基于等离子体铋修饰明胶的近红外光热抗菌可食用膜在番茄保鲜中的创新应用

为解决传统食品包装材料抗菌性能不足和环境污染问题，研究人员开发了基于Bi-PVP纳米颗粒和鱼鳞明胶(FSG)的近红外(NIR)响应复合膜。该薄膜通过表面等离子体共振(SPR)效应实现97.68%大肠杆菌和99.99%金黄色葡萄球菌杀灭率，并显著延长番茄货架期。这项研究为开发高效、安全的活性食品包装提供了新策略。

　　

随着全球食品浪费问题日益严峻，水果蔬菜因微生物腐败导致的损失尤为突出。传统塑料包装不仅存在微塑料污染风险，其添加的抗菌剂还可能迁移至食品中。更棘手的是，当前基于生物大分子（如鱼鳞明胶FSG）的可食用膜普遍存在抗菌性能差、稳定性不足等缺陷。在这一背景下，开发兼具高效抗菌性和环境友好特性的新型食品包装材料成为研究热点。

中国某高校研究团队在《LWT》发表创新研究，首次将等离子体铋(Bi)纳米颗粒应用于食品包装领域。通过将聚乙烯吡咯烷酮修饰的铋纳米颗粒(Bi-PVP)与FSG复合，成功构建出具有近红外响应特性的光热抗菌可食用膜(FSG/Bi-PVP)。该材料利用金属铋的表面等离子体共振效应，实现了光热转换与活性氧(ROS)生成的协同抗菌机制。

研究采用溶剂法合成5 nm的Bi-PVP纳米颗粒，通过流延法制备不同配比的复合膜。关键技术包括：透射电镜(TEM)表征纳米颗粒形貌，电子自旋共振(ESR)检测ROS生成，热成像分析光热性能，以及CCK-8法评估生物相容性。使用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌模型评估抗菌效率，并通过20天番茄保鲜实验验证实际应用效果。

3.1 Bi-PVP纳米颗粒表征
高分辨透射电镜显示Bi-PVP呈5 nm球形，X射线衍射证实其为菱方晶系铋。X射线光电子能谱(XPS)证实铋以单质态存在，未出现氧化态峰。

3.2 薄膜特性分析
傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示Bi-PVP与明胶发生化学交联。含0.15 wt% Bi-PVP的薄膜(FSG/Bi-PVP^0.15)表现最优机械性能：拉伸强度126.83 MPa，水蒸气透过率降低42%。接触角测试证实纳米颗粒增加了表面粗糙度。

3.3 近红外响应抗菌性能
在808 nm近红外照射下，FSG/Bi-PVP^0.15薄膜温度10秒内升至54°C。ESR检测到羟基自由基(•OH)、单线态氧(¹O₂)和超氧阴离子(•O₂^-)信号。扫描电镜(SEM)显示经处理的细菌出现明显膜破裂。

3.4 保鲜性能验证
经20天储存，FSG/Bi-PVP^0.15+NIR组番茄重量损失仅4.5%，显著低于对照组(6.74%)。色差仪检测显示该组番茄亮度(L*值)保持最佳，可溶性固形物含量下降最缓。

这项研究开创性地将等离子体铋纳米材料应用于食品包装，其创新价值体现在三方面：一是通过SPR效应实现光热-光动力协同杀菌，较传统抗菌膜效率提升近50倍；二是采用价格仅为贵金属催化剂1/10的铋原料，大幅降低成本；三是薄膜对HaCaT细胞存活率超80%，证实其生物安全性。该技术为开发可降解、按需激活的智能食品包装提供了全新思路，对减少食品浪费和塑料污染具有双重意义。未来研究可进一步优化纳米颗粒分散性，并探索其在其他易腐农产品保鲜中的应用潜力。