《International Journal of Biological Macromolecules》：Poly(tannic acid)-stabilized of Pickering emulsions to enhance multifunctional gelatin films for effective fruit preservation
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本研究提出聚鞣酸（PTA）介导的界面桥接策略，有效解决果胶薄膜与柑橘精油（GEO）的不相容问题。PTA作为Pickering乳液稳定剂，增强薄膜机械强度（提升2.36倍）、氧气阻隔性（降低67.57%），并赋予UV屏蔽（200-300 nm全阻）和显著抗菌活性（抑制S aureus、E coli及B cinerea）。复合薄膜使樱桃番茄和葡萄保质期延长1.6-2.5倍，为开发多功能生物基包装提供新策略。
丁珂|张世凯|谢颖|徐赛青|江珊|唐琦|乔新北|段万里|李环|王荣荣|单珊|丁胜华
湖南大学龙平农业学院，长沙，410125，中国
摘要
尽管含有生物活性精油的明胶薄膜在水果保鲜方面具有潜力，但由于精油的挥发性、不稳定性和不相容性，限制了其实际应用。本研究提出了一种基于聚单宁酸（PTA）的界面桥接策略，提高了葡萄柚精油（GEO）在明胶薄膜中的相容性和稳定性，保持了理想的物理性能和生物活性，从而实现了水果保鲜。具体而言，通过单宁酸自组装合成的高长径比PTA表现出最佳的润湿性（90.4°）和高表面电荷容量，成为包裹GEO在Pickering乳液（PEs）中的有效稳定剂。此外，用PTA稳定的PEs用于激活明胶基质，形成了生物活性薄膜（PG-10）。结构表征结合密度泛函理论计算表明，PEs中的PTA作为新型分子桥接剂，促进了乳液融入薄膜基质，并通过强氢键相互作用促进了致密结构的形成。因此，这些薄膜的机械性能显著提高（抗拉强度提高了2.36倍）， barrier性能也得到显著提升（氧气透过率降低了67.57%）。此外，这些乳液还为明胶薄膜提供了优异的紫外线阻挡能力（在200–300纳米范围内透射率为0%）和抗氧化性能（提高了1.28–1.72倍）。PG-10薄膜表现出优异的广谱抗菌活性，有效抑制了金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和灰葡萄孢（在复合薄膜周围形成了明显的抑制圈）。作为水果包装材料，这些薄膜将成熟期（樱桃番茄）和非成熟期（葡萄）水果的保质期延长了1.6至2.5倍。本研究解决了薄膜与精油之间的不相容性问题，为开发先进的明胶基包装材料开辟了新途径。
引言
水果是维生素、矿物质和膳食纤维等必需营养素的重要来源，对维持人体正常生理功能至关重要。然而，在采后处理、运输和储存过程中，水果极易变质，导致严重的经济损失并带来食物浪费的环境风险[1]。全球统计数据显示，水果和蔬菜是食物损失和浪费的主要来源，总产量损失超过50%（占全球食物损失和浪费的38%）[2]。包装方法可以有效保护水果免受环境因素的影响，并越来越多地被用于延长其保质期。然而，这些材料的不可生物降解性加剧了微塑料污染危机，可能通过饮食途径对人体健康造成影响[3]。因此，迫切需要开发可持续的生物基包装材料。在各种选项中，明胶因其完全可生物降解性、生物安全性和优异的成膜性能而受到广泛关注[4]。然而，采后水果储存过程中的动态环境条件（包括氧化、呼吸作用、脱水和微生物感染（细菌和真菌的侵袭）对包装材料提出了严格的功能要求。明胶薄膜有限的生物活性功能，加上其不足的阻隔性能和固有的亲水性，使其无法满足高水分易腐水果的保鲜需求[5]、[6]、[7]。
为了提高明胶薄膜的功能性和保鲜潜力，研究人员将植物来源的精油和其他生物活性化合物引入明胶结构中，有效增强了它们的生物活性[8]、[9]、[10]。特别是葡萄柚精油（GEO）具有多种生物活性，对多种病原细菌和食品腐败真菌具有显著的抑制作用，包括破坏性的采后病原体灰葡萄孢。然而，疏水性精油与亲水性明胶基质之间的不相容性使得有效整合变得困难。这种不相容性常常导致精油在薄膜加工过程中迅速挥发或失活[11]，同时导致相分离和薄膜完整性下降[12]。化学交联的明胶薄膜可能会引发关于交联剂毒性和残留化学物质的担忧。这些缺点不仅降低了精油的抗菌和抗氧化效果，还阻碍了明胶基薄膜实现新鲜水果所需的多功能保鲜效果，包括持续的抗菌作用、紫外线防护以及改善的水蒸气和氧气阻隔性能。通过乳液系统封装精油已被证明是将其有效融入聚合物基质的有效方法[13]、[14]、[15]。Pickering乳液（PEs）与传统乳液不同，它使用固体颗粒（如胶体二氧化硅或高长径比颗粒）作为稳定剂，这些颗粒吸附在油水界面[16]。这些颗粒在界面处形成物理障碍，阻止液滴合并，提高了薄膜组分的稳定性[17]、[18]。尽管取得了这些进展，但由于薄膜的机械缺陷限制了其实现高水分易腐水果所需的多功能保鲜性能，基于PEs的方法仍需进一步改进[19]。部分原因是传统稳定剂的单功能性质严重限制了其应用范围[20]、[21]。例如，它们无法在PEs和亲水性生物基薄膜之间建立有效的分子桥接，导致界面相容性差，阻碍了阻挡复杂外部干扰所需的致密网络的形成。此外，传统稳定剂面临制备程序复杂、需要有机溶剂或化学修饰以及长期稳定性不足等实际挑战。因此，寻找既能稳定Pickering乳液界面又能与聚合物基质保持相容性的固体颗粒对于实现多功能水果包装至关重要。
据报道，来自其他生物来源的高长径比固体颗粒是有效的Pickering乳液稳定剂[16]。这些细长、刚性的纳米棒在油水界面高效吸附，提供了高的界面覆盖率，为乳液稳定性奠定了基础[22]。有趣的是，单宁酸在温和碱性条件下可通过氧化自组装成单分散的高长径比聚单宁酸（PTA）纳米棒，其形态类似于纤维素纳米晶体[23]。此外，PTA具有固有的生物活性功能，不仅提供抗氧化保护以延缓脂质氧化，还表现出抗菌活性等额外特性。PTA含有丰富的羟基，能够与亲水性聚合物网络（如明胶）形成强氢键，从而增强界面相互作用力，可能改善活性包装的性能[24]。因此，假设PTA作为PEs的稳定剂，不仅可以稳定Pickering乳液界面以封装和保护精油，还可以作为界面桥接剂与明胶分子稳定相互作用。PTA介导的双功能策略有效调节了明胶和精油之间的相容性，同时平衡了薄膜的物理性能和抗菌性能，从而提高了采后水果的整体保鲜效果。
为了验证这一假设，本研究首先通过基本的乳液表征来验证高长径比PTA作为GEO的Pickering乳液稳定剂的潜力。随后，将利用结构分析和密度泛函理论计算揭示PTA与明胶网络之间的强相互作用。将系统地表征复合薄膜的功能性能，包括机械性能、阻隔性能、紫外线屏蔽性能、抗氧化性能和抗菌性能。最后，通过樱桃番茄（成熟期）和葡萄（非成熟期）的包装试验来评估保鲜效果。本研究不仅将开发一种基于多酚自组装的新型Pickering乳液稳定剂，有效解决亲水性明胶薄膜与疏水性精油之间的不相容性问题，还将开创一种先进的明胶基水果保鲜包装新策略。
材料与试剂
明胶（CAS:9000-70-8，可溶于H2O，浓度10 mg/mL，粘度15 mPa·s）、单宁酸（95%）、氯化钠、无水乙醇、氢氧化钠、甘油、DPPH和ABTS均购自中国新华制药试剂有限公司（上海）。GEO购自江西华天宝中药生物制品厂。LB琼脂和PDB培养基购自广州环凯微生物科技有限公司。
PTA稳定PEs的特性
通过TA自聚合合成的PTA的形态通过TEM（图1A）和AFM（图1B）进行了观察。TEM图像和尺寸分布显示，PTA的平均长度为1644.54 nm（图1C），平均直径为80 nm（图1D）。这表明PTA具有高长径比。先前的研究表明，生物来源的固体颗粒由于其高长径比可以作为PEs中的稳定剂[29]。研究证实了阴离子
结论
本研究提出了一种基于多酚自组装的新型Pickering乳液稳定剂，有效解决了亲水性明胶薄膜与疏水性精油之间的不相容性问题，实现了易腐水果的保鲜。PTA作为一种双功能Pickering乳液稳定剂，不仅有效封装和保护了疏水性精油，还与明胶基质形成了强氢键，起到了界面桥接的作用
CRediT作者贡献声明
丁珂：撰写——原始稿件、可视化、方法学、研究、数据分析。张世凯：撰写——审阅与编辑、数据分析。谢颖：撰写——审阅与编辑、数据分析。徐赛青：撰写——审阅与编辑、方法学。江珊：方法学。唐琦：方法学。乔新北：方法学。段万里：方法学。李环：方法学、研究。王荣荣：撰写——审阅与编辑、资金获取。单珊：资金获取。
利益冲突声明
本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意发表。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划项目（2023YFD2100301–4）、岳麓山现代种子产业关键项目（YSL-2025-ZY01010）、湖南省科技人才支持计划-青年和中年学者培养计划（2023TJ-Z01）、国家自然科学基金（32,272,257、32472420）以及长沙杰出青年科技人才培训计划（kq2506010）的支持。
