壳寡糖-卟啉偶联物的制备及其对凡纳滨对虾的光动力保鲜效果

《Food Chemistry: X》：Preparation of chitosan oligosaccharide-porphyrin conjugate and its photodynamic preservation effect on Litopenaeus vannamei

　　

冷藏水产品的腐败仍是一项挑战，亟需安全有效的保鲜策略。研究人员合成了一种新型壳寡糖-卟啉光敏剂（COS-N-(Br-TPP)），并评估了其在冷藏凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）光动力灭活（PDI）保鲜中的应用。由于COS链增加了极性和氢键作用，其饱和溶解度为1.00 mg/mL。与Br-TPP相比，COS-N-(Br-TPP)的光稳定性提高了27.89%，热稳定性（从107.14 °C提升至162.19 °C）和单线态氧（1O2）生成能力均得到改善。对于偶联物（n=3），最小的ΔEst（S1-T4）（0.061 eV）和最大的自旋轨道耦合（SOC）（S1/T4）（0.199 cm?1）表明系间穿越（ISC）增强，有利于1O2的产生。在4 °C条件下进行PDI处理（20 μmol/L COS-N-(Br-TPP)，浸泡30 min，LED 450 nm，20 mW/cm2，照射40 min）改善了凡纳滨对虾的感官品质和颜色稳定性，并抑制了pH值（第8天为7.05）、总挥发性盐基氮（TVB-N）（第6天为22.68 mg/100 g）、总活菌数（TVC）（第6天为6.04 log CFU/g）和丙二醛（MDA）（第8天为15.48 nmol/g）的升高。COS-N-(Br-TPP)无明显细胞毒性，是一种有前景的水溶性光敏剂，可用于水产品保鲜。

论文解读文章

研究背景与目的

水产品营养价值高，但在贮藏过程中极易因细菌滋生而腐败变质，亟需开发新型高效杀菌保鲜技术。卟啉类光敏剂具有高光动力活性和多种生物功能，但其在水溶液中易因π-π堆积发生聚集和聚集诱导猝灭（ACQ），导致活性氧（ROS），尤其是单线态氧（¹O₂）的产生效率大幅降低，严重限制了其在食品保鲜领域的实际应用。因此，提高卟啉的水溶性以抑制其聚集，是恢复并增强其光动力活性的关键。引入亲水基团是常用的分子修饰策略，其中壳寡糖（COS）作为一种天然、水溶、可生物降解且生物相容性良好的低聚糖，是理想的修饰剂。然而，将COS与卟啉结合用于水产品光动力保鲜的研究尚未见报道。基于此，研究人员假设将溴代卟啉（Br-TPP）与COS共价偶联，能够改善Br-TPP的水溶性和稳定性，减少自聚集，增强ROS产生能力并保持低细胞毒性，从而实现对凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）的有效光动力保鲜。

研究方法概述

研究人员首先通过亲核取代反应合成了COS-N-(Br-TPP)偶联物。采用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对其结构进行表征。利用ABDA荧光探针法评价其¹O₂产生能力，并通过密度泛函理论（DFT）计算揭示其光物理机制。通过测定饱和溶解度、光稳定性和热稳定性来评估其稳定性。随后，将合成的光敏剂应用于凡纳滨对虾的4 °C光动力保鲜实验，定期监测感官评分、色差、pH值、总挥发性盐基氮（TVB-N）、总活菌数（TVC）和丙二醛（MDA）含量等指标。细胞毒性通过MTT法评估。

研究结果

2.2. 合成与表征

通过亲核取代反应成功合成了COS-N-(Br-TPP)偶联物。UV-Vis和荧光光谱证实了COS与Br-TPP之间的共价连接。FT-IR光谱中同时出现了COS（3500–3200 cm^?1）和Br-TPP（1600–1500 cm^?1）的特征吸收峰，进一步确认了偶联物的形成。

2.4. 光敏活性评估

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  ¹O₂产生能力：以ABDA为探针，在450 nm蓝光LED照射下，COS-N-(Br-TPP)溶液在400 nm处的吸光度随时间延长而显著下降，表明其能有效产生¹O₂。
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  DFT计算：对COS-N-(Br-TPP)的核心单元（n=1和3）进行计算。结果表明，与Br-TPP相比，偶联物（特别是n=3时）具有更小的S₁-T₄能级差（ΔE_st = 0.061 eV）和更大的自旋轨道耦合（SOC）矩阵元（0.199 cm^?1），这有利于促进系间穿越（ISC）过程，从而提高¹O₂的量子产率。

2.5. 稳定性评估

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  饱和溶解度：COS-N-(Br-TPP)的饱和溶解度为1.00 mg/mL，远高于Br-TPP，这归因于COS链引入了大量极性羟基和氨基，增强了与水分子间的氢键作用。
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  光稳定性：在蓝光照射下，COS-N-(Br-TPP)的光稳定性比Br-TPP提高了27.89%。
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  热稳定性：COS-N-(Br-TPP)的热分解温度从Br-TPP的107.14 °C提高到162.19 °C，热稳定性显著增强。

2.6. PDI对凡纳滨对虾的保鲜效果

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  感官评价：与对照组相比，L+COS-N-(Br-TPP)处理组在贮藏期间的颜色、气味、质地、形态和粘液等感官评分下降最慢，货架期最长。
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  色差：PDI处理有效维持了对虾的色泽，延缓了亮度（L*）和白度（W）值的下降。
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  pH值：对照组pH值在第8天升至7.73，而L+COS-N-(Br-TPP)组仅为7.05，有效抑制了因微生物和酶解产生的碱性物质积累。
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  TVB-N：TVB-N是衡量水产品腐败的重要指标。对照组在第6天已达到22.86 mg/100 g，接近腐败临界值；而L+COS-N-(Br-TPP)组在第6天为22.68 mg/100 g，显著低于其他组，表明其能有效抑制蛋白质分解。
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  TVC：对照组的TVC在第6天已超过可接受限度（6 log CFU/g），而L+COS-N-(Br-TPP)组在第6天的TVC为6.04 log CFU/g，仍处于可接受范围内，显示出显著的抑菌效果。
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  MDA：MDA是脂质过氧化的产物。L+COS-N-(Br-TPP)组在整个贮藏期内MDA含量始终最低（第8天为15.48 nmol/g），有效延缓了脂肪氧化。

讨论与结论

本研究成功合成了一种新型水溶性壳寡糖-卟啉偶联物COS-N-(Br-TPP)。研究表明，COS的引入不仅显著提升了Br-TPP的水溶性、光稳定性和热稳定性，还通过优化系间穿越过程增强了其单线态氧产生能力。将该光敏剂应用于凡纳滨对虾的光动力保鲜，在4 °C条件下表现出优异的抗菌、抗氧化和品质保持效果，能有效延缓感官劣变、pH上升、TVB-N和TVC增加以及脂肪氧化。MTT实验证实该材料无明显的细胞毒性，具有良好的生物安全性。研究结论指出，COS-N-(Br-TPP)作为一种性能优良的水溶性光敏剂，在水产品光动力保鲜领域展现出巨大的应用潜力，为开发新型高性能光敏剂及其在水产品保鲜中的应用提供了新的思路和理论基础。