陕西师范大学/长安大学合作《自然·通讯》：开发类淀粉样蛋白涂层实现水果保鲜！

摘要：全球范围内，易腐水果在采后贮藏、运输和销售环节的巨大损耗（据FAO估计高达30-50%）不仅是巨大的经济损失，更是对有限耕地资源和水资源的严重浪费。有效延长水果货架期对于保障食品安全、减少食物浪费、促进农业可持续发展具有重大意义。传统的冷藏和气调贮藏技术虽有一

全球范围内，易腐水果在采后贮藏、运输和销售环节的巨大损耗（据FAO估计高达30-50%）不仅是巨大的经济损失，更是对有限耕地资源和水资源的严重浪费。有效延长水果货架期对于保障食品安全、减少食物浪费、促进农业可持续发展具有重大意义。传统的冷藏和气调贮藏技术虽有一定效果，但往往成本高昂、能耗大，且难以完全满足日益增长的物流灵活性和消费者对高品质鲜果的需求。利用蛋白质、多糖和脂质等天然物质开发的功能性涂层，为延长易腐水果货架期提供了极具前景的解决方案。然而，该技术仍面临三大关键挑战：(1)水溶性保鲜液难以有效润湿疏水果皮表面的蜡质层，导致涂层分布不均；(2)不同水果表皮蜡质层的化学组成与微观结构差异显著，使得传统涂层难以具备广谱适用性和牢固粘附性；(3)多种保鲜组分难以有效协同整合，阻碍了实现“整体大于部分之和”的协同增效。

为了解决这一问题，陕西师范大学杨鹏教授、孔佳副教授和长安大学颜录科教授等人开发了一种可持续的类淀粉样蛋白涂层（ALP），通过分子动力学模拟，证明了ALP在水果表皮蜡质上具有较好的粘附稳定性。通过与海藻酸钠（SA）和纤维素纳米晶（CNC）体协同作用，进一步增强了涂层的成膜能力和气体阻隔性能。该ALP涂层不仅显著抑制了微生物的生长，而且显著减少了33%-69%的水分流失，保留了60-98%的营养物质，并减缓了水果变质的速度，可广泛用于采后水果保鲜和鲜切水果保鲜，使货架期提高了2-5倍。同时，该涂层具有生物安全性，且涂层易于清洁，进一步确保了可食用性和可洗性，处理成本仅为每公斤水果0.66元人民币，为解决全球食物浪费问题的切实可行的解决方案，也是促进绿色可持续食品保鲜技术发展的新途径。该研究以题为“Preserving fruit freshness with amyloid-like protein coatings”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。

【ALP涂层的设计和制备】

这项研究工作中的核心在于利用相转变溶菌酶（PTL）作为“智能粘合剂”，如图1展示了ALP涂层的制备过程及其水果保鲜机制：PTL作为粘附层与果实表皮蜡质结合，协同SA和CNC形成蛋白质屏障。该复合涂层通过增强粘附稳定性、机械强度、水氧阻隔性、抗菌及抗氧化能力，显著延长水果货架期。涂层同时具备可清洗、可食用、低成本、低碳排放特性，并适用于多种水果的普适性保鲜。作者通过计算机辅助分子动力学模拟，深入探究了溶菌酶及相转变溶菌酶与水果表皮蜡质层的界面相互作用（图2）。模拟结果显示，淀粉样溶菌酶能快速（2皮秒内）在疏水蜡质层表面铺展，并在1纳秒内实现完全粘附，其界面接触面积比天然溶菌酶增加26%，结合能提升31%。这种强效粘附解决了保鲜涂层在复杂水果表皮上难以均匀附着和持久稳定的关键难题。

图1 ALP涂层的制备及其在水果保鲜中的作用示意图

图2 ALP在果皮上的粘附的铺展

【ALP涂层的性能】

作者对ALP涂层的性能进行表征，通过扫描电镜与力学测试确认涂层具备致密微观结构（厚度约20μm）及优异机械性能，断裂伸长率达到39%，在水果储存过程中可以抵抗过早失效或开裂；紫外光谱验证其高透光性（>80%），保持水果自然外观。为了进一步了解ALP涂层的保鲜特性，作者测试了涂层水蒸气透过率和氧气透过率，结果表明ALP涂层保持最佳水蒸气和氧气阻隔性能，为延缓水分蒸发和水果呼吸速率提供保障。同时，该涂层还具有优异的抗菌活性和抗氧化性能。

图3 ALP涂层的性能

【ALP涂层的保鲜普适性】

然后验证了ALP涂层对各种类型的易腐水果的保鲜效果，包括非呼吸跃变型水果和和呼吸跃变型水果。在非呼吸跃变型水果中，ALP涂层使草莓货架期从4天延至10天（2.5倍），枇杷从4天至16天（4倍），冬枣从12天至21天（1.75倍），金桔从15天至30天（2倍）；在呼吸跃变型水果中，番茄从6天延至16天（2.7倍），芒果、油桃、香蕉均从2天延至8天（4倍），无花果从1天至3天（3倍），枸杞从1天至5天（5倍）。感官评价通过电子鼻/舌雷达图与线性判别分析（LDA）证实，涂层保鲜的水果在整个贮藏期保持与鲜果相近的香气和风味特征，而对照组在存储末期风味显著劣变。该涂层在37°C/42°C高温下仍有效延长芒果/草莓货架期3-4天，凸显其环境适应性。此外，作者分析了水果储存期间的失重率，硬度，Vc含量，可滴定酸含量和可溶性固形物含量，结果表明ALP涂层在储存期结束时将重量损失减少了33-69%，硬度损失降低了9%-91%，Vc含量的损失减少了14%-92%，TA的含量可有效减少21-65%的损失，TSS的含量损失减少了2-89%。

图4 ALP涂层对多种水果的保鲜效果对比

图5 ALP涂层对果实成熟和品质的影响

在鲜切苹果模型中，涂层处理使贮藏10天后的鲜切苹果的失重率减少88%，Vc等营养保留率57%-86%，而未处理组只有8%-39%。电子鼻/舌结合线性判别分析（LDA）显示，贮藏末期ALP处理组的香气/风味特征与鲜果初始状态相近，而对照组严重劣变。此外作者还通过水果拼盘的保鲜进一步验证了ALP的保鲜普适性，可以延长水果拼盘4倍货架期。综上所述，ALP涂层有效地保留了鲜切水果的风味和营养品质，凸显了其在水果保鲜技术方面的巨大潜力。

图6 ALP涂层对鲜切水果的强效保鲜能力

【ALP涂层的生物安全性和环境可持续性】

结果还表明水洗可完全清除水果表面的涂层残留，接触角测试进一步证实番茄/香蕉表面疏水性恢复至未处理状态。进一步将ALP涂层喷涂到大鼠食物上，并根据GB 15193.22-2014标准进行28天经口毒性试验。在整个观察期间，食物和水的消耗量没有显着差异，两组之间的体重变化也没有显着差异。在28天的实验后收集器官和血液样本用于病理检查、常规血液检查以及肝肾功能评估，病理切片未观察到病理改变，ALP治疗组与对照组之间无明显差异。同时，常规血液检查和肝肾功能检查的结果在正常范围内。这些结果证明了ALP涂层的良好生物安全性，并保证了其食用安全性。此外，进行全面的生命周期评估（LCA），以评估ALP涂层作为水果保鲜方法的环境影响和可持续性。LCA分析显示，ALP保鲜的碳排放仅为冰箱冷藏保鲜的是十分之一，为替代高耗能冷链提供了可持续解决方案。

图7 ALP涂层的生物安全性评估

图8 ALP涂层的环境可持续性评估

【ALP涂层的保鲜对比】

除了通过冷藏保存水果外，作者还分析了ALP涂层与其他传统保存方法（例如水果打蜡）在有效性、普适性和安全性方面的差异（表1），还评估了半透明膜的保鲜效果，这些膜由多糖如豌豆淀粉、壳聚糖、魔芋葡聚糖和薯蓣聚糖等成分组成，并复合抗菌剂和抗氧化剂。尽管这些材料在保存水果方面表现出一定潜力，但其保鲜普适性和生物安全性仍需进一步验证。传统方法通常仅适用于特定种的水果，而ALP涂层则展示了显著的普适性，能够有效应用于包括呼吸跃变型水果和非呼吸跃变型水果在内的多种水果型。以草莓为例，采用ALP涂层后其货架期显著延长了五倍，优于当前文献中所报道的其他涂层方法，因为ALP涂层在水果表面更强的铺展性、成膜性、附着力和均匀性，从而有效增强了涂层的稳定性并延长了水果的保存时间。

表1 各种保鲜涂层的应用范围和货架期延长倍数