壳聚糖/ε-聚赖氨酸复合涂层在小西瓜保鲜中的应用与机制

《Postharvest Biology and Technology》：Application and mechanism of chitosan/ε-polylysine composite coating in the preservation of small watermelons

本研究将ε-聚赖氨酸与壳聚糖复合，开发新型抗菌涂层，显著降低小型西瓜的Botrytis cinerea腐烂率，并揭示其通过调控抗氧化和抗病相关基因（如ClPAL、ClWRKY29/33）及代谢物（甘草、甲硫氨酸）维持果实品质的分子机制。

　　

Xu Liu|Hongliang Zhu|Ting Li|Yiting Ren|Hua Chen|Tianyu Li|Yuelan Liu|Jiejie Tao|Jinhua Zuo|Yanyan Zheng|Yunxiang Wang

摘要

随着对环保食品包装需求的增加以及保持果蔬采后质量的需求，基于天然聚合物材料的保鲜涂层引起了广泛的研究兴趣。小型西瓜特别容易发生采后腐烂，在储存和运输过程中由于缺乏有效的保鲜策略而造成大量损失。在本研究中，将ε-聚赖氨酸（ε-PL）掺入壳聚糖（CTS）中，开发出一种复合抗菌膜。系统评估了该膜的结构特性、理化性质和抗菌效果。结果表明，CTS/ε-PL涂层溶液具有优异的成膜能力，ε-PL增强了膜的机械强度和阻隔性能。此外，CTS/ε-PL涂层显著降低了由灰葡萄孢（Botrytis cinerea）引起的病害发生率，减少了果实中的活性氧（ROS）积累，并提高了超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和过氧化物酶（POD）的活性。经过CTS/ε-PL处理的西瓜表现出较低的果实重量损失和呼吸速率，以及可溶性固形物含量、可滴定酸度、维生素C和总酚含量的减少。进一步的代谢组学和转录组学分析表明，CTS/ε-PL涂层通过调节与抗氧化和抗病相关的基因及代谢物的表达来维持果实品质，涉及的基因包括苯丙氨酸氨裂解酶（ClPAL和WRKY转录因子29/33（ClWRKY29/33），以及代谢物甘草和蛋氨酸。此外，CTS/ε-PL涂层还调节了糖类和有机酸生物合成基因的表达，包括蔗糖-磷酸合成酶（ClSPS和苹果酸氢化酶（ClACO）。本研究为小型西瓜的采后保鲜和可持续包装提供了一种新的策略。

引言

西瓜（Citrullus lanatus）属于葫芦科，因其独特的风味、高水分含量以及丰富的生物活性化合物（如番茄红素、维生素C和黄酮类）而受到消费者的喜爱（Artés-Hernández等，2021年）。近年来，小型西瓜因其便于携带的尺寸和适合小家庭使用而受到欢迎，成为西瓜产业的一个关键趋势。然而，它们薄的外皮使其容易受到采后损伤，如冷害、软化和腐烂，尤其是在处理不当的情况下。这些脆弱性导致了显著的采后损失和经济损失。尽管存在这些挑战，但关于小型西瓜保鲜的研究仍然有限，迫切需要安全、环保且有效的保鲜技术来保持其品质。

基于多糖的包装膜在食品保鲜领域受到了广泛关注，因为它们具有生物安全性、无毒性和环境可持续性（Yao等，2024年）。壳聚糖（CTS）是一种通过壳聚糖脱乙酰化获得的天然线性多糖，其分子链上含有丰富的游离氨基。这些功能基团不仅赋予CTS优异的阳离子性质，还为进一步的化学修饰提供了反应位点（Flórez等，2022年）。此外，CTS具有良好的生物相容性、成膜能力和生物降解性。然而，其有限的抗氧化活性通常需要将其与具有抗氧化活性的物质结合使用，以开发功能性食品包装膜（Zhao等，2025年）。最近的研究表明，基于CTS的复合膜在采后应用中显示出巨大潜力。研究人员开发了一种含有单宁酸和肉桂醛的CTS膜，该膜具有优异的机械性能、气体阻隔性和抗氧化性能，将柑橘类水果的保质期从24天延长至33天，同时保持了果实品质（Zhang等，2024a）。同样，研究人员将乙基香草醛与CTS交联，显著延长了树莓的保质期（Li等，2025a）。在另一项研究中，楚竹多糖与壳聚糖的结合有效延缓了红葡萄的硬度损失和维生素C降解（Xu等，2025）。

ε-聚赖氨酸（ε-PL）是一种天然存在的阳离子多肽，具有生物降解性、稳定性，并被美国食品药品监督管理局认定为安全的食品添加剂（Gan等，2022年）。ε-PL表现出广谱抗菌活性，尤其是对霉菌（Alirezalu等，2021年）。最近的研究证明了其在水果保鲜中的有效性。例如，ε-PL处理减少了苹果中Penicillium expansum的感染（Dou等，2021年）。由ε-PL和聚乙烯醇组成的包装膜抑制了龙眼果实的果肉降解以及大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长（Li等，2020年）。此外，由海藻酸钠二醛和ε-PL组成的抗菌微球显著抑制了草莓和苹果上铜绿假单胞菌的生长，大幅延长了保质期（Ge等，2022年）。这些研究一致强调了ε-PL的强大抗菌性能。

我们之前的工作确定了灰葡萄孢是小型西瓜的主要采后病原体，并证实了CTS/ε-PL涂层溶液对该病原体的体外抑制作用以及最佳的ε-PL浓度（Li等，2025b）。然而，现有的关于CTS或基于CTS的复合涂层的研究主要集中在它们对果实表型品质属性和基本生理反应（如重量损失、硬度、呼吸速率和微生物抑制）的影响上，而使用多组学方法研究涂层介导的果实代谢和防御反应的分子机制的研究仍然有限。

因此，本研究系统评估了CTS/ε-PL复合涂层在小型西瓜上的物理性质、抗菌活性和保鲜效果。更重要的是，通过整合转录组学和代谢组学分析，阐明了CTS/ε-PL涂层维持采后西瓜品质的分子机制，从而提供了对其保鲜效果的更全面理解。

材料

CTS（脱乙酰度≥95％）、ε-PL和甘油（分析级）从上海麦克林生化科技有限公司购买。马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养基由实验室自行配制。灰葡萄孢来自北京农业与林业科学院的实验室。小型西瓜（品种：'Jingcai No. 4'）采购自北京市大兴区庞各庄。果实是在授粉后35天收获的，大小均匀且一致

CTS/ε-PL膜的结构特性

包装膜的微观结构对其性能起着关键作用。扫描电子显微镜（SEM）显示，将ε-PL掺入CTS后，复合膜的表面和截面变得更加粗糙（图1A）。虽然CTS本身具有一定程度的结晶性，但ε-PL的添加可能破坏了CTS分子链的有序排列，增加了无定形区域，从而增加了表面粗糙度。

结论

本研究成功开发了一种基于CTS的复合涂层，其中ε-PL的掺入显著提高了涂层的整体性能。该复合涂层被应用于小型西瓜，以实现抗菌和保鲜目的，并从基因表达和代谢物的角度进一步阐明了CTS/ε-PL复合涂层的保鲜机制（图6）。所得涂层溶液表现出优异的成膜性能，

CRediT作者贡献声明

Xu Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，正式分析，数据管理。Hongliang Zhu：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。Ting Li：方法学，实验研究。Yiting Ren：方法学，实验研究。Hua Chen：方法学，实验研究。Tianyu Li：软件操作。Yuelan Liu：软件操作。Jiejie Tao：软件操作。Jinhua Zuo：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调。Yanyan Zheng：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调。Yunxiang Wang：撰写 – 审稿与

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。所有作者声明与本文无关的利益冲突。

致谢

本工作得到了北京农业与林业科学院改革与发展基金（GGFA2025–02）、葫芦科合作与创新中心（XTCX202301）、北京市自然科学基金（6262007）以及北京农业研究系统创新联盟（BAIC04–2026）的支持。