壳聚糖/氧化锌-还原氧化石墨烯纳米复合膜：孔雀石绿降解与抗菌双功能材料的可持续包装应用

为解决孔雀石绿(MG)染料残留和食品包装抗菌需求，研究人员开发了壳聚糖(CTS)/ZnO-还原氧化石墨烯(rGO)纳米复合膜。该材料在可见光下120分钟内实现97% MG降解，对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)的抑菌圈分别达9.32±0.27 mm和10.23±0.25 mm，MIC为250 μL/mL。研究通过XRD、FTIR等表征证实ZnO/rGO协同效应提升光催化活性，为食品包装和水处理提供新型双功能材料。

　　

研究背景与意义
孔雀石绿(Malachite green, MG)作为水产养殖业广泛使用的三苯甲烷染料，因其致癌性和环境持久性已被多国禁用，但其残留仍通过食物链威胁人类健康。与此同时，食品包装中的微生物污染也是全球食品安全的重要挑战。传统解决方案往往只能单独应对化学污染或微生物风险，而壳聚糖(Chitosan, CTS)这种天然多糖虽具抗菌性，但光催化性能弱、机械强度差。如何开发兼具污染物降解和抗菌功能的可持续材料，成为当前研究的关键突破口。

研究方法与技术路线
研究团队通过溶液浇铸法制备CTS/ZnO-rGO复合膜，采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征化学键合，扫描电镜(SEM)观察形貌，能量色散X射线光谱(EDX)检测元素组成，紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测定光学性能。抗菌实验采用琼脂扩散法和最小抑菌浓度(MIC)测定，光催化降解通过可见光照射下MG溶液吸光度变化评估。

研究结果

1. XRD分析
   CTS薄膜在2θ≈20°显示特征峰，ZnO的引入使薄膜在31.8°、34.4°等位置出现纤锌矿结构特征峰，rGO的加入进一步提高了结晶度。CTS-ZnO/rGO复合膜显示出ZnO与rGO的协同结晶效应。

2. FTIR分析
   3440 cm^-1
   处的-OH伸缩振动峰在复合膜中发生位移，证实ZnO与CTS通过Zn²⁺
   配位键结合，而rGO的C=O键(1720 cm^-1
   )与CTS的-NH₂
   形成氢键，增强界面稳定性。

3. SEM与EDX分析
   ZnO纳米颗粒(50-100 nm)均匀分散在CTS基质中，rGO片层形成导电网络。EDX图谱证实Zn、O、C元素均匀分布，无相分离现象。

4. 光学性能
   CTS-ZnO/rGO的光学带隙降至3.10 eV，可见光吸收显著增强，归因于rGO的电子受体功能拓宽了光响应范围。

5. 光催化降解
   最优复合膜在可见光下120分钟实现97% MG降解，动力学常数(k)达0.025 min^-1
   ，是纯CTS膜的8.3倍。淬灭实验证实超氧自由基(O₂
   ^?
   )是主要活性物种。

6. 抗菌性能
   对E. coli和S. aureus的抑菌圈分别达9.32±0.27 mm和10.23±0.25 mm，MIC为250 μL/mL。机理涉及Zn²⁺
   释放、ROS攻击和rGO的物理穿刺协同作用。

结论与展望
该研究成功构建了具有双重功能的CTS-ZnO/rGO纳米复合膜，其创新性体现在：

1. 通过rGO的电子桥梁作用，显著提升ZnO的可见光催化效率，MG降解率较传统材料提高近8倍；
2. 首次在食品包装材料中实现"一膜双效"，同步解决染料残留和微生物污染问题；
3. 揭示了Zn²⁺
   配位和氢键网络对纳米复合材料稳定性的关键作用。

这项工作发表在《International Journal of Biological Macromolecules》，为开发下一代智能食品包装和水处理材料提供了新思路，未来可进一步探索材料在实际复杂基质（如海鲜产品）中的性能表现及大规模生产工艺优化。