《Ultrasonics Sonochemistry》：Microfluidics-engineered ovalbumin-carvacrol nanoparticles for ultrasonically fabricated pickering emulsion coatings: a sonochemical strategy for fruit preservation
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新鲜水果的采后腐败导致全球粮食损失巨大，并加剧了传统塑料包装相关的环境负担，亟需可持续且有效的保鲜替代方案。本研究通过微流控-超声联合技术，制备了以卵清蛋白（OVA）Pickering乳液增强的可食用壳聚糖涂层，用于西番莲保鲜。微流控精密合成实现了粒径均一、尺
新鲜水果的采后腐败导致全球粮食损失巨大，并加剧了传统塑料包装相关的环境负担，亟需可持续且有效的保鲜替代方案。本研究通过微流控-超声联合技术，制备了以卵清蛋白（OVA）Pickering乳液增强的可食用壳聚糖涂层，用于西番莲保鲜。微流控精密合成实现了粒径均一、尺寸分布窄且批次间重复性优异的OVA-卡拉维酚（Car）纳米颗粒的批量生产，这一优势是传统体相混合方法所无法企及的。随后施加超声乳化处理（20 kHz，100–400 W，2–8 min），系统利用声空化效应优化乳液液滴尺寸、强化OVA-Car纳米颗粒在界面上的吸附行为，并调节Pickering乳液网络的黏弹性。最优超声处理条件（300 W，6 min）制备的乳液表现出显著增强的流变性能与缓释行为。当与壳聚糖复合形成可食用涂层后，该复合膜展现出强效的协同抗氧化与抗菌活性，DPPH和ABTS自由基清除率分别达66.92% ± 1.48%和91.40% ± 0.29%，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）和黑曲霉（A. niger）的抑制率均≥75%。涂层应用有效抑制了西番莲果实的失重（10.2%，对照组为17.4%），并在室温条件下将货架期延长至7天。本研究证明，微流控纳米颗粒工程与超声空化调控的集成提供了一种可规模化、清洁标签的声化学策略，可替代合成防腐剂和石油基包装材料用于果蔬采后保鲜。
**研究背景与科学问题**
新鲜水果和蔬菜富含膳食营养素与生物活性植物化学物，是均衡膳食不可或缺的组成。然而，新鲜园艺产品因病原微生物污染、生理性水分持续流失和内源代谢衰老等三大主导因素，采后货架期大幅缩短。全球约30%的新鲜农产品在采后环节损失，造成严峻的经济与资源压力。传统采后保鲜手段，如冷藏、气调贮藏（CA）及合成化学防腐剂，虽在商业化生产中广泛采用，但均存在固有缺陷：冷库能耗高，气调系统依赖昂贵而复杂的配套设施，合成防腐剂则对人体和生态环境具有潜在毒理风险。此外，一次性石油基塑料包装进一步加剧了固体废物污染及添加剂迁移风险。
在各类替代方案中，Pickering乳液稳定的可食用生物聚合物涂层因其优越的结构稳定性、完全生物相容性和对亲脂性生物活性物质的高包封效率，已成为可持续保鲜领域的研究热点。然而，传统批次法制备生物聚合物稳定剂存在粒径异质性高、批次间重复性差等固有缺陷，严重制约了Pickering乳液涂层技术的产业化转化。因此，迫切需要开发先进物理加工策略以提升系统性能。
**研究策略与技术方法**
研究人员提出了一种微流控-超声波耦合的两阶段混合策略，以构建高性能可食用Pickering乳液涂层用于西番莲保鲜。首先，采用双入口单出口微流控芯片，通过抗溶剂沉淀法耦合热处理工艺，可控合成粒径均一、具有热变性且表面疏水性优化的OVA-卡拉维酚（Car）复合纳米颗粒，作为固体Pickering稳定剂，并与常规滴注法进行对比。随后，系统考察超声功宰梯度（100–400 W）与时间梯度（2–8 min）对乳液微观结构、流变学性能、界面吸附及缓释行为的影响。最后，将优选的Pickering乳液与壳聚糖复合，形成可食用涂层，并以西番莲为研究对象，从抗菌、抗氧化及采后品质保持等多角度系统评估其保鲜效果。研究涉及的样本为商业化西番莲果实，购自当地市场。关键实验方法包括：动态光散射（DLS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、荧光光谱、接触角测试等纳米颗粒表征手段；光学显微镜、激光共聚焦扫描显微镜（CLSM）用于乳液微观形态乳液类型鉴定；流变学测量（储能模量G′、损耗模量G″）分析乳液黏弹性；体外释放实验评价卡拉维酚缓释特性；DPPH与ABTS自由基清除试验评估抗氧化能力；平板菌落计数法和活/死染色评估抗菌活性；RT-qPCR基因表达分析探究抗菌机制；以及GC-MS分析挥发性风味物质组成。
**研究结果**
3.1 OVA-Car颗粒制备与表征
在最优微流控条件（水油流速比5:1、总流速7 mL/min）下制得的OVA-Car纳米颗粒粒径为129.6 nm，显著低于常规滴注法（184.1 nm），且尺寸分布更窄。FT-IR和固有荧光光谱证实了卡拉维的成功封装及加热引起的结构重排（4 nm蓝移）。接触角测定显示，经90 ℃热处理后接触角升至89.0°，接近90°临界值，表明热变性有效增加了颗粒表面疏水性，有利于界面锚定。
3.2 超声空化调控Pickering乳液宏观性能
系统研究表明，超声功率和时间均以单峰模式影响液滴尺寸：在300 W和6 min条件下液滴最细小均匀，继续增加功率则产生粗化。频率扫描结果证实所有样品在G′>G″时呈现以弹性为主导的凝胶状网络结构，在最佳条件下储能模量与损耗模量均达峰值（1850 Pa和1800 Pa，1 rad/s）。值得注意的是，延长超声至8 min虽引起液滴粗化，却增加了G′，这归因于超声触发的蛋白质聚集促进液滴桥接絮凝，强化了弹性网络。CLSM观察确认了油包水（O/W）结构，蛋白质纳米颗粒在油水界面紧密吸附。体外释放试验显示，该系统在pH 5.5条件下对Car和Lut（木犀草素）具有成分特异性控释特征（前10 h快速释放，80 h持续缓慢释放）。DPPH和ABTS自由基清除率分别达66.92% ± 1.48%和91.40% ± 0.29%。
3.3 OVA-Car@Lut Pickering膜制备与表征
50%乳液含量的复合膜具有最优的UV遮蔽能力、最低的水蒸气渗透率（0.54 ± 0.04 (g·mm)/(m
2·d·kPa)）和最低的溶胀率（14.28% ± 1.61），同时保持良好的机械柔韧性，表面接触角升至87.1°，显示显著增强的表面疏水性。SEM观察确认50%乳液膜表面为致密均匀的颗粒功能性结构，无裂纹或聚集。
3.4 抗菌活性
平板计数法表明，该Pickering乳液对S. aureus、E. coli和A. niger三种典型菌株的抑制率均≥75%，其中对S. aureus抗菌效果最强。活/死荧光染色实验（SYTO 9/PI）结果显示处理组细菌以红色荧光为主，表明大量细胞死亡。
3.5 抗菌机制
SEM观察显示，经乳液处理后，S. aureus和E. coli细胞形态严重畸变，A. niger菌丝显著皱缩塌陷，表明乳液破坏细胞膜完整性并引起胞内物质泄漏。RT-qPCR分析揭示，S. aureus中致病性与黏附相关基因（clfA、hla、sarA）下调，应激响应基因（sigB）上调；E. coli中外排泵、细胞壁合成和外膜力相关基因（acrAB、murA、ompF）下调，氧化应激防御基因（ahpC）上调；A. niger中hsp90和sodA上调，能量代谢和细胞壁合成基因（cox1、chsA）显著下调。这些转录组变化提示该乳液通过干扰应激反应、细胞壁合成、能量代谢等多靶点途径实现抑菌，且对于病原菌具有显著的生物膜清除和抑制能力。
3.6 西番莲保鲜应用
采用浸涂法将最优乳液-壳聚糖复合涂层应用于西番莲，并在室温（22 ± 2 ℃）条件下储存7天。涂层处理组在第7天的失重仅10.2%，对照高达17.4%；收缩指数显著低于对照和壳聚糖组；果实硬度保持率（22.46%），而对照组下降达50.73%。GC-MS分析显示，涂层组较好地保留了与膜完整性和香气质相关的甾醇类和类萜类化合物，挥发性代谢物损失最少。此外，涂层显著减缓了总可溶性固形物（TSS）上升、可滴定酸度（TA）降低和总酚含量（TPC）下降，明显延缓了果皮气孔开启和褐斑形成。
**讨论与结论**
该研究系统探讨了超声参数对Pickering乳液宏观性能的影响机制，并提出了超声调控稳定体系界面吸附行为的新见解。最优乳化条件（300 W、6 min）时，声空化作用有效细化了液滴尺寸，增大了界面吸附面积，同时强化了界面蛋白网络。与以往报道一致，过高超声功率引起的局部过热和强剪切力可能导致蛋白质解聚和界面重构，降低体系粘弹性。而在长时间处理下，超声诱导的蛋白质变性和桥连絮凝可增强体系的网络强度，但以牺牲微观均匀性为代价。该研究还阐明了OVA-Car复合纳米颗粒的结构-功能关系，证明热变性处理通过暴露疏水段从而强化了颗粒表面润湿性，对于实现高效Pickering稳定使关键作用。综合来看，该研究通过微流控与超声的集成，为高性能、可规模化声化学加工平台提供了有力证据，在绿色可持续食品保鲜材料领域具有显著应用价值。研究结论表明：微流控-超声协同策略成功构建了高性能Pickering乳液涂层，其作用模式包括形成半透性屏障以抑止水分蒸发和气体交换，持续释放Car与Lut发挥抗菌-抗氧化协同作用，以及延缓果实蒸腾、呼吸和氧化衰老等降解过程，从而有效延长西番莲室温货架期至7天。该技术实现了微流控预制化与超声乳化的协同集成，为生物聚合物稳定的Pickering体系提供了一种可扩展的声化学平台，为果蔬采后生物保鲜提供了一种绿色、低成本和高效的替代方案。
