阿妮卡·辛格 | 古国毅 | 郭尼古拉斯 | 郭志豪 | 姜立文 | 方瑞克·辛·埃里克 | 基茨·大卫
加拿大不列颠哥伦比亚大学土地与食品系统学院食品、营养与健康系，温哥华，BC V6T 1Z4
**摘要**
植物化学纳米封装是一种在采后加工领域迅速发展的技术，具有多种应用前景。可食用涂层和气溶胶衍生的水胶体薄膜就是其潜在用途的例子，它们通过形成保护屏障来延长食品的保质期，减少微生物污染和水分流失。本文提出了一种新方法，将双重植物化学物质封装的纳米颗粒嵌入基于α-环糊精和吐温的可食用涂层中。通过中心复合设计将姜黄素/胡椒碱混合物封装到纳米颗粒中，开发出一种具有α-环糊精包封和吐温20稳定的基质，实现了最小的颗粒尺寸（约285纳米）和最高的封装效率（约98%）。当这种纳米颗粒以气溶胶形式应用于草莓和蓝莓时，在室温（22°C）下显著延长了保质期，并在冷藏储存（4°C）期间保持了果实品质（P<0.05）。构建的纳米复合物表现出pH依赖性的释放行为，并对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、黄色微球菌和产气肠杆菌具有显著（P<0.05）的抗菌活性。果实的质地属性（包括硬度、凝聚性和咀嚼性）得到保持，同时维生素C的保留量增加，总酚含量和总抗氧化能力也得到提升（P<0.05）。在体外Caco-2细胞中也观察到了这种纳米复合物的抗氧化活性传递效果（P<0.05）。总体而言，这种基于水胶体的方法利用α-环糊精-吐温纳米封装技术结合姜黄素/胡椒碱生物活性成分，为延长软质新鲜水果的保质期和营养价值提供了一种高效且符合食品级的解决方案。
**1. 引言**
消费者对低加工食品和清洁标签的兴趣推动了寻找替代品的需求，以用天然生物活性物质和可生物降解薄膜取代合成添加剂和石油基包装材料（Balasubramaniam, Lee, & Serventi, 2023; Singh, Ramakanth, Kumar, Lee, & Gaikwad, 2021）。在这种背景下，基于水胶体的递送系统和可食用涂层作为多功能平台越来越受到重视，它们结合了最佳的保存效果和减少食物浪费所需的可持续性，从而有助于缓解食物安全问题。姜黄素是一种来自姜黄根茎的黄色多酚，具有多种生物活性（Niranjan & Prakash, 2008），包括对革兰氏阳性细菌（如金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性细菌（如大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌）的广谱抗菌作用（Zheng et al., 2020）。机制研究表明，姜黄素能与细菌的关键分裂蛋白FtsZ结合，增强其GTP酶活性并阻止Z环组装；它还能诱导细菌的氧化应激和膜损伤（Rai, Singh, Roy, & Panda, 2008）。姜黄素的水溶性差和化学稳定性不足限制了其直接应用，但将其封装或包封在水胶体基质中可以显著改善这些特性（H. Li, Yang, Liu, & Gao, 2025; Rafiee, Nejatian, Daeihamed, & Jafari, 2019）。环糊精是具有疏水腔和亲水外表面的环状寡糖，因此可以与疏水分子形成主客体包复合物，从而提高水溶性、光稳定性和生物活性（Alshati et al., 2023）。含有姜黄素-β-环糊精复合物的光动力薄膜可减少冷藏猪肉上的微生物数量，并将保质期延长至约10天（Wu et al., 2023）。用磺丁醚-β-环糊精制备的缓释明胶薄膜和姜黄素包复合物实现了约90%的封装效率，改善了机械性能和屏障性能，并随时间保持抗菌活性。基于蛋白质和多糖的可食用涂层也被用于添加天然色素（如姜黄素），以提供抗菌和抗氧化功能，同时作为新鲜度指标（Chen, Zheng, & Zhou, 2025）。尽管姜黄素本身不稳定且功能有限，但这些策略仍展示了将其作为抗菌食品防腐剂的潜力。此外，姜黄素与胡椒碱的联合使用可以进一步增强抗菌效果。胡椒碱是黑胡椒中的主要生物碱，是一种外排泵抑制剂，可增加细胞内抗菌化合物的浓度（Raja, Kapur, Fiju, & Mohamed Salique, 2015）。研究表明，姜黄素与胡椒碱联合使用时具有协同抗菌效果，例如用1%姜黄素和0.3%胡椒碱处理的真空包装羊肉在21天内保持了可接受的肉质，并显著减少了厌氧菌、乳酸菌和致幻菌的数量，第14天时完全抑制了金黄色葡萄球菌（Elghareeb, Elshebrawy, Zaher, & Sallam, 2025）。将姜黄素和胡椒碱浸泡在鲑鱼片中后再进行真空包装，也能降低丁酸梭菌、单核细胞增生李斯特菌、枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌的总菌数（Elghareeb et al., 2025）。基于这些进展，我们的研究旨在制备一种可生物降解的、可喷涂的可食用涂层，其中包含姜黄素和胡椒碱的α-环糊精-吐温纳米复合物，设计用于软质水果的喷雾处理。我们将姜黄素和胡椒碱封装在由食品级表面活性剂稳定的α-环糊精纳米颗粒中，以提高溶解度、防止降解并实现共同递送。选择α-环糊精是因为其腔体较小且水溶性高于β-环糊精，这可能有助于与姜黄素形成更稳定的相互作用并改善分散性能。通过微生物测试评估了优化后的纳米颗粒的抗菌性能。最后，我们通过监测草莓和蓝莓在应用生物活性气溶胶后的霉菌、质地和抗氧化性能以及进行保质期储存试验来评估其效果。据我们所知，这是首次报道将双重植物化学物质的α-环糊精-吐温纳米复合物以气溶胶形式配制为可喷涂且可食用的涂层，用于水果采后保存。这项研究提出了一种可持续的多功能纳米封装平台，增强了姜黄素的稳定性及其生物活性，使其能够作为天然防腐剂保护新鲜农产品，从而提高食品可用性并减少食物浪费。
**2. 材料与方法**
2.1 **材料**
姜黄素购自Organika（加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华），纯度超过98%；胡椒碱购自Sigma-Aldrich（加拿大安大略省奥克维尔）。α-环糊精由东京化学工业公司（日本东京）提供。所有用于抗氧化测定的化学品均来自Sigma-Aldrich。用于分化细胞生物测定的Caco-2细胞购自ATCC（美国弗吉尼亚州马纳萨斯）。其他所有试剂均为分析级或HPLC级。本研究使用的细菌菌株由BC技术学院的生物技术设施提供。草莓和蓝莓购自不列颠哥伦比亚省本纳比的当地市场。
2.2 **姜黄素/胡椒碱纳米颗粒的制备、优化和表征**
姜黄素/胡椒碱纳米颗粒（NPs）采用两步均质化方法制备。简而言之，将姜黄素和胡椒碱按1:1的重量比溶解在乙醇中，浓度为1 mg/mL。将α-环糊精和吐温20溶解在去离子水中，以达到所需的姜黄素/α-环糊精/吐温20比例。将姜黄素/胡椒碱混合物缓慢加入含有α-环糊精和吐温20的水相中。使用Polytron PCU-2-110均质机（Brinkmann Ind., 美国纽约州韦斯特伯里）以12,500 rpm的速度均质化1小时。通过喷雾干燥器去除乙醇。采用中心复合实验设计（Minitab 18.0, Minitab LLC, 美国宾夕法尼亚州州立学院）优化姜黄素/胡椒碱纳米颗粒配方（表1），考虑两个因素：姜黄素/胡椒碱与α-环糊精的比例（w/w）和姜黄素/胡椒碱与吐温20的比例（w/w）。选择颗粒尺寸和包封效率（EE）作为两个响应变量，并根据方程式1拟合非线性模型：
(1)
Y = β0 + β1A + β2B + β1²A² + β2²B² + β1β2AB
表1. 中心点设计的实验因素和实验响应
| 标准 | 运行 | 块 | α-环糊精比例 | 吐温比例 | 颗粒尺寸（nm） | EE（%） |
|------|------|--------|--------|---------|---------|---------|--------|
| 1 | 1 | 1 | 5 | 4.78 | 7.43 | 1 |
| 2 | 1 | 3 | 5 | 3.43 | 1 | 3 | 4 | 30 | 8.53 | 1 |
| 3 | 1 | 3 | 4 | 3 | 8.17 | 8 | 6.89 | 4 | 4 | 1 | 5 | 2 | 3 | 3.15 | 9.64 | 7 |
| 4 | 1 | 3 | 0 | 1 | 3 | 3 | 4 | 3 | 8 | 5.66 | 6 | 6 | 6 | 5 | 8 | 4 | 3 | 2 | 8 | 2.99 | 1.34 | 9 | 7 | 0 | 1 | 3 | 3 | 5 | 1.58 | 4.76 | 5 | 8 | 1 | 10 | 1 | 7 | 3 | 8 | 5 | 6 | 6 | 5 | 8 | 4 | 3 | 2 | 6 | 1 | 9 | 0 | 1 | 3 | 5 | 8 | 4 | 3 | 2 | 6 | 1 | 1 | 9 | 0 | 7 | 6 | 8 | 4 | 3 | 2 | 6 | 1 | 1 | 1 | 5 | 6 | 5 | 9.07 | 6 | 8 | 4 | 3 | 1 | 2 | 1 | 12 | 0 | 1 | 3 | 3 | 3 | 0 | 6.98 | 6 | 7 | 1 | 1 | 3 | 7 | 1.46 | 3 | 2 |
Y表示响应变量，β0 = 截距项，β1–β2 = 线性系数，β1β2 = 交互系数，β1²–β2² = 二次系数，A和B代表自变量（颗粒尺寸和EE）。
使用Litesizer 500动态光散射仪（Anton Paar, 奥地利格拉茨）测量姜黄素/胡椒碱纳米颗粒的颗粒尺寸、PDI和ζ电位。使用傅里叶变换红外光谱（FTIR，PerkinElmer, 美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）在650–4000 cm⁻¹的光谱范围内进行分子相互作用和α-环糊精与姜黄素/胡椒碱复合物的交联表征，分辨率为4 cm⁻¹。对所有获得的FTIR光谱进行基线校正。选择在中红外范围内变化最大的光谱区域进行进一步分析，并对其进行光谱转换以增强相关FTIR信号，同时最小化仪器背景的干扰。使用Hitachi H-7600透射电子显微镜（Hitachi, 日本东京）检查衍生纳米颗粒的形态特征，并结合分析技术进行内部结构分析（UBC生物成像设施）。通过10 kDa分子量截留膜的超滤分离游离姜黄素/胡椒碱和纳米封装姜黄素。使用C18柱（Zorbax, 3.5 μm, 4.6 × 150 mm, Agilent, 美国）和流动相（乙腈和水，含0.1%三氟乙酸）在10:90至100:0（v/v）的线性梯度下进行分离，检测波长分别为425 nm和345 nm，定量总姜黄素/胡椒碱含量。使用Agilent 1260 HPLC系统（Agilent Technologies, 美国加州圣克拉拉）根据方程式2计算包封效率（EE）：
(2)
EE（%）= (未封装的姜黄素/胡椒碱) / (总姜黄素/胡椒碱) × 100%
2.3 **姜黄素/胡椒碱纳米颗粒的释放行为**
在不同pH条件下评估了优化后的姜黄素/胡椒碱纳米颗粒以及游离姜黄素、游离姜黄素/胡椒碱和姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的释放行为，以建立与软质水果采后储存过程中遇到的pH和温度条件相关的简化模型。使用柠檬酸-磷酸盐缓冲液制备三种不同pH值（pH 3.0、5.0和7.0）的缓冲溶液，分别代表酸性表面条件、微酸性水果表面条件和中性储存环境。将样品浸入50 mL的释放介质中（分子量截留：10 kDa），并在4°C和25°C下孵育，同时轻轻摇晃（100 rpm），以模拟冷藏和室温储存条件。在预定的时间间隔（1小时、2小时、4小时、8小时、24小时、第2天、第3天和第7天）取出1 mL释放介质，并用等体积的新鲜缓冲液替换，以维持平衡条件。使用上述相同的分析条件通过HPLC定量姜黄素和胡椒碱的浓度。由于姜黄素在水中的溶解度较低，因此采用二氯甲烷进行液-液萃取以确保完全回收和定量释放的姜黄素。
2.4 **姜黄素/胡椒碱纳米颗粒的抗菌活性**
本研究使用的细菌菌株包括大肠杆菌、黄色微球菌、产气肠杆菌和枯草芽孢杆菌。所有菌株均在营养肉汤中培养，然后划线接种到Mueller–Hinton琼脂（MHA）平板上以获得分离的菌落。从每个菌株中取一个菌落接种到75 mL的营养肉汤中，在37°C下培养并摇动120 rpm，直到达到对数生长期中期。根据菌落形成单位（CFU）计数标准化每个菌株的细菌密度。对于大肠杆菌、黄色微球菌、产气肠杆菌和枯草芽孢杆菌，将系列稀释液接种到MHA平板上并在37°C下培养18–24小时，然后开始计数菌落。使用菌落计数计算CFU/mL，并制备稀释液以达到每个菌株最终浓度为1 × 10⁴–10⁵ CFU/mL。
除了肉汤微稀释测定外，还进行了琼脂表面测定以进一步评估抗菌效果。对于每种测试配方（例如，游离姜黄素、游离姜黄素-胡椒碱组合、姜黄素纳米颗粒、姜黄素-胡椒碱纳米颗粒，浓度为0.5 mg/mL），使用1 mL体积均匀喷洒在Mueller–Hinton琼脂（MHA）平板上。使用无菌水作为阴性对照。随后，在琼脂表面涂布100 µL每种标准化细菌悬浮液（稀释度约为10⁻⁶，约10⁴–10⁵ CFU/mL）。平板在37°C下培养20小时，然后观察并比较不同处理下的细菌生长模式和菌落密度。使用两个96孔肉汤微稀释平板进行抗菌测试。在每个平板中，将100 µL标准化细菌悬浮液与50 µL测试配方混合。所有细菌测试的平板在37°C下静态培养过夜。使用Bio-Rad iMark Microplate Absorbance Reader在595 nm处测量光密度来量化细菌生长。
2.5 **姜黄素/胡椒碱纳米颗粒对草莓和蓝莓在储存过程中的影响**
选择大小均匀、颜色一致、成熟度适中且无可见缺陷的草莓和蓝莓，以测试使用姜黄素-胡椒碱纳米颗粒气溶胶喷雾对保持软质水果品质（即新鲜度和表面微生物生长）的效果。分别制备含有游离姜黄素、游离姜黄素-胡椒碱和姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的气溶胶喷雾进行比较。该配方通过气溶胶形式在距离水果表面5厘米的位置进行施用。通过测量喷洒前后的质量差异来估算涂层量，大约相当于在水果表面覆盖了1毫升的配方。该配方可以保持稳定一个月。对照组包括仅用清水喷洒的一组草莓和蓝莓。每组中的草莓和蓝莓（每种条件n=5个）分别用不同形式的含有姜黄素的气溶胶处理，样品在室温（22±1°C）和冷藏条件（4±1°C）下储存。每天使用数码相机在标准光照条件下记录每个水果上的霉菌生长情况（第1-7天）。使用Stable Micro Systems TA-XT Plus质地分析仪（Stable Micro Systems，英国萨里）测定水果的质地参数，包括硬度、凝聚性和咀嚼性，该分析仪配备有圆柱形平底探针（P/5，直径5毫米）。在每个水果的中点以1.0毫米/秒的探针速度进行5毫米深度的穿透测试，并使用Exponent软件（Stable Micro Systems，英国萨里）分析数据。为了评估食用前涂层的可去除性，一部分处理过的水果在储存完成后用流动的饮用水冲洗约30秒。目视检查确认涂层完全去除，这与α-环糊精-Tween基质的水溶性一致，没有检测到残留的表面薄膜。
2.6. 姜黄素/胡椒碱纳米颗粒对储存后草莓和蓝莓性质的影响
在室温（22±1°C）和冷藏（4±1°C）条件下储存7天后，对草莓和蓝莓进行了总维生素C（Vc）含量、总酚类含量和总体外抗氧化能力的分析。维生素C的提取和定量方法略有修改（Hu等人，2023年）。简要来说，将200毫克的草莓和蓝莓与1毫升10%（w/v）的偏磷酸混合均匀后离心12,000×g 10分钟。上清液用去离子水稀释，然后使用配备C18反相柱的HPLC（Agilent C18，5 μm，4.6×250 mm，美国）测定Vc含量。流动相为1.8 mmol/L的硫酸（pH 2.7），流速为1 mL/min，检测波长为245 nm。使用Folin–Ciocalteu（F–C）方法测定100毫克水果的总酚类含量，以没食子酸作为校准标准。使用Tecan Infinite M200 pro分光光度计（Tecan，瑞士Männedorf）在765 nm处记录吸光度。草莓和蓝莓的化学抗氧化能力分别使用2,2′-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS）试验进行评估，以Trolox作为参考抗氧化标准。ABTS•⁺工作溶液通过在黑暗中让7 mM ABTS与2.45 mM过硫酸钾反应过夜制备，然后用磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH 7.4）稀释至734 nm处的吸光度为0.70±0.02。每个样品的自由基清除活性基于734 nm处吸光度的降低进行量化，抗氧化能力表示为每克样品的μmol Trolox当量（μmol TE/g），使用公式（3）计算。
2.8. 姜黄素/胡椒碱纳米颗粒的毒性测试
根据Liang等人（Liang, Xue, Kennepohl, & Kitts, 2016）和Zhang等人（Zhang, Pratap-Singh, & Kitts, 2023）的方法，使用细胞毒性测试评估姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的食品安全性，进行了少量修改。简要来说，细胞用含有50至1000 μg/ml姜黄素的纳米颗粒处理，然后在37°C下与100 μL MTT溶液（0.5 mg/mL，无血清DMEM）共培养4小时，使代谢活跃的细胞将MTT还原为不溶性的甲苯胺蓝晶体。培养后去除培养基，加入100 μL二甲基亚砜（DMSO）溶解甲苯胺蓝晶体。使用微孔板分光光度计（Multiskan Spectrum，Thermo Labsystems，美国）在570 nm处测量吸光度。细胞活力用公式（4）表示为相对于未处理对照组的百分比。
2.7. 储存后经姜黄素/胡椒碱纳米颗粒处理的草莓和蓝莓的体外Caco-2抗氧化研究
使用21天龄的分化Caco-2细胞和2′,7′-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）试验评估姜黄素-胡椒碱纳米颗粒处理后的草莓和蓝莓的抗氧化能力传递能力，方法依据Liang等人（Liang et al., 2016）和Zhang等人（Zhang et al., 2023）。Caco-2细胞以3.2×10⁵细胞/mL的密度接种在黑色透明底96孔板中（每孔100 μL），并在添加了10%（v/v）胎牛血清（FBS）、100 U/mL青霉素和100 μg/mL链霉素的Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）中培养21天，培养环境为5% CO₂的湿润气氛，温度为37°C。分化后的肠细胞暴露于在无血清DMEM中制备的草莓和蓝莓提取物（0.5mg/ml）24小时，然后在37°C下与5 μM DCFH-DA共培养30分钟。之后用1 mM 2,2′-偶氮双（2-氨基丙烷）二氢氯化物（AAPH）处理细胞，并在1小时后使用微孔板分光光度计（Multiskan Spectrum，Thermo Labsystems，美国）在485/527 nm的激发/发射波长下测量荧光。Caco-2抗氧化活性表示为活性氧（ROS）抑制的百分比，根据公式（5）计算。
3.1. 姜黄素/胡椒碱纳米颗粒的优化
纳米颗粒大小和包封效率（EE）的中心复合设计的实验结果见表S1。本实验设计中测试的两个因素是姜黄素/胡椒碱与α-环糊精的重量比，以及姜黄素/胡椒碱与Tween 20的重量比。选择颗粒大小和EE作为封装要求的主要响应变量。生成回归方程来表达姜黄素/胡椒碱（A）与α-环糊精（w/w）和姜黄素/胡椒碱（B）与Tween 20（B, w/w）的最佳结果，分别见方程（5）和（6）。通过RSM分析，模型的准确性很高，如低p值（<0.05）所示（表S1）；结果表明A、B和A²分别是预测颗粒大小的显著因素；而A、B、A²和B2则是预测EE的显著因素。姜黄素/胡椒碱成功封装到α-环糊精-Tween 20基质中的原因归因于包合物的形成，这得益于特征性的疏水空腔以及疏水姜黄素/胡椒碱复合物在亲水胶体空腔中的最佳适配，这可以通过与非共价相互作用与α-环糊精的结合以及Tween 20作为交联剂的稳定作用来解释。我们观察到增加α-环糊精含量可以提高EE并产生更大的颗粒，而增加Tween 20含量则降低表面张力，产生更小且更均匀的纳米颗粒。三维响应面图（图1）进一步证实了这些趋势，显示α-环糊精的结构对颗粒大小和EE都有积极影响，而Tween 20主要减小颗粒大小；这种效应在较高α-环糊精浓度下更为明显。
3.3. 结果与讨论
3.1. 姜黄素/胡椒碱纳米颗粒的优化
纳米颗粒大小和包封效率（EE）的中心复合设计的实验结果见表S1。本实验设计中测试的两个因素是姜黄素/胡椒碱与α-环糊精的重量比，以及姜黄素/胡椒碱与Tween 20的重量比。选择颗粒大小和EE作为封装要求的主要响应变量。生成回归方程来表达这些函数的最佳结果，分别见方程（5）和（6）。使用RSM分析，模型的准确性很高，如低p值（<0.05）所示（表S1）；结果表明A、B和A²分别是预测颗粒大小的显著因素；而A、B、A²和B2则是预测EE的显著因素。姜黄素/胡椒碱成功封装到α-环糊精-Tween 20基质中的原因归因于包合物的形成，这得益于特征性的疏水空腔以及疏水姜黄素/胡椒碱复合物在亲水胶体空腔中的最佳适配，可以通过与非共价相互作用与α-环糊精的结合以及Tween 20作为交联剂的稳定作用来解释。我们观察到增加α-环糊精含量可以提高EE并产生更大的颗粒，而增加Tween 20含量则降低表面张力，产生更小且更均匀的纳米颗粒。三维响应面图（图1）进一步证实了这些趋势，显示α-环糊精的结构对颗粒大小和EE都有积极影响，而Tween 20主要减小颗粒大小；这种效应在较高α-环糊精浓度下更为明显。
3.2. 优化姜黄素/胡椒碱纳米颗粒的释放行为
在不同pH条件（pH 2.4、6.5和7.1）下，优化后的姜黄素/胡椒碱纳米颗粒配方中姜黄素的释放曲线如图3所示。纳米颗粒负载的姜黄素/胡椒碱在不同pH条件下表现出不同的释放行为。总体而言，纳米封装系统增强了姜黄素和胡椒碱在不同pH和温度条件下的扩散。随着pH和温度的降低，累积释放量增加，表明释放系统具有pH和温度依赖性特征。在pH 3.0时，纳米颗粒的释放速率显著加快，第一天出现初始快速释放，随后是持续释放阶段。这种现象可能归因于酸性条件下聚合物基质的质子化和部分膨胀，从而增强了封装姜黄素和胡椒碱的扩散。相比之下，在pH 7.0下的释放曲线明显较慢，表明封装系统在接近中性条件下具有相对较高的结构稳定性。在pH 5.0下的释放行为表现出中间特性，可能类似于新鲜水果表面的微酸性条件。
3.3. 姜黄素/胡椒碱纳米颗粒的抗菌活性
自由姜黄素、自由姜黄素-胡椒碱混合物以及姜黄素-胡椒碱纳米颗粒制剂均针对大肠杆菌K-12 DH5α、枯草芽孢杆菌、黄色微球菌和产气肠杆菌进行了抗菌活性测试。自由形式的姜黄素在所有测试的微生物中表现出较差且不稳定的抑制效果，对大肠杆菌的抑制率约为32%，而对枯草芽孢杆菌的抑制效果较低（16%）（图4）。当在黄色葡萄球菌和产气荚膜梭菌上进行测试时，自由形式的姜黄素相对更有效，分别显示出负的抑制值（-48%和-209%）（图4）。加入胡椒碱后，姜黄素的抗菌活性有所提高，尤其是在对抗革兰氏阴性菌株方面；例如，对大肠杆菌的抑制率上升到了42%，对产气荚膜梭菌的抑制率上升到了39%，而对枯草芽孢杆菌的抑制效果为42%（图4）。相比之下，姜黄素纳米颗粒表现出最高的抗菌抑制效果；其中大肠杆菌的生长减少了约64%，枯草芽孢杆菌减少了43%，产气荚膜梭菌减少了98%。这种处理完全抑制了黄色葡萄球菌的生长（图4）。姜黄素/胡椒碱纳米颗粒对大肠杆菌生长的抑制效果与姜黄素纳米颗粒相似，对枯草芽孢杆菌的抑制率为65%，对黄色葡萄球菌和产气荚膜梭菌的抑制率分别约为100%（图4）。
为了验证这些发现，在表面暴露条件下的效果，进行了补充性的预涂层琼脂表面实验。将1毫升0.5毫克/毫升的不同测试配方喷洒在平板上，并接种约10^4–10^5 CFU/mL的悬浮液。在37°C下培养20小时后，水和自由形式处理的支持了大量生长，菌落与对照组无法区分。而姜黄素/胡椒碱纳米颗粒则产生了显著的抑制效果；产气荚膜梭菌和黄色葡萄球菌的生长显著减少，几乎看不到菌落（图S2）。相比之下，大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的菌落数量虽然减少但仍然可见。自由形式姜黄素/胡椒碱平板显示出中等的抑制效果，但对枯草芽孢杆菌的抑制率为65%，对黄色葡萄球菌和产气荚膜梭菌的抑制率分别约为100%（图4）。
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图4. 自由形式姜黄素、自由形式姜黄素-胡椒碱、姜黄素纳米颗粒和姜黄素-胡椒碱纳米颗粒对大肠杆菌（A）、枯草芽孢杆菌（B）、产气荚膜梭菌（C）和黄色葡萄球菌（D）的抗菌活性。数值代表三次重复实验的平均值±标准差。上标不同的字母（a、b、c、d和e）表示不同组间有显著差异（p < 0.05）。
为了验证这些发现，在表面暴露条件下的效果，进行了补充性的预涂层琼脂表面实验。将1毫升0.5毫克/毫升的不同测试配方喷洒在平板上，并接种约10^4–10^5 CFU/mL的悬浮液。在37°C下培养20小时后，水和自由形式处理的支持了大量生长，菌落与对照组无法区分。而姜黄素/胡椒碱纳米颗粒则产生了显著的抑制效果；产气荚膜梭菌和黄色葡萄球菌的生长显著减少，几乎看不到菌落（图S2）。相比之下，大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的菌落数量虽然减少但仍然可见。自由形式姜黄素/胡椒碱平板显示出中等的抑制效果，但对枯草芽孢杆菌的抑制率为65%，对黄色葡萄球菌和产气荚膜梭菌的抑制率分别约为100%（图4）。
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图5. 在室温下储存时，分别喷洒自由形式姜黄素、自由形式姜黄素-胡椒碱、姜黄素纳米颗粒和姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的草莓和蓝莓的外观。
总体而言，我们使用肉汤和表面实验获得的结果表明，纳米封装技术为姜黄素提供了最大的抗菌潜力，能够抑制革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌。纳米颗粒配方的优越抗菌效果基于使用了优化的α-环糊精/Tween 20基质，这提高了姜黄素在水中的分散性，并保护其免受水解反应的影响。这反过来促进了与细菌膜的更强物理化学相互作用。α-环糊精/Tween 20纳米颗粒提供的两亲性壳层有助于姜黄素通过革兰氏阴性细胞的外膜，从而使姜黄素-胡椒碱协同作用，抑制外排泵并降低膜完整性；这是细菌生存的两个关键特征（Ameer, 2022）。此外，最近的一项研究表明，0.3%的姜黄素与胡椒碱组合可以抑制腐败细菌和食源性病原体的生长，并能改善真空包装食品的感官属性并延长保质期（Elghareeb et al., 2025）。因此，这些结果支持使用α-环糊精–Tween姜黄素/胡椒碱纳米颗粒作为坚固的食品级抗菌系统，适用于可食用涂层和活性包装材料中，以延长易腐食品的保质期。然而，本研究未评估其对关键腐败微生物（如灰葡萄孢和青霉菌）的抗真菌活性。未来的研究应包括抗真菌测试和分子及结构层面的机制研究。
为了进一步测试纳米封装技术在储存过程中保持草莓和蓝莓质量的效果，在室温和冷藏温度（4°C）下进行了为期7天的双因素试验。具体来说，新鲜草莓和蓝莓的处理组分别使用了自由形式姜黄素、自由形式姜黄素-胡椒碱和姜黄素纳米颗粒，所有比较组的姜黄素浓度相同。未处理的草莓和蓝莓被归类为对照组。在室温下储存3天后，草莓对照组出现了明显的腐烂现象，到第7天完全变质（图5A）。仅在草莓上施用自由形式姜黄素未能在室温下防止腐烂，但添加胡椒碱后腐烂被推迟到了第5天。所有喷洒了自由形式姜黄素或自由形式姜黄素/胡椒碱混合物的草莓在第7天完全变质。相比之下，仅用姜黄素纳米颗粒处理的草莓出现了轻微的霉菌生长，而喷洒了姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的草莓在储存的前5天内霉菌生长明显延迟。姜黄素-胡椒碱纳米颗粒处理在7天的储存期间显示出最佳的视觉保存效果，霉菌生长最少。
尽管观察到了视觉上的腐烂延迟和某些质地参数的保存，但本研究的保质期评估主要基于视觉霉菌评估以及选定的物理化学测量。为了全面验证保质期延长效果，需要更全面的采后分析，包括定量微生物评估、真菌腐败动力学、重量损失、呼吸速率和其他生理指标。
我们使用肉汤和表面实验得到的结果共同表明，纳米封装技术为姜黄素提供了最大的抗菌潜力，能够抑制革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌。纳米颗粒配方的优越抗菌效果基于使用了优化的α-环糊精/Tween 20基质，这提高了姜黄素在水中的分散性并保护其免受水解反应的影响。这反过来促进了与细菌膜的更强物理化学相互作用。α-环糊精/Tween 20纳米颗粒提供的两亲性壳层有助于姜黄素通过革兰氏阴性细胞的外膜，从而使姜黄素-胡椒碱协同作用，抑制外排泵并降低膜完整性；这是细菌生存的两个关键特征（Ameer, 2022）。此外，最近的研究表明，0.3%的姜黄素与胡椒碱组合可以抑制腐败细菌和食源性病原体的生长，并能改善真空包装食品的感官属性并延长保质期（Elghareeb et al., 2025）。因此，这些结果支持使用α-环糊精–Tween姜黄素/胡椒碱纳米颗粒作为坚固的食品级抗菌系统，适用于可食用涂层和活性包装材料中，以延长易腐食品的保质期。然而，本研究未评估其对关键腐败微生物（如灰葡萄孢和青霉菌）的抗真菌活性。未来的研究应包括抗真菌测试和分子及结构层面的机制研究。
为了进一步测试纳米封装技术在储存过程中保持草莓和蓝莓质量的效果，在室温和冷藏温度（4°C）下进行了为期7天的双因素试验。具体来说，新鲜草莓和蓝莓的处理组分别使用了自由形式姜黄素、自由形式姜黄素-胡椒碱和姜黄素纳米颗粒，所有比较组的姜黄素浓度相同。未处理的草莓和蓝莓被归类为对照组。在室温下储存3天后，草莓对照组出现了明显的腐烂现象，到第7天完全变质（图5A）。仅在草莓上施用自由形式姜黄素未能在室温下防止腐烂，但添加胡椒碱后腐烂被推迟到了第5天。所有喷洒了自由形式姜黄素或自由形式姜黄素/胡椒碱混合物的草莓在第7天完全变质。相比之下，仅用姜黄素纳米颗粒处理的草莓出现了轻微的霉菌生长，而喷洒了姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的草莓在储存的前5天内霉菌生长明显延迟。姜黄素-胡椒碱纳米颗粒处理在7天的储存期间显示出最佳的视觉保存效果，观察到的霉菌生长最少。
尽管观察到了视觉上的腐烂延迟和某些质地参数的保存，但本研究的保质期评估主要基于视觉霉菌评估以及选定的物理化学测量。为了全面验证保质期延长效果，需要更全面的采后分析，包括定量微生物评估、真菌腐败动力学、重量损失、呼吸速率和其他生理指标。
我们评估了姜黄素-胡椒碱纳米颗粒气溶胶喷雾在室温下储存7天后对草莓和蓝莓质地的影响。硬度、凝聚性和咀嚼性被选为关键质地参数，并通过仪器进行测量。在室温和冷藏储存温度下储存结束时，未经处理的草莓和蓝莓的质地损失最大（图6A-C）。对于喷洒了姜黄素和姜黄素-胡椒碱的草莓，硬度、凝聚性和咀嚼性也表现出明显的质地下降，尽管程度较轻。相比之下，喷洒了姜黄素纳米颗粒和姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的草莓在质地方面保持了最大程度的保留，尤其是硬度、凝聚性和咀嚼性（P<0.05）。
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图6. 在室温下储存7天后，不同方法处理的草莓和蓝莓的质地变化：硬度（A）、凝聚性（B）和咀嚼性（C）。数值代表三次重复实验的平均值±标准差。上标不同的字母（a、b、c和d）表示相同温度储存条件下不同组间有显著差异（p < 0.05）。
蓝莓质地的比较效果不那么明显；然而，在储存7天后，所有处理组的硬度、凝聚性和咀嚼性都有所损失。尽管如此，应用于蓝莓的姜黄素-胡椒碱纳米颗粒显示出相对较低的质地损失。因此，这些发现表明，姜黄素-胡椒碱纳米颗粒喷雾在延缓不同类型浆果的质地恶化方面是有效的，特别是在保持硬度、凝聚性和咀嚼性方面，从而表明在储存期间改善了采后质量保存。我们将这些软果类的差异归因于多种生理和结构因素，包括蓝莓较厚的果皮和发育良好的蜡层，这为防止水分流失和微生物入侵提供了天然屏障（Bezerra, Ribeiro, Cosme, & Nunes, 2024）。相比之下，草莓的表皮非常薄，更容易脱水并受到病原体感染。尽管蓝莓和草莓都富含花青素和酚类化合物，这两种化合物都具有抗氧化和抗菌特性（Cerezo et al., 2020），但这一特性在保持这些不同软果的质地质量方面似乎相对不那么重要。此外，由于缺乏对果实表面性质的详细表征，限制了将纳米颗粒的涂层性能与果实内在特性相关联的能力。未来的工作应包括对表皮结构和物理化学性质的表征，以更好地理解涂层与果实的相互作用。
我们发现，姜黄素-胡椒碱纳米颗粒喷雾提高了草莓和蓝莓的营养保存效果，表现为维生素C（Vc）、总酚类化合物浓度和相应总抗氧化能力的提高。在储存过程中，软果会发生脱水和氧化反应，导致维生素C和多酚含量的减少。如图7A所示，新鲜草莓平均含有73毫克/100克的Vc，而在室温下储存7天后，Vc含量急剧下降（图7A）。相比之下，喷洒了姜黄素纳米颗粒和姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的草莓在储存后Vc含量保持较高（图7A）。虽然在冷藏条件下储存7天后，草莓的Vc含量相对较高，但喷洒了姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的草莓显示出最佳的Vc损失保护效果（P<0.05）。新鲜草莓的总酚酸含量也显示出类似的结果（图7B）。相比之下，喷洒了姜黄素纳米颗粒和姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的草莓在冷藏条件下储存时总酚类含量较高（图7B），但在冷藏条件下储存时，Vc含量之间的差异不大。我们将姜黄素纳米颗粒和姜黄素-胡椒碱处理中保留的高Vc含量归因于Vc和酚类化合物的协同抗氧化作用。由于抗氧化效果与Vc和酚类化合物含量密切相关，不同处理组之间的化学变化反映了图7C中观察到的结果，其中姜黄素-胡椒碱喷雾在维生素C保存方面效果最佳。
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图7. 在室温下储存7天后，不同方法处理的草莓和蓝莓的维生素C、总酚类含量和总抗氧化能力的变化。数值代表三次重复实验的平均值±标准差。上标不同的字母（a、b、c和d）表示相同温度储存条件下不同组间有显著差异（p < 0.05）。
对于蓝莓，新鲜果实平均含有70.6毫克/100克的Vc。在室温下储存7天后，所有样本的Vc含量几乎减少了90%（图7A）。冷藏储存总体上更有效地保持了Vc，其中姜黄素/胡椒碱纳米颗粒处理的Vc含量最高，为20.34毫克/100克（图7A）。相比之下，蓝莓的酚类含量得到保留，不同处理组之间没有显著差异（图7B）。我们将这些发现归因于蓝莓中相对较低的Vc含量和较高的酚类化合物含量，这可能有助于更好的保留（Kalt, Forney, Martin, & Prior, 1999）。蓝莓中抗氧化能力的平行变化与维生素C和酚类化合物含量相对应（图7C）。总体而言，这些结果表明，姜黄素/胡椒碱纳米颗粒喷雾可能有助于在储存期间保持易腐水果的维生素C含量和抗氧化相关特性。
尽管在储存过程中处理过的果实样本中观察到了较高的抗氧化相关测量值，但不能完全排除来自涂层系统的残留姜黄素和胡椒碱的贡献。因此，观察到的抗氧化活性应谨慎解释，不能仅视为果实组织内在保存的证据。未来的研究应包括洗涤对照实验、组织特异性提取和代谢组学分析，以进一步区分涂层衍生的抗氧化贡献和果实自身的保存效果。
在分化的Caco-2细胞中测试了使用姜黄素和姜黄素/胡椒碱纳米颗粒配方保存的草莓和蓝莓果实提取物减轻过氧化物自由基诱导的氧化应激的效果（图8）。通过DCFH-DA评估的细胞内抗氧化能力显示，草莓提取物的抗氧化能力高于蓝莓提取物（P<0.05），无论采后储存条件和用于延长保质期的保存方法如何。尽管自由形式姜黄素和姜黄素/胡椒碱配方在Caco-2细胞中的抗氧化能力显著更高（P<0.05），但使用姜黄素纳米颗粒配方时这些软果的保质期进一步延长（P < 0.05）。这些发现表明，α-环糊精包封可能有助于保持含有姜黄素的水果提取物在培养的肠道细胞中的抗氧化功能。此外，加入胡椒碱后，无论是游离姜黄素还是纳米颗粒姜黄素，在不同的储存条件下都能进一步增强草莓和蓝莓的抗氧化能力（P < 0.05）。这些有益效果归因于姜黄素纳米颗粒和姜黄素-胡椒碱纳米颗粒的组合，并且在没有Caco-2细胞毒性的情况下获得，这归因于在广泛浓度范围内存在游离姜黄素或含纳米颗粒的姜黄素（图S6）。总体而言，这些结果突显了使用α-环糊精–Tween纳米包封来提高姜黄素-胡椒碱系统的细胞内抗氧化活性以及保持草莓或蓝莓果基可食用涂层中天然生物活性的优势。
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图8. 在室温下和冰箱中储存7天后，用不同方法喷洒的草莓（A）和蓝莓（B）的Caco-2细胞内抗氧化能力。数值代表三次实验样本的平均值±标准差。相同温度储存条件下不同组之间的上标字母（a、b、c和d）有显著差异（p < 0.05）。
4. 结论
本研究表明，使用含有姜黄素的α-环糊精–Tween纳米包封制剂，或者更好的方法是姜黄素-胡椒碱混合物，有可能延长软果类水果如草莓和蓝莓的保质期。延长保质期的总体结果有助于满足消费者对质量的期望，从而减少软果类水果的浪费，并可能提高与这些特定软果相关的食品安全性。优化的纳米颗粒表现出均匀的粒径（约285纳米）、高包封效率（约98%）以及pH依赖性的释放行为，在酸性条件下释放量最大。与游离姜黄素相比，含有姜黄素的纳米颗粒和姜黄素-胡椒碱混合物分别显示出对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的显著增强抗菌效果。我们的结果还证实了共同包封和使用环糊精稳定的姜黄素和胡椒碱生物活性剂在提高储存草莓和蓝莓质量方面的协同作用。当作为可喷涂的可食用涂层应用于草莓和蓝莓时，姜黄素/胡椒碱纳米颗粒显著延缓了微生物腐败，尤其是在常温储存条件下，同时保持了水果的硬度、凝聚性和咀嚼性。此外，经过纳米颗粒处理的样品在储存期间表现出更高的维生素C、总酚类和抗氧化相关值。这些结果共同表明，姜黄素/胡椒碱纳米颗粒涂层代表了一种多功能、食品级的纳米递送平台，具有支持采后保存、保持营养价值和抗氧化功能的潜力。此外，本次研究未测量与采后衰老相关的关键生理参数，如呼吸速率、乙烯产生和重量损失。未来的工作应包括监测采后生理指标，以更好地理解其潜在机制。
重要的是，这种纳米涂层完全可溶于水，并且可以通过简单的水冲洗轻松去除，支持消费者安全实用的使用，不会在表面留下残留物。
总体而言，这项工作提出了一种机制上得到支持的纳米包封策略，具有应用于可食用涂层和采后保存系统的潜力。除了水果保存之外，该系统还为下一代活性包装和生物活性递送技术提供了可持续的模板，旨在减少采后损失、提高食品安全性，并支持食品行业的清洁标签创新，但强烈建议进一步评估安全性和监管方面。此外，胡椒碱可能作为一种潜在的生物增强剂，尽管该系统中的具体机制尚无法确定。
CRediT作者贡献声明
Anika Singh：监督、可视化、资源管理、项目管理、研究、资金获取、概念化、数据管理、写作-审阅与编辑。
Yigong Guo：验证、方法学、正式分析、数据管理、写作-初稿。
Nicholas Kwok：正式分析、写作-初稿。
David Wei：正式分析、数据管理。
Eric Xin Lei Fang：数据管理。
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