碳点作为多功能添加剂：在食品包装与保鲜中的制备方法、特性、应用及前景

《Food Packaging and Shelf Life》：Carbon dots as a multifunctional additive: Preparation methods, characteristics, application and prospects in food packaging and preservation

　　# 摘要碳点（CDs）是一种尺寸小于10 nm的纳米材料，凭借其独特的光学性质、优异的生物相容性和低成本可调控性，在生物成像、食品检测、功能包装和生物医学等领域展现出广阔的应用前景。本文系统阐述了碳点的制备工艺、理化性质及功能特性，并深入探讨了其生物安全性与毒理学特征。研究表明，碳点的毒效应与其粒径、表面修饰、表面电荷及暴露剂量密切相关。体外细胞实验和体内动物模型研究均证实，高浓度碳点可能引发氧化应激、细胞凋亡和组织损伤等不良反应。然而，通过原料优化、表面工程优化及复合改性策略可有效降低潜在风险。本文还分析了碳点在食品接触材料迁移行为、毒理学评价、标准监管及工业化方面的主要挑战，并讨论了其在食品领域安全标准化应用的发展前景。结论指出，尽管碳点在食品包装与保鲜方面具有显著优势，但仍面临生物安全性与工业化瓶颈。建立全生命周期安全评估体系并完善风险评估方法，是其实用化的关键所在。# 引言作为食品供应链中的关键环节，食品包装不仅需要具备基本的物理防护功能，还需满足保鲜、安全及环保等多重要求。传统食品包装材料（如石油基塑料）存在降解困难和功能单一等缺陷。另一方面，以生物聚合物为基础的包装材料（如壳聚糖、明胶和聚乙烯醇）虽然环保，但普遍存在机械强度不足、阻隔性能差以及缺乏抗菌和抗氧化活性等问题（Ashraf等，2025）。碳点（CDs）作为一种新型纳米材料，可通过水热法和微波辅助法等绿色工艺，以低成本方式从食物废弃物（咖啡渣（Kang等，2024）、柠檬皮（Jayakumar等，2024）、柑橘皮（Gong等，2024））、农业副产品（香蕉皮（Zhao等，2020）、海藻（Fan等，2019））和天然生物质（Oladzadabbasabadi等，2023）中合成。其表面富含羟基、羧基和氨基等功能性基团，能够与各种包装材料基体形成稳定的相互作用，赋予包装材料多种功能（Wu等，2025）。近年来，碳点在食品包装领域的应用研究日益增多，在增强包装材料的理化性能、延长食品保质期以及实现食品新鲜度实时监测等方面展现出显著优势（Huang等，2025；Khan等，2025；Fan等，2025）。本文基于近期相关研究文献，全面综述了碳点在食品包装改良与保鲜领域的应用进展，为该领域的进一步研究提供理论支撑。尽管已有综述探讨了纳米材料在食品包装中的应用，但针对碳点的系统性整合研究仍显不足。现有文献往往侧重单一功能（如仅关注抗菌或传感功能）（Fu等，2022，Wang等，2025），缺乏从"基体增强—活性保鲜—智能监测"的综合性视角（Khan等，2023，Khan等，2025）。本文综述的独特贡献如下：（1）建立碳点功能化修饰与包装性能之间的构效关系；（2）批判性分析毒性评估的局限性及数据差异的根源（Jafarzadeh等，2025，Min等，2023，Zou等，2024）；（3）提出从实验室到工业化的技术路线图，重点关注法规合规性（Fan等，2019，Liu等，2024，Xue等，2026）及大规模生产的可行性（Rastegarpour等，2026）。# 章节摘要## 制备方法碳点的合成过程具有绿色、可持续和低成本的特点。其制备策略可根据反应逻辑分为两大类，如表1所示：自上而下法和自下而上法。适用于食品包装领域的主流方法主要采用自下而上的绿色合成路径，原料广泛来源于食品加工废弃物和农业副产品。反应条件温和且不涉及有毒物质。## 碳点在食品包装改良中的应用当碳点作为纳米填料掺入包装基体中时，可通过与聚合物分子之间的相互作用，显著提升包装材料的力学性能、阻隔性能和光学性能，弥补传统包装材料的固有缺陷，如表3所示。## 碳点在食品保鲜中的增强应用碳点赋予包装材料抗菌和抗氧化活性以及智能监测功能，有效抑制食品微生物的生长、减缓氧化降解，并实时反馈食品储存状态。这显著延长了食品的保质期并确保质量稳定，如表4所示。这是新型功能性食品包装领域不可或缺的核心应用价值。## 碳点的生物安全性与毒理学特征碳点的生物安全性和毒理学效应取决于其浓度、结构和表面修饰。现有研究已在食品包装应用、细胞、斑马鱼和果蝇等多种模型中系统评估了其毒理学特征，阐明了其低毒性优势及潜在研究方向，为工业化应用提供了理论支持。碳点的生物安全性和毒理学特征取决于……## 挑战与未来展望尽管碳点在食品包装方面展现出巨大的应用潜力，但其商业化进程面临诸多系统性挑战，需从安全性、法规及标准化等维度进行深入分析：## 未来展望未来关于碳点在食品包装领域的研究应聚焦于从实验室探索到工业应用的关键跨越。首先，绿色规模化制备是工业化的基石，亟需优化以食物废弃物为原料的合成工艺，并开发低成本、高通量的量产技术，推动碳点的大规模应用（Oladzadabbasabadi等，2023，Singh等，2024）。目前……## 结论碳点作为多功能绿色添加剂，在食品包装的改良与保鲜方面展现出独特优势。它们不仅显著增强了包装材料的机械强度、阻隔性能和紫外屏蔽能力，还通过抗菌和抗氧化作用有效延长了食品的保质期。此外，凭借其荧光传感特性，碳点可实现对食品新鲜度的实时监测。绿色制备工艺……## 作者贡献Fan Kai：调查研究、撰写初稿、监督指导、撰写审稿与编辑、概念化、经费获取；Li Boxin：调查研究、撰写初稿；Wang Yutian：撰写审稿与编辑。## CRediT作者贡献声明**Fan Kai：** 撰写——审稿与编辑、监督指导、调查研究、经费获取、概念化、撰写——初稿。**Li Boxin：** 撰写——初稿、调查研究。**Wang Yutian：** 撰写——审稿与编辑。## 利益冲突声明作者声明不存在利益冲突。## 致谢作者感谢**中国湖北省自然科学基金**（2023AFB297）和**长江大学大学生创新创业训练计划项目**（Yz2025258）的支持。---Fan Kai | Li Boxin | Wang Yutian长江大学生命科学学院，中国湖北荆州，邮编434025