性能以及固有的抗氧化和抗菌功能，有效延缓了果实品质劣变。该膜在12天贮藏期内显著降低了葡萄失重率，并更好地维持了果实硬度、TSS含量和TAC。研究人员认为，Cu²⁺与壳聚糖的协同杀菌作用以及Cu@PC复合物对膜结构性能的优化是获得优异综合性能的关键因素。研究结论指出，本研究成功构建了基于明胶-壳聚糖并负载藻蓝蛋白-Cu²⁺复合物的多功能活性复合膜，通过系统调控壳聚糖含量优化了复合膜微观结构，确定Gel/Cu@PC/Ch0.5为最优配方，其具有光滑连续无缺陷的表面形貌、增强的疏水性、高效紫外阻隔能力以及突出的抗氧化和抗菌活性。Gel/Cu@PC/Ch0.5膜在葡萄采后保鲜中有效延缓了品质劣变，展现出良好的应用潜力，不仅为开发环境友好型食品保鲜技术提供了新的高效策略，也为明胶、壳聚糖和藻蓝蛋白在活性食品包装领域的高值化利用提供了有前景的途径。