《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Phase separation behavior of ovalbumin-chitosan: Application for the development of Janus-type fruit preservation coatings
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本研究开发了一种基于卵清蛋白（OVA）和壳聚糖（CS）复合体系相分离的Edible涂层，通过添加白藜芦醇（RES）调控蛋白构象和分子间作用力，形成具有内/外功能分层的Janus结构。优化pH5.6时涂层表现出最佳阻隔性能，显著延缓水果氧化、减少重量损失（达40天），同时保持维生素C含量和香气。该单步骤涂层策略为减少产后损失提供了有效解决方案。
赵明辉|李静红|李思冰|张晓涵|李涵宇|张华江
东北农业大学食品科学学院，哈尔滨，黑龙江省150030，中国
摘要
为了减少田间种植水果的采后损失，从而为全球抗击营养不良和饥饿做出贡献，本研究提出了一种受卵白蛋白（OVA）和壳聚糖（CS）复合物相分离现象启发的可食用涂层，该涂层具有明显的内部和外部功能层。我们证明了白藜芦醇（RES）可以调节OVA-CS复合物的相行为。具体而言，RES通过增强疏水力和重新组织氢键来改变蛋白质构象和分子间相互作用，从而在干燥过程中驱动Janus型涂层的自组装。在pH 5.6时优化的OVA-CS-RES（OCR）涂层表现出优异的阻隔性能，实现了最低的水蒸气渗透率和氧气渗透率。通过接触角测量和原子力显微镜证实了各向异性的润湿性，内外表面之间的最大接触角差异达到了57.2°。扫描电子显微镜和共聚焦激光扫描显微镜进一步验证了涂层在水果表面的均匀覆盖和有效密封效果。应用实验表明，OCR涂层显著延缓了水果氧化，减少了重量损失，保持了质地和抗坏血酸含量，并在40天的储存期内保持了香气完整性。总体而言，本研究介绍了一种可扩展的、一步式的涂层策略，利用自组装的功能性Janus涂层显著延长了水果的保质期。
引言
根据FAOSTAT数据库（2023年数据），2023年全球初级水果产量达到9.5亿吨，其中苹果近1亿吨，梨2600万吨。相比之下，大约45%的全球儿童死亡与营养不良有关，而高达50%的田间种植水果在供应链中被浪费或损失，这在很大程度上加剧了这一问题。这主要是由于采后代谢、运输和销售过程中持续的代谢和氧化反应（Dwibedi等人，2024年；Sharma等人，2025年）。因此，开发可食用的功能性涂层以解决水果表面的脱水和氧化问题并延长保质期对于缓解全球长期营养不良和饥饿至关重要（Olunusi等人，2024年）。这些涂层能够有效保持水果的外观、质地和香气等感官属性，同时确保食品安全（Hassan等人，2018年）。通过浸涂、喷涂等技术（Deng等人，2024年），涂层在水果表面形成保护膜，限制了水分和气体与外部环境的交换，显著降低了代谢速率（Chaudhary等人，2020年；Santos等人，2018年）。已经开发出用于延长百香果、猕猴桃和桃子等水果保质期的涂层（Alav等人，2024年；Sultan等人，2024年；Wang等人，2025年）。这些涂层中的成分（包括蛋白质、多糖或脂质）在干燥后形成致密的半透膜，对水和气体具有阻隔作用（A. K. Singh，2024年）。在这些策略中，低热量的多糖通过氢键网络抑制氧气，特别有效减少氧化和变色，显示出广泛的水果保鲜潜力（Hassan等人，2018年）。
壳聚糖（CS）是一种阳离子多糖，由于其优异的抗菌性能、成膜能力和显著的阻隔性能，是水果涂层的优选材料（Mahin等人，2025年）。基于CS的涂层具有良好的生物相容性和可降解性（H. Singh等人，2024年）。据Munir Ibn Mahin的报告，CS涂层通过抑制水分和气体交换以及抑制代谢，有效延长了蔬菜的保质期，例如将胡萝卜的保质期延长至12天，番茄和黄瓜的保质期延长至21天（Mahin等人，2025年）。为了进一步提高多糖的机械性能和水蒸气阻隔性能（这些性能受到其多羟基亲水结构的限制），提出了通过混合或络合构建多糖-蛋白质复合物的策略。这是克服单一材料局限性的有效方法（Karnwal等人，2025年）。例如，将CS与乳清白蛋白结合形成的涂层显示出增强的抗氧化和阻隔性能，可以显著延长草莓的保质期（Muley & Singhal，2020年）。这种效果主要归因于CS和蛋白质之间的复杂相互作用，形成了更密集的网络结构，而蛋白质层则提高了水蒸气阻隔性能。其他研究也报告了类似的结果，即多糖-蛋白质复合涂层在保持杏子、樱桃和葡萄等水果的质量和延长保质期方面优于单一多糖涂层（de Souza等人，2021年；L. Zhang等人，2018年；Y.-L. Zhang等人，2021年）。
卵白蛋白（OVA）是一种高水溶性的球蛋白，由于其超过50%的疏水氨基酸含量和优异的生物利用率，被认为是可食用涂层的理想基底。基于OVA的可食用活性膜表现出卓越的阻隔性能，并且可以进一步封装具有抗氧化和抗菌能力的活性化合物（如没食子酸），从而增强包装材料对食品新鲜度的保护作用（Liu等人，2024年）。因此，本研究建议选择OVA作为复合涂层的基质增强剂，期望其对基于CS的涂层的阻隔性能产生积极影响。此外，基于我们之前的研究，我们使用OVA作为无溶剂pH驱动方法中的载体，将多酚化合物白藜芦醇（RES）装载到蛋白质分子的疏水核心中，以实现持续释放的抗氧化活性。RES是一种天然疏水性多酚化合物，以其优异的抗菌性能和抗炎能力而闻名（Ba?ak等人，2025年）。它还有助于增强免疫调节并预防癌症和心血管疾病（Fu等人，2024年）。此外，其结构中的三个羟基使其能够捕获自由基和螯合金属离子，从而增强涂层的抗氧化性能（Rostami等人，2024年）。本研究旨在结合OVA的疏水活性物质结合能力和RES的高抗氧化性能，将装载了RES的OVA与CS结合，构建一个复合交联网络，以提高涂层的抗氧化能力，从而延长水果的保质期。
值得注意的是，我们的灵感来自于食品包装中常用的双层膜结构。这种双层结构是通过结合或化学方式将两种具有不同性质的材料结合而成的，使包装的内外层能够专注于不同的功能方面，从而有效延长食品的保质期并保持其质量（Estevez-Areco等人，2020年）。然而，使用结合或化学方法制备双层涂层缺乏成本效益，而且这些涂层的制备通常涉及喷涂或浸涂涂层溶液以确保其在食品表面的均匀分布，这使得使用传统方法构建明显的层状结构变得困难。当蛋白质-多糖复合物受到pH值、浓度、比例和温度等参数的影响时，会发生相分离现象，形成不同大小的静电复合物。较大的静电复合物会形成沉淀状的聚集层，而未结合的蛋白质或多糖则留在上清液中（Xiong等人，2016年）。这种方法主要用于制备负载活性物质的多尺度复合物，其中蛋白质通常携带对人体健康有益的生物活性化合物。受这种相分离现象的启发，本研究旨在调节CS和OVA的相行为，研究从溶液到复合物颗粒形式，最终到聚集层的转变过程。我们假设这些复合系统固有的热力学不稳定性在干燥过程中促进了选择性沉积，从而驱动了各向异性Janus型结构的自发形成。这样的结构有望提高可食用涂层的功能性能和保鲜效果。
本研究最初使用OVA作为载体，基于pH驱动方法封装RES。通过深入研究CS和OVA-RES复合物的相行为，开发出了具有明显内外层特性的双层涂层。还研究了这种涂层在保存梨和苹果等水果方面的实际应用。这项研究提出了一种可行的技术方法，用于制备双层水果保鲜涂层，有助于减轻供应商面临的采后损失，并提供了一种简单、高效且低成本的解决方案，以缓解全球长期的营养不良和饥饿问题。
材料
新鲜苹果和梨从中国哈尔滨的当地超市购买。来自Sigma-Aldrich（美国）的卵白蛋白（OVA）纯度超过98%。壳聚糖（CS，脱乙酰度≥95%，粘度100–200 mPa·s）、白藜芦醇（RES，纯度≥99%）、DPPH*（纯度≥97%）和Nile Blue试剂（N11944）来自Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.（上海，中国）。钙荧光白由上海元业科技有限公司（上海，中国）提供。所有使用的试剂均为分析级。
涂层溶液的制备
相行为
在本研究中，通过监测样品在不同pH值下的浊度来揭示其相行为。如图1A和B所示，OC和OCR复合物的浊度变化呈现出相似的趋势，分为三个区域：(i) pH < 4.5时的浊度增加区；(ii) pH 4.5–6.5时的稳定浊度区；(iii) pH > 6.5时的浊度再次急剧增加。这一趋势与Xiong等人观察到的OC复合物的S形曲线以及Li等人观察到的结果不同
结论
本研究提出了一种基于相分离的单层涂层方法，利用CS、OVA和RES设计了一种具有Janus结构的可食用涂层。结果表明，RES的加入调节了蛋白质构象和分子间相互作用，促进了涂层结构在干燥过程中的自组装。在pH 5.6时，OCR涂层显示出最佳的物理化学性能，包括增强的阻隔功能
CRediT作者贡献声明
赵明辉：写作——审稿与编辑，数据管理。李静红：数据管理。李思冰：数据管理。张晓涵：方法学。李涵宇：写作——审稿与编辑，监督，资金获取。张华江：写作——审稿与编辑。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT 4.0来润色语言。使用该服务后，作者（赵明辉和李涵宇）根据需要对内容进行了审稿和编辑，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号32502257）、中国博士后科学基金（编号2025M772977）、黑龙江省自然科学基金重点项目（编号ZD 2023C003）、黑龙江省新一轮“双一流”学科协同创新成就项目（编号LJGXCG2024-P39）以及黑龙江省现代农业产业技术协同创新推进系统的支持
