基于甘露醇绿色合成银铜双金属纳米粒子及其在肉类新鲜度监测中的应用

《Poultry Science》：Eco-friendly Synthesis of Ag-Cu NPs via Mannitol Reduction for Meat Freshness Monitoring

本研究针对传统肉类新鲜度检测方法耗时、设备依赖性强等问题，开发了一种基于D-甘露醇绿色合成的银铜双金属纳米粒子（Ag-Cu NPs）双模式传感平台。该平台通过胺类介导的银富集/铜溶解机制和硫化物浓度依赖性信号转换，实现了对硫化物和生物胺的高灵敏度检测。在虾和猪肉样本验证中，传感器颜色变化与TVB-N含量高度相关（R2>0.998），能准确识别15 mg/100g安全阈值。该技术为智能食品包装提供了可持续的实时监测方案。

　　

随着全球肉类消费量持续增长——预计从2023年的327万吨增至2030年的358.4万吨，肉类产品的保鲜和质量监控已成为食品工业面临的重要挑战。尽管肉类是优质蛋白质的重要来源，但其易受微生物污染的特性导致保质期有限。微生物活动会引发蛋白质和含硫氨基酸的酶解，产生生物胺（如二甲胺、三甲胺）和硫化物（如硫化氢）等挥发性有机化合物（VOCs），这些物质在肉眼可见的变质现象出现之前就已生成。传统检测方法如微生物平板计数需要24-48小时，气相色谱-质谱联用（GC-MS）等仪器方法则需要专业设备和操作人员，近红外（NIR）和拉曼光谱等技术对非均质肉样的检测效果不稳定。这些局限性催生了对快速、用户友好且成本效益高的检测平台的需求。

纳米材料传感器因其高表面积体积比带来的痕量分析物检测灵敏度，以及可调节的光学特性实现的无需复杂仪器的实时比色检测能力，为解决上述问题提供了新途径。贵金属纳米粒子，特别是银纳米粒子（Ag NPs）具有独特的局部表面等离子体共振（LSPR）效应，在与目标分子相互作用时会产生可见的颜色变化。然而，单金属Ag NPs存在氧化敏感性、选择性不足和灵敏度有限等问题。双金属纳米结构通过电子重新分布增强气体吸附、几何应变优化结合能以及第二金属掺入提高抗氧化稳定性等协同效应克服了这些限制。

传统双金属纳米粒子合成方法使用有毒还原剂和能源密集型条件，带来环境和安全问题。绿色制造是指使用环境友好的食品级材料，在温和反应条件下最大限度地减少废物产生并消除有害化学品。本研究采用水热法合成银铜双金属纳米粒子（Ag-Cu NPs），使用食品级D-甘露醇作为还原剂和稳定剂，铜源（CuSO₄）选择符合中国GB2760-2014标准的食品添加剂，确保食品安全性。

研究团队通过系统实验验证了Ag-Cu NPs的双模式传感机制。对于生物胺（如二甲胺），胺介导的还原反应导致选择性银富集，同时铜发生溶解，形成稳定的Ag-N表面络合物。对于硫化物（如Na₂S），低浓度（0-130 μM）通过硫-金属配位增强Ag/Cu等离子体峰，而高浓度则引起氧化蚀蚀，导致结构坍塌和信号淬灭。纳米粒子对常见挥发性有机物（VOCs）和离子物种的干扰极小，表现出高灵敏度和选择性。

在白对虾和猪肉样本的验证研究中，基于琼脂固定的Ag-Cu NPs比色凝胶在4-15°C的宽温度范围内保持一致的性能。在4°C冷藏条件下，凝胶颜色从浅黄色变为深棕色，与肉类新鲜度下降趋势高度相关。当总挥发性盐基氮（TVB-N）含量超过安全阈值（15 mg/100g）时，比色凝胶同时发生颜色变化，确认了其实时新鲜度指示能力。在温度滥用储存条件下，传感器响应动力学加速，进一步证实了其在不同储存条件下的适应性。

关键技术方法包括：采用水热法合成Ag-Cu NPs，使用紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDX）等进行表征；通过动态光散射（DLS）和ζ电位分析纳米粒子理化性质；制备琼脂固定化比色凝胶用于实际样品检测；参照国家标准方法测定TVB-N含量进行相关性验证。

绿色合成与双金属Ag-Cu NPs表征研究证实，以D-甘露醇为还原剂的水热法成功合成了具有明显银（450 nm）和铜（580 nm）表面等离子体共振（SPR）特征峰的双金属纳米粒子。透射电子显微镜（TEM）显示纳米粒子呈均匀球形，粒径约100纳米。能量色散X射线光谱（EDX）元素 mapping证实银和铜均匀分布，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明D-甘露醇通过新形成的糖苷键接枝到纳米粒子表面，显著增强了胶体稳定性。参数优化研究确定了最佳合成条件：D-甘露醇0.1 mg/mL、硝酸银（AgNO₃）1 mM、硫酸铜（CuSO₄）0.1 mM、柠檬酸三钠（TSC）0.25 mM，在130°C反应25分钟。

Ag-Cu NPs对二甲胺的检测机制研究表明，随着二甲胺浓度（0-300 μM）增加，纳米粒子颜色从浅黄色变为黄褐色直至深红色，银等离子体峰（450 nm）增强而铜峰（580 nm）减弱直至消失。能量色散X射线光谱（EDX）显示反应后银信号增强、铜完全消失并出现氮信号，证实了银富集/铜蚀刻机制。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析发现新的N-H弯曲振动峰（810 cm^-1和880 cm^-1）和增强的C-N伸缩振动峰，表明二甲胺通过氮配位化学锚定在银纳米粒子表面。

Ag-Cu NPs对Na₂S的检测机制研究显示，低浓度Na₂S（0-130 μM）促进游离Ag⁺和Cu²⁺离子还原为金属原子并吸附到现有纳米粒子上，增强等离子体峰；高浓度（>130 μM）则引起氧化蚀蚀，导致结构坍塌。能量色散X射线光谱（EDX） mapping在50 μM Na₂S处理样品中观察到增强的银、铜信号和新出现的硫信号，证实Ag-S和Cu-S键形成；在150 μM Na₂S条件下，银、铜含量减少，高角度环形暗场像-扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）显示球形纳米粒子转变为不规则多孔结构。

白对虾新鲜度实时监测实验表明，在4°C储存条件下，比色凝胶颜色从浅黄色变为深棕色，与虾的新鲜度下降趋势高度相关。当TVB-N含量在1.5天超过安全阈值时，凝胶同时变为棕色。RGB值变化与TVB-N含量显著相关，在不同温度（4°C、10°C、15°C）下均保持一致性，证实了传感器的可靠性。

猪肉新鲜度实时监测研究显示，与水生产品相比，猪肉的保质期明显更长。在4°C储存条件下，凝胶在第6天发生明显的颜色变化，此时TVB-N含量超过安全阈值。RGB分析与TVB-N含量的强相关性在不同温度条件下得到验证，尽管响应时间（猪肉6天 vs 虾1.5天）反映了不同肉类的腐败动力学差异，但传感器的一致性响应模式证明了其在不同蛋白质产品中的广泛适用性。

该研究成功开发了一种基于Ag-Cu NPs的环保比色传感器，用于实时监测肉类新鲜度。D-甘露醇介导的水热法合成的双金属纳米粒子具有明确的等离子体特性，解决了传统银纳米粒子传感器的关键挑战。银和铜原子间的协同效应增强了对腐败生物标志物的灵敏度和选择性。比色凝胶传感器与标准新鲜度指标（TVB-N含量）表现出优异的相关性，能在虾和猪肉变质时准确识别安全阈值超标。绿色合成方法在消除有毒试剂的同时实现了与传统方法相当的性能，符合可持续化学原则。水凝胶检测平台成功解决了肉类监测中的实际挑战，与标准TVB-N测量结果具有极好的相关性（>99.8%），且无需专用分析设备。该技术对不同肉类基质（虾与猪肉）的响应性突出了其对各种蛋白质产品的适应性。这项研究不仅为减少食物浪费提供了即时解决方案，还为食品包装中生态功能纳米材料的开发建立了可推广的框架。未来工作将聚焦于大规模生产优化和供应链监控的无线集成。