综述：功能化金属有机框架在智能包装中的应用：易腐食品中的合成与应用

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Functionalized metal-organic frameworks in smart packaging: synthesis and application in perishable foods

本综述系统阐述了功能化金属有机框架（MOFs）在易腐食品智能包装领域的最新研究进展。文章重点探讨了通过疏水、抗菌及光学修饰等策略增强MOFs稳定性与功能性的方法，及其在气体调控（如选择性吸附C2H4、O2、CO2）、控释抗菌剂和视觉传感食品品质等方面的应用潜力，同时分析了MOFs的安全性、当前挑战与未来发展方向，为开发更可持续的食品保鲜方案提供了重要参考。

　　

理论视角下的MOF基智能食品包装

金属有机框架（MOFs）作为一种由金属簇/离子与有机连接体自组装形成的晶态多孔材料，因其高比表面积、可调孔结构和化学多功能性，在智能食品包装领域展现出巨大潜力。其功能可主要归结为气体调控、抗菌活性和光学传感三大核心机制。

在气体吸附方面，MOFs主要通过物理吸附和化学吸附两种机制实现。物理吸附依赖于气体分子与MOF孔道之间的范德华力，而化学吸附则涉及气体分子与MOF框架内特定金属位点（如开放金属位点, OMS）或功能基团（如氨基）之间的强相互作用。例如，氨基功能化的MOFs可通过化学吸附选择性捕获乙烯（C₂H₄），而含Mg²⁺或Zr⁴⁺的MOFs则对二氧化碳（CO₂）具有高亲和力，从而有效调节包装内的气体微环境，延缓果蔬呼吸作用导致的品质劣变。

在抗菌功能上，MOFs可作为智能载体，通过离子交换、配位键断裂或pH响应等方式控释金属离子（如Ag⁺、Zn²⁺、Cu²⁺）或有机抗菌剂，靶向抑制食源性病原菌和腐败微生物的生长。其释放动力学可通过调整MOFs的金属中心、有机配体及孔道尺寸进行精确调控。

在光学传感领域，MOFs可将分析物（如腐败产生的生物胺、H_{2S）与框架内荧光团或发色团的相互作用转化为肉眼可见的颜色或荧光变化，实现对食品新鲜度的实时、可视化监测。这种传感性能源于MOFs自身的光学特性或通过后合成修饰引入的指示剂分子。}

功能化MOFs的设计与合成策略

为克服MOFs在食品包装应用中面临的湿度敏感性、功能单一及缺乏视觉反馈等挑战，研究者开发了多种功能化策略。

疏水改性是提升MOFs在潮湿环境中稳定性的关键。可通过后合成表面修饰（如接枝氟化烷基链或硅烷偶联剂）或将其封装于疏水聚合物基质（如聚乙烯、聚偏二氯乙烯）中来实现。疏水层能有效阻隔水分子侵入MOF孔道，维持其结构完整性和吸附/释放功能。

抗菌功能化主要通过直接合成（选择具有内在抗菌活性的金属离子如Ag⁺、Zn²⁺作为节点）或后合成负载（将抗生素、植物精油等抗菌剂封装入MOF孔道）两种途径实现。后者能保护活性成分免受降解，并实现针对腐败信号的响应性释放。

光学功能化则致力于构建灵敏的视觉指示系统。可将天然色素（如花青素）、荧光染料或金属纳米颗粒（如金纳米棒）与MOFs复合，利用其与特定腐败代谢物作用后的颜色/荧光变化，直观反映食品品质。

功能化MOFs在智能食品包装中的应用

功能化MOFs通过整合上述策略，在易腐食品包装中发挥多重增效作用。

在气体调控方面，疏水化处理的ZIF-8能选择性吸附乙烯，显著延长草莓和香蕉的货架期；而氨基功能化的UiO-66则能高效吸附CO₂，防止包装袋因果蔬呼吸作用过度膨胀。在肉类和海鲜包装中，MOFs可作为O₂清除剂，抑制脂肪氧化和好氧菌生长。

在抗菌包装中，Ag@ZIF-8纳米复合材料能在高湿度条件下持续释放Ag⁺，有效抑制冷鲜鸡肉中的假单胞菌和大肠杆菌；而负载百里香精油的MIL-101(Fe)则对草莓表面的灰霉菌表现出显著的抑制作用。

在视觉传感方面，负载花青素的MIL-100(Fe)薄膜可通过颜色由蓝到粉红的变化指示鱼肉腐败过程中产生的挥发性胺类物质；Eu³⁺掺杂的MOFs则能通过荧光猝灭效应检测虾肉变质时产生的H₂S气体，实现无损监测。

MOFs在食品包装中的安全性评估

随着MOFs与食品直接或间接接触机会的增加，其生物安全性备受关注。评估需重点关注MOFs组成成分（金属离子、有机配体）的潜在毒性、纳米颗粒的迁移风险以及在模拟食品条件下的稳定性。监管机构如EFSA和FDA要求对食品接触材料进行全面的毒理学评估。目前研究表明，许多基于铁（Fe）、锆（Zr）、锌（Zn）等生物相容性金属的MOFs显示出较低的细胞毒性，但长期暴露风险和大规模应用的环境影响仍需深入探究。确保MOFs在包装基质中的牢固固定是减少迁移的关键。

结论、挑战与未来展望

功能化MOFs为智能食品包装的发展提供了创新解决方案，通过气体调节、抗菌防护和视觉传感功能有效延长易腐食品的货架期并保障其安全。然而，该技术仍面临诸多挑战：首先，在真实食品包装的高湿环境中，MOFs的长期稳定性仍需提升；其次，当前许多传感系统的特异性不足，易受多种代谢物干扰；第三，抗菌效果的持久性和广谱性有待加强；最后，大规模生产的成本效益和工艺可行性是产业化必须跨越的障碍。

未来研究应聚焦于开发更具针对性的功能化策略，例如构建多重响应（如对pH、酶、气体同时响应）的智能系统。利用计算模拟（如分子动力学）辅助设计高性能MOF结构，结合绿色合成路线以降低环境影响和成本，将是重要方向。同时，建立标准化安全评估协议和推动相关法规建设，对于促进MOF基智能包装的商业化应用至关重要。通过跨学科合作，功能化MOFs有望在减少食物浪费、实现可持续食品供应链方面发挥关键作用。