碳点改性交联淀粉涂层的冻融稳定性及其对肉丸品质的保鲜机制研究

《Food Chemistry: X》：Study on the differences in the effects of sulfite and protease on the structure and processing quality of high purity corn starch

本研究针对冷冻肉制品在冷链物流中经历反复冻融循环导致品质劣变的问题，开发了碳点（CDs）改性交联淀粉（S）复合涂层。通过系统分析涂层结构变化及其对肉丸冻融稳定性的影响，发现0.3 mg/mL CDs的添加显著抑制淀粉回生（R1047/1022降至1.15），降低脱水率（30.52%），并有效延缓脂质氧化（TBARS降低29.68%）和微生物增殖（菌落总数减少19.25%）。该研究为高性能冷冻食品涂层的开发提供了新策略。

　　

冷冻技术是肉制品保存的主要方式，但在冷链物流中难以避免的温度波动会导致产品经历反复冻融循环。这一过程会引发冰晶的生成与融化，对肌肉纤维造成机械损伤，破坏蛋白质交联网络，降低持水力（WHC），并因表面温度变化加速微生物繁殖。腐败菌分泌的蛋白酶会降解肌肉蛋白，进一步加剧品质劣变。同时，蛋白质氧化和脂质氧化也会导致质地和风味恶化。工业中常使用持水剂、防腐剂和真空包装技术来维持冷冻肉制品的品质，但磷酸盐类持水剂可能影响天然风味，亚硝酸盐类防腐剂在特定条件下可能产生致癌物亚硝胺，真空包装虽能抑制好氧菌却无法有效对抗厌氧微生物，且可能造成产品变形。因此，开发新型保鲜技术以提升冷冻贮藏品质、延长货架期至关重要。

涂层技术作为一种表面处理手段，通过形成薄层来增强物体的阻隔性、机械强度和抗菌性能等功能。在食品领域，淀粉基涂层因其可降解性、食品安全性和低成本而成为研究热点。然而，天然淀粉涂层存在耐水性差、机械强度不足、阻隔性能（尤其是水蒸气阻隔性）欠佳等缺点。交联淀粉（CS）通过化学键增强了分子网络结构，改善了耐水性和机械强度，但其脆性高、柔韧性差，涂层易开裂，且缺乏抗菌活性。碳点（CDs）作为一种尺寸小于10 nm的碳基纳米材料，表面富含羧基、羟基等有机官能团，具有良好的水分散性、生物相容性、低成本、稳定的光致发光特性以及显著的抗菌/抗氧化功能。与其他纳米材料相比，CDs具有无毒/低毒、低成本、易生物降解的独特优势。已有研究表明CDs可以增强薄膜的功能性，特别是抗菌性能，并能抑制冰晶生长和再结晶。然而，关于CDs在淀粉基涂层中的应用及其对肉制品冻融稳定性的改善作用报道相对较少。

为此，发表在《Food Chemistry: X》上的这项研究，构建了S+CDs复合涂层，系统研究了冻融循环后涂层凝胶的脱水率、微观结构、短程有序结构、结晶度等变化，并通过肉丸的冻融实验定量评估了涂层对持水力、硫代巴比妥酸值（TBARS）、菌落总数（TBC）等品质参数的保护作用。研究为促进CDs在食品工程中的安全、规范化应用以应对冷链物流中的冻融挑战提供了新的见解。

为开展本研究，作者主要应用了以下关键技术方法：通过水热法从香蕉果肉中合成碳点（CDs），并利用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和荧光光谱对其进行表征；通过ABTS和DPPH自由基清除实验评估CDs的抗氧化活性，并通过监测大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长曲线评估其抗菌性能；通过将不同浓度的CDs溶液与交联淀粉溶液混合制备S+CDs涂层溶液；采用旋转粘度计测定涂层粘度，通过离心法测定脱水率，并利用FTIR、XRD和扫描电子显微镜（SEM）分析涂层在冻融循环后的结构变化；以猪肉和猪背脂为原料制备肉丸模型，通过测定冻融损失、蒸煮损失、持水力（WHC）、TBARS值、pH值和菌落总数（TBC）来评估S+CDs涂层对肉丸冻融稳定性的影响。

3.1. 碳点（CDs）的表征与性能测定

透射电子显微镜（TEM）显示合成的CDs呈球形结构，分散均匀。傅里叶变换红外光谱（FTIR）在3396 cm^-1（O-H伸缩振动）、2926 cm^-1（C-H伸缩振动）、1701 cm^-1（C=O伸缩振动）和1031 cm^-1（C-O伸缩振动）等处观察到吸收峰，表明CDs表面富含羟基和羧基官能团。X射线衍射（XRD）图谱在2θ约为20.8°处显示一个宽衍射峰，表明CDs具有类似石墨的结构。紫外-可见吸收光谱在283 nm处显示最大吸收峰，归因于C=C和C=O键的电子跃迁。荧光光谱显示CDs的最大激发波长为370 nm，最大发射波长为450 nm。抗氧化实验表明，CDs对ABTS和DPPH自由基的清除率随浓度增加而显著上升，显示出浓度依赖性的抗氧化活性。抗菌实验表明，CDs对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长均有抑制作用，且对金黄色葡萄球菌的抑制效果更强，这与其细胞壁结构差异有关。

3.2. CDs对冻融循环中涂层结构和性能的影响

随着冻融循环次数的增加，所有实验组涂层的粘度均逐渐下降，这是由于冰晶形成过程中的机械剪切力导致淀粉长链分子断裂。然而，CDs的添加显著提高了涂层溶液的粘度，且浓度越高，粘度越大，这归因于CDs表面的官能团与淀粉分子形成氢键，增强了网络结构。脱水率实验表明，冻融循环导致所有涂层的脱水率上升，但CDs的添加显著降低了脱水率，表现出浓度依赖性的持水能力（WHC）增强。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示，冻融循环使所有样品的R_1047/1022值（代表短程有序度）显著增加，表明淀粉回生程度加深。然而，CDs的添加有效抑制了这种有序结构的形成，R_1047/1022值显著低于纯淀粉组，且抑制效果随CDs浓度增加而增强。X射线衍射（XRD）分析表明，冻融循环使所有凝胶样品的相对结晶度增加，但含CDs的淀粉凝胶的相对结晶度始终低于纯淀粉凝胶，说明CDs抑制了淀粉链的再结晶。扫描电子显微镜（SEM）观察发现，纯淀粉凝胶在冻融后形成网络结构并出现较多孔隙，而含CDs的凝胶，尤其是S+0.3CDs组，孔隙更少、结构更致密连续，这与脱水率降低的结果一致，表明CDs抑制了冰晶形成，减少了水分溢出。

3.3. S+CDs涂层对肉丸冻融稳定性的影响

随着冻融循环次数增加，所有肉丸样品的冻融损失和蒸煮损失均显著增加，持水力（WHC）显著下降。然而，S+CDs涂层处理显著降低了冻融损失和蒸煮损失，提高了WHC，且效果随CDs浓度增加而增强。涂层在肉丸表面形成致密凝胶层，有效阻隔了水分迁移，且CDs与淀粉的氢键交联及其纳米尺寸填充了涂层微观缺陷，使结构更致密。硫代巴比妥酸反应物（TBARS）值随冻融循环增加而上升，表明脂质氧化加剧。淀粉涂层本身能一定程度抑制氧化，CDs的添加进一步降低了TBARS值，这得益于CDs优异的抗氧化性能，能有效清除自由基。肉丸的pH值在冻融过程中先略有升高后下降，可能与细胞破裂释放碱性物质及微生物产酸有关。S+CDs涂层，尤其是高浓度CDs组，能有效缓解pH值变化，这与其抗菌活性抑制微生物增殖、延缓蛋白质分解有关。菌落总数（TBC）随冻融循环显著增加，S+CDs涂层能显著抑制TBC的上升，且抑制效果呈浓度依赖性，表明CDs赋予了涂层良好的抗菌性能。

本研究成功制备了CDs改性交联淀粉复合涂层。CDs的掺入通过氢键作用与淀粉分子交联，抑制了冻融循环中淀粉链的再结晶和短程有序结构的形成，延缓了淀粉回生过程，并使得涂层凝胶网络结构更致密，持水能力增强。将其应用于肉丸保鲜，该复合涂层能有效减少冻融和蒸煮过程中的水分损失，提高持水力，延缓脂质氧化和微生物增殖，从而显著提升肉丸的冻融稳定性。其中，含有0.3 mg/mL CDs的涂层表现最佳。该研究证实了碳点改性淀粉涂层在改善冷冻肉制品品质方面的巨大潜力，为开发高性能的冷冻食品保鲜涂层提供了创新性的解决方案，对延长冷冻食品货架期、保障冷链物流品质安全具有重要意义。