合肥工业大学马晓静副教授团队在果蔬保鲜领域取得重要突破

研究背景
       对新鲜农产品（特别是水果和蔬菜）的需求不断增长，这主要归因于其高营养价值和健康促进作用，包括预防糖尿病、心血管疾病和衰老。然而，在加工和储存过程中，采后损失严重，中国每年约20%–40%的农产品遭受显著变质。这些损失主要由呼吸代谢、微生物繁殖和水分流失等因素导致。尽管冷藏、辐照、诱导剂处理和控制气调储存等技术已被用于减少这些损失，但这些方法通常涉及高昂成本、复杂设备，并可能带来环境和安全风险。因此，人们普遍使用防腐剂和抗菌剂来延长水果和蔬菜的保质期。然而，由于成本、毒性及残留风险等问题，近年来多种广谱防腐剂和抗菌剂已被逐步淘汰。因此，迫切需要开发天然且安全的防腐剂，以延长农产品的货架期，并在储存过程中抑制微生物生长。
       Pickering 乳液是一种由固体颗粒稳定的新型乳液体系，与传统乳液相比具有更高的稳定性。纤维素纳米纤维（CNF）作为一种可持续且可再生的纳米材料，因其生物相容性、生物降解性、抗菌特性以及良好的成膜能力，在食品保鲜领域受到了广泛关注。CNF 具有两亲性，使其能够通过吸附在油-水界面来稳定乳液。例如，Deng 等开发了一种由 CNF 稳定的 Pickering 乳液，该乳液可在水果和蔬菜表面形成一层薄膜，通过影响乙烯合成途径来有效延缓成熟过程，并保持果蔬品质。
       然而，由生物质衍生的固体颗粒通常具有多分散性和不规则形状，这会阻碍其在液滴表面形成均匀的颗粒层。在实际应用中，Pickering 乳液通常与其他表面活性材料（如蛋白质、脂类和表面活性剂）结合使用，以防止奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening）和液滴合并，从而提高乳液的稳定性。例如，Jiang 等采用了一种新型可逆导电表面活性剂（(CH₃)₂N-(CH₂)₁₀COONa）与二氧化硅纳米颗粒联合使用，以稳定 Pickering 乳液。该表面活性剂在高 pH 条件下表现为阴离子羧酸盐，而在低 pH 条件下转化为阳离子胺盐，从而实现pH 触发的快速乳液破坏。该研究强调了表面活性剂在提高乳液稳定性方面的重要作用。然而，化学合成表面活性剂的使用引发了对人体健康和环境安全的担忧。此外，Pickering 乳液的防腐和抗菌性能仍有待提升。为了解决这些问题，调整油相组成并引入活性成分以增强其防腐和抗菌能力已成为当前研究的重点。
       Sophorolipids（SLs）是一类由非致病性酵母发酵产生的糖脂生物表面活性剂。根据结构不同，SLs可分为内酯型Sophorolipids（LSL）和酸性Sophorolipids（ASL）。由于其优异的表面活性、低毒性、温和作用、环境友好性及生物降解性，SLs受到广泛关注，并被广泛应用于化妆品、食品、农业及环境保护等领域。此外，SLs还具有显著的生物活性，如LSL对多种病原菌（包括金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、诺卡氏菌、枯草芽孢杆菌和无乳链球菌）具有抗菌活性。因此，将LSL掺入Pickering乳液中可能赋予其更强的防腐和抗菌特性。Caretta等研究发现，将SLs应用于番茄和樱桃的表面可有效抑制灰葡萄孢（Botrytis cinerea）、茎腐病菌（Sclerotium rolfsii）、立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）及腐霉菌（Pythium ultimum）等植物病原菌。此外，ASL因其降低表面张力、提高保湿性、促进伤口愈合及辅助乳化等特性，与LSL结合使用可进一步增强抗菌性能。ASL与LSL的协同作用不仅增强了抗菌能力，还提高了Pickering乳液的稳定性及保鲜效果。例如，Fan等开发了一种基于SLs和丁香酚的纳米乳液，表现出增强的抗菌活性及优异的稳定性。
       在Pickering乳液的制备过程中，油相、水相和表面活性剂之间的相互作用对乳化效率的提升至关重要。油相中的甘油三酯及脂肪酸组成直接影响乳化过程，而表面活性剂与液滴之间的相互作用则决定了乳液的热力学稳定性。因此，优化油相组成及表面活性剂含量对改善乳液性能及稳定性至关重要。
       椰子蜡和蜂蜡是由脂肪酸、碳氢化合物和酯类组成的复杂天然混合物。由于其良好的可塑性、防水性、耐湿性、抗氧化性及携带活性成分的能力，这些天然蜡被广泛用于食品涂层和包装材料。此外，研究表明，椰子蜡能够抑制某些真菌和细菌的生长，例如白色念珠菌（Candida albicans）、变形链球菌（Streptococcus mutans）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）。在 Pickering 乳液中引入天然蜡作为油相，不仅能够增强乳液的稳定性和功能性，还可赋予其抗菌特性，这对于食品保鲜至关重要。此外，合理选择共稳定剂（如鼠李糖脂和ASL），能够通过降低界面张力、增强固体颗粒在界面的吸附能力及增加液滴间的静电排斥作用，进一步提升乳液的稳定性，从而使液滴分布更加均匀。
        基于上述背景，本研究旨在开发一种高性能、稳定的Pickering乳液，以CNF作为稳定剂，LSL作为抗菌剂，ASL作为共稳定剂。首先，我们通过研究椰子蜡和蜂蜡对乳液稳定性及成膜性能的影响，筛选出最佳油相。随后，评估乳液的物理化学特性，以确定最佳ASL添加量，并成功制备了性能卓越的ASL增强型CNF基椰子蜡Pickering乳液（ASL-CCPE）。该乳液随后被应用于樱桃番茄的保鲜，以减少运输过程中采后损失并延长货架期，满足实际应用需求。此外，通过红外光谱、粒径分析、显微形态观察、成膜性能测试及抗菌性能评价，探讨其防腐机制。值得注意的是，该乳液所含的所有成分（包括SLs、CNF、油相及椰子蜡）均可生物降解且可食用，为水果和蔬菜保鲜提供了一种环保型解决方案。

结论与展望

       本研究成功开发了一种绿色、安全且稳定的Pickering乳液ASL-CCPE，用于水果和蔬菜的涂层保鲜。该乳液以纤维素纳米纤维（CNF）为稳定剂、Sophorolipids（SLs）为活性组分，并结合椰子蜡作为油相。通过优化油相组成、油水比例及ASL含量，最终制备出一种具有小而均匀的液滴分布、表面光滑且稳定的Pickering乳液。该乳液表现出剪切变稀行为和弹性凝胶特性，有助于其在水果和蔬菜表面形成均匀的涂层。樱桃番茄的保鲜实验表明，ASL-CCPE有效保持番茄的硬度和营养价值，同时具有良好的可清洗性。与对照组相比，ASL的加入显著增强了乳液的抗菌性能，减少了环境微生物及水果表面微生物的附着，提高了保鲜效果。此外，ASL-CCPE涂层形成更加均匀、致密并具备弹性恢复能力的薄膜，进一步提升了其保护性能综合而言，本研究开发的ASL-CCPE乳液是一种高效、环保且安全的水果和蔬菜保鲜剂，能够有效减少食品损耗，延长果蔬货架期，并为食品行业提供了一种可持续的保鲜解决方案。