碳点增强生物降解复合薄膜的抗菌机制及其对青枣的保鲜效果

《Food Bioscience》：Antimicrobial mechanism of carbon dot-reinforced biodegradable composite films and their preservation performance on green jujubes

　　

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  从香蕉果肉中提取的碳纳米颗粒（CDs）显示出广谱抗菌活性。
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  这些碳纳米颗粒会破坏细胞壁和膜结构，干扰能量代谢，并引发活性氧（ROS）的产生。
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  这种由CDs、大豆蛋白分离物（SPI）和聚乙烯醇（PVA）制成的薄膜具有生物降解性，尽管CDs的降解速度略慢。
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  该薄膜将蜜饯的腐烂程度从73.3%降低到6.7%，并将总细菌数（TBC）降至3.64 log10 CFU·g^-1。
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  这种CDs/SPI/PVA薄膜同时具备屏障、抗菌和抗氧化作用。

引言

绿色蜜饯是一种富含维生素C和多酚化合物的营养丰富的水果，因其脆爽的口感和宜人的甜味而深受消费者喜爱。作为一种高水分、高呼吸作用的新鲜农产品，绿色蜜饯在采后储存过程中会迅速变质，包括呼吸作用加剧、水分流失过多、组织软化、酶促褐变以及易受微生物污染，导致其保质期非常短（Muqaddas等人，2025年）。传统的果实保鲜技术，如低温冷藏、控制气氛包装和化学杀菌剂处理，只能起到部分效果。此外，这些方法还存在环境污染、能耗高、长期效果有限以及公众对化学残留物日益关注等问题（You等人，2023年）。因此，迫切需要开发出绿色、高效且可持续的新鲜水果和蔬菜保鲜技术。

近年来，可生物降解的活性包装薄膜已成为传统石油基塑料包装的有希望的替代品（Nian等人，2024年）。利用蛋白质、多糖及其衍生物等天然生物聚合物作为成膜基质，这些环保材料不仅减轻了塑料废弃物造成的环境负担，还可以作为功能性活性物质的载体（Martins等人，2026年）。在各种生物聚合物中，大豆蛋白分离物（SPI）因其优异的成膜能力、良好的生物相容性和广泛的可用性而受到关注（Sharma等人，2025年）。然而，纯蛋白质基薄膜通常具有机械强度不足、防潮性能差和天然抗菌活性弱等缺点，这限制了其在食品保鲜中的实际应用（Guo等人，2015年）。为了解决这些问题，研究人员探索了添加纳米填料并与聚乙烯醇（PVA）等聚合物共混的方法，以提高蛋白质基复合薄膜的综合性能。

随着全球对绿色和可持续材料的日益需求，基于生物质的纳米材料因其环保性、可再生资源和多功能性而受到广泛关注（Namdari等人，2017年）。碳纳米颗粒（CDs）是一类新兴的碳基纳米材料（Zhao等人，2020年），由于其超小尺寸、优异的荧光性能、可调的表面功能性和良好的生物相容性，在食品保鲜、生物医学和环境监测领域具有广泛应用前景（Sri等人，2018年）。目前，水热法是最常用的制备和研究CDs的方法，该方法原料来源多样、操作简单、效率高且环保。从有机生物质废弃物（如咖啡渣、香蕉副产品）合成CDs遵循了绿色化学的核心原则（Sachdev & Gopinath，2015年）。值得注意的是，多项近期研究成功地利用香蕉皮和果肉残渣制备出了具有生物活性的CDs，证明了水果废弃物可作为低成本、环保的CDs前体。虽然研究表明CDs通过破坏细胞膜结构（如羟基和羧基）和表面电荷以及诱导细胞内活性氧（ROS）的过量积累来发挥抗菌作用（Jiang等人，2024年），但其确切的抗菌和抗氧化效果及机制尚未能普遍推广。这是因为前体类型、反应溶剂和合成工艺的微小差异会导致CDs的物理化学性质和生物活性存在显著差异（Ghirardello等人，2021年）。因此，必须通过实验来表征特定材料制备的CDs的抗菌和抗氧化活性及其作用机制，而不能仅凭其他CDs的结果进行推断。对于食品接触应用来说，基于CDs的添加剂的生物安全性是一个关键的监管考虑因素；新兴的毒理学研究表明，典型工作浓度的生物质衍生CDs对哺乳动物细胞表现出可忽略的细胞毒性，这支持了它们在食品包装系统中的使用潜力。

尽管关于CDs基抗菌材料的文献越来越多，但针对生物质衍生CDs的详细抗菌机制及其在增强型可降解复合薄膜中用于采后水果保鲜的应用的系统研究仍然较少。在这项研究中，使用了我们之前合成并表征的生物质衍生CDs（Zhao等人，2025年；Zhao等人，2026年）；CDs、SPI/PVA薄膜系统的基本物理化学特性已在我们的先前研究中报道，此处仅引用这些结果，而不重复或声称为新发现。因此，本研究重点关注：（i）这些CDs对常见食源性病原体和腐败微生物的抗菌机制，特别关注之前未涉及的两种真菌菌株；（ii）CDs/SPI/PVA复合薄膜的抗菌和生物降解性能；（iii）这些薄膜在抑制绿色蜜饯采后品质劣化方面的效果评估。这项工作为绿色蜜饯的采后保鲜提供了一种有前景的环保策略，并为活性包装技术在新鲜农产品中的发展与应用提供了参考。

章节摘录

材料

香蕉和绿色蜜饯购自中国扬州的永辉超市。聚乙烯醇粉末（1799，水解度98-99%）购自中国新华 Pharm Chemical Reagent Co., Ltd.。所有其他色谱或分析级别的化学品均从美国圣路易斯的Sigma-Aldrich公司购买。大肠杆菌（E. coli, ATCC 43894）、金黄色葡萄球菌（S. aureus, ATCC 29213）、黑曲霉（A. niger, ATCC 16404）和青霉也用于实验。

本研究所用CDs的特性

本研究使用的CDs的形态如图S1所示。透射电子显微镜观察显示，这些CDs几乎是球形颗粒，具有可见的晶格边缘。其他关键物理化学性质，包括表面官能团（FTIR）、晶体结构（XRD）、光学性质（UV-Vis和荧光光谱）和细胞毒性，在我们的先前研究中有报道（Zhao等人，2025年；Zhao等人，2026年），此处也进行了总结。

结论

本研究使用从香蕉果肉中合成的CDs制备了CD/SPI/PVA多功能复合薄膜，并详细探讨了其抗菌机制及其对绿色蜜饯的保鲜效果。CDs表现出广谱抗菌活性，表现为对细胞壁和膜的破坏、ATP水解活性的降低以及活性氧介导的氧化损伤。随着CDs含量的增加，复合薄膜的抗菌性能得到提升。

作者贡献声明

胡楠江：数据验证与整理。 赵琳琳：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、资金争取。 顾文钦：数据验证。 陈星宇：数据验证、研究调查、数据分析。 孟向仁：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本论文工作的财务利益或个人关系。

Linlin Zhao Chen Xingyu Gu Wenqin Jiang Huinan Meng Xiangren