《International Journal of Biological Macromolecules》：Construction of photo-activated berberine–rhein self-assembled nanoparticle/gelatin–chitosan composite films and their antibacterial performance
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摘要为应对石油基塑料带来的持续环境负担以及天然生物高分子膜固有的局限性，本研究通过将自组装的小檗碱–大黄素纳米粒子（BR NPs）策略性地引入明胶/壳聚糖（GC）杂化基质，开发了一种增强型活性包装材料（GC/BR复合膜）。分子动力学模拟结合多种光谱分析表明，BR NPs的共组
摘要
为应对石油基塑料带来的持续环境负担以及天然生物高分子膜固有的局限性，本研究通过将自组装的小檗碱–大黄素纳米粒子（BR NPs）策略性地引入明胶/壳聚糖（GC）杂化基质，开发了一种增强型活性包装材料（GC/BR复合膜）。分子动力学模拟结合多种光谱分析表明，BR NPs的共组装主要通过牢固的π–π堆积、静电作用和氢键得以稳定。BR NPs的增强效果归因于其在GC基质中的均匀分散及其与基质的界面相互作用，这些相互作用促进了有效的应力传递。因此，与纯GC膜相比，复合膜表现出显著的机械性能增强：拉伸强度提高了62%，断裂伸长率提高了88%，同时水蒸气阻隔性能也有所改善。值得注意的是，GC/BR膜保留了光敏剂的聚集诱导发光特性，并在可见光照射下表现出有效的光动力灭菌作用。体外抗菌实验表明，在可见光照射20分钟内，对金黄色葡萄球菌的灭活率达到100%，对大肠杆菌的灭活率达到99%。使用鸡胸肉进行的实际食品保鲜试验进一步验证了该膜抑制微生物繁殖的能力。重要的是，迁移测试显示BR NPs的最大浸出液浓度为0.0032 mg/mL（比溶血试验中的最高浓度低60倍），表明其迁移风险较低，具有较为理想的初步生物安全特征。本研究为合理设计具有光动力功能的坚固可生物降解活性包装材料提供了有前景的策略。
引言
微生物污染是全球食品腐败和食源性疾病的主要原因，造成沉重的经济负担和公共健康风险[1]。传统石油基塑料因其优异的阻隔性能而占据包装市场的主导地位。然而，其环境持久性导致严重的微塑料污染，对陆地和水生生态系统构成威胁[2]，[3]。因此，开发可生物降解的增强型活性包装材料已成为协调食品安全与环境可持续性的战略要务。
在可生物降解的候选材料中，明胶（GEL）和壳聚糖（CS）引起了广泛关注。它们是生物基高分子，以可再生性和成膜能力著称[4]。GEL是一种胶原衍生的多肽，具有良好的机械柔韧性，但亲水性高且耐水性差[5]。相反，CS是一种阳离子多糖，其质子化的–NH?+基团能破坏细菌膜，提供固有的抗菌活性和良好的气体阻隔性能[6]。这两种生物高分子通过静电络合形成GEL/CS（GC）复合膜，利用其互补优势[4]，[7]，[8]。然而，GC膜仍面临三大局限性：细菌灭活速度慢、填料-基质界面相容性差以及依赖被动抑制。这三个局限性使其难以满足高风险易腐食品的严格保鲜需求[4]，[9]。
目前可生物降解活性包装材料的研究策略通常遵循四条主要路线。第一条是结构仿生与缓释策略。例如，Huang等人[10]构建了一种受柑橘皮启发的GG/CH双层膜，含有负载丁香油的藻酸盐微胶囊。该膜实现了超过50 MPa的拉伸强度，并在15天内对葡萄上的霉菌实现了1.5-log的抑制效果。第二条路线使用近红外（NIR）光热生物高分子复合材料。Mao等人[11]将L-半胱氨酸包覆的多巴胺纳米粒子和深共晶溶剂引入CS基质中。在980 nm近红外光照射10分钟后，该膜几乎完全灭活了大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus），并在樱桃番茄上得到了验证。类似地，Yang等人[12]开发了PDA/鱼鳞明胶复合膜，通过光热加热至42.6°C实现抗菌效果。第三条路线涉及光催化产氢生物高分子复合材料。Chen等人[13]制备了负载于鱼鳞明胶/CS膜中的Pt改性g-C?N?，该体系通过光催化产H?抑制了番茄乙烯合成，并在可见光下产生ROS。第四条路线使用可见光驱动的光动力生物高分子复合材料。例如，姜黄素（一种天然光敏剂）被引入GC基质中[14]，在蓝光照射70分钟内实现了超过99.99%的病原体灭活。
这些策略虽然前景可期，但仍无法同时克服GC膜的三大局限性。值得注意的是，姜黄素容易发生聚集导致猝灭（ACQ），限制了其固态效能。相比之下，使用聚集诱导发光（AIE）光敏剂的可见光驱动光动力灭活（PDI）能够实现快速、非热性的病原体根除[15]。然而，将AIE光敏剂整合到GC基质中用于冷藏肉类包装的研究仍然有限。小檗碱（Ber）是一种具有广谱抗菌活性和独特AIE特性的天然异喹啉生物碱[16]，是固态可见光PDI的理想光敏剂。与传统受ACQ影响的光敏剂不同，Ber在聚集状态下表现出增强的活性氧（ROS）生成能力[17]，使其非常适合固态薄膜应用。近期的研究开发了多种基于Ber的复合膜[9]，[17]，[18]，[19]。其中，Chen等人[9]将小檗碱棕榈酸酯（BP）引入GC基质中，在可见光照射20分钟内实现了超过99%的细菌灭活，证明了基于Ber的GC膜的可行性。然而，该体系仍存在局限性。首先，棕榈酸酯配体缺乏抗氧化或抗炎等辅助生物活性。其次，它没有采用共轭共组装策略来调控ROS途径。其他Ber组装体，如Ber-肉桂酸和Ber-黄芩苷，虽显示出暗态/光动力协同效应，但需要超过60分钟的照射才能达到高效[18]，[19]。因此，关键挑战仍然存在：开发一种基于Ber的共组装策略，同时具备快速动力学、双重生物活性和可控的ROS生成途径。
大黄素（Rhe）是从大黄（Rheum officinale）中提取的一种蒽醌衍生物，具有抗炎、抗氧化和温和的抗菌活性[20]，[21]。虽然这些生物活性未在当前食品包装体系中直接量化，但它们代表了潜在的次要益处。更为关键的是，Rhe具有平面、高度共轭的化学结构[22]。我们假设Rhe作为分子支架，能够促进与Ber之间的紧密π–π堆积和静电相互作用。这种结构互锁预计能稳定共组装的纳米粒子，可能有助于在可见光下观察到的ROS生成，从而解决此前基于Ber的组装体所面临的动力学局限性。尽管Ber–Rhe共组装在生物医学研究中显示出协同生物活性[22]，但将其整合到食品级生物高分子网络中以用于活性包装尚属未被探索的领域。
本研究提出了一种新颖策略，通过将Ber–Rhe自组装纳米粒子（BR NPs）引入GC基质中来制备光激活抗菌膜（图1）。BR NPs通过简便的溶剂置换法合成，并对其微观结构和分子间相互作用进行了全面表征。BR NPs的引入通过均匀分散和界面相互作用调控了GC基质内的氢键网络，同时增强了机械强度和阻隔性能。重要的是，所得GC/BR膜表现出双重抗菌模式：暗态储存下的固有生物活性和可见光触发的快速PDI。该方法避免了近红外光热法相关的潜在热降解问题，与热敏生肉的需求高度契合。以生鸡胸肉为模型体系，在简化冷藏储存条件下，我们展示了按需表面消毒的效能。虽然Rhe记录的抗炎和抗氧化特性代表了潜在的次要益处，但本研究主要关注膜的物理化学表征及其光动力抗菌性能，对氧化劣变和系统毒性的全面评估留待后续研究。通过溶血和迁移试验对食品接触安全性进行了初步评估，表明其具有较理想的生物安全特征。本研究为以I型为主导的、聚集增强的PDI平台提供了实验室规模的验证，为下一代活性包装奠定了基础。工艺放大、技术经济分析和全面的环境评估留待后续研究。
章节片段
材料
小檗碱盐酸盐含水物（Ber，纯度>98%）和大黄素（Rhe，纯度>98%）分别购自北京百威科技有限公司（北京，中国）和上海麦克林生化科技有限公司（上海，中国）。食品级壳聚糖（CS，脱乙酰度≥95%，粘度100–200 mPa·s）和明胶（GEL，纯度>99%）由盛功生物科技有限公司（上海，中国）提供。甲醇、二甲基亚砜（DMSO）、乙二胺四乙酸（EDTA），
BR NPs的表征
TEM图像（图2a）显示所制备的BR NPs呈近球形，尺寸分布较窄。对200余个粒子的统计分析（图2b）显示平均直径约为200 nm。Ber、Rhe和BR NPs的UV-Vis吸收光谱如图2c所示。Ber在~262 nm和~345 nm处有两个特征吸收峰，分别对应于苯环结构和异喹啉生物碱的共轭体系[27]。BR NPs保留了
结论
本研究通过将自组装BR NPs引入GC生物高分子基质，开发了一种具有增强机械性能和防潮阻隔功能的光动力抗菌膜。BR NPs的引入增强了生物高分子之间的氢键网络，从而同时提高了复合膜的拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EAB）。从机理上讲，BR NPs保留了Ber的AIE特性，但将光动力途径转向了以I型为主导的机制，这一点已通过ESR证实
CRediT作者贡献声明
张平：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，验证，监督，项目管理，方法论，调查研究，经费获取，形式化分析，数据整理，概念化。姚智雄：撰写–初稿，验证，监督，项目管理，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理。陈世海：验证，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理。王正阳：验证，软件。朱杰：
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到西北农林科技大学基础科研业务费（数学和物理学）专项资金项目（项目编号：2452026129）的资助。
张平|姚智雄|陈世海|王正阳|朱杰|王贺|易文辉
