《International Journal of Molecular Sciences》：Synthesis Optimization of Chitosan-Derived Carbon Dots for Gelatin Capsule Waste/Gum Arabic Active Packaging Films
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本研究旨在优化壳聚糖衍生碳点（chitosan-derived carbon dots，CS-CDs）的合成工艺，并将其掺入明胶胶囊废料/阿拉伯胶（gelatin capsule waste/Gum Arabic，Gel/GA）复合膜中，用于碎鱼肉可持续活性包
本研究旨在优化壳聚糖衍生碳点（chitosan-derived carbon dots，CS-CDs）的合成工艺，并将其掺入明胶胶囊废料/阿拉伯胶（gelatin capsule waste/Gum Arabic，Gel/GA）复合膜中，用于碎鱼肉可持续活性包装。CS-CDs通过水热法分别在180、200和220 °C下反应4、5和6小时合成。最优条件为200 °C反应6小时，制备出粒径小于10 nm的球形纳米颗粒，具有强蓝色荧光，最大吸光度位于293 nm，且在20%（v/v）浓度下表现出56%（2,2-二苯基-1-苦肼基自由基，DPPH）和66%（2,2′-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐，ABTS）的抗氧化活性，同时对金黄色葡萄球菌（S. aureus）、肠炎沙门氏菌（S. enteritidis）和大肠杆菌（E. coli）具有抗菌活性。将优化后的CS-CDs以0–2%（w/v）的比例掺入Gel/GA膜中，显著提高了膜的拉伸强度（从2.20 MPa增至4.19 MPa）并改善了耐水性（p < 0.05）。抗氧化和抗菌活性随CS-CD浓度的增加而增强。含2% CS-CDs的膜（Gel/GA/CD-2）表现出最佳综合性能，并在室温条件下有效保存碎鱼肉长达48小时，减少了微生物生长和脂质氧化。总体而言，将CS-CDs与升级回收的明胶胶囊废料相结合，为开发具有增强机械性能、抗氧化和抗菌特性的多功能可降解活性包装提供了一种有前景的方法，适用于海产品保鲜。
研究背景与目的
食品在加工、运输和储存过程中的微生物污染和化学变化会严重影响其品质并缩短货架期。活性包装通过向包装基质中掺入功能性材料以抑制微生物生长、延缓氧化变质，成为传统包装的替代方案。碳点（carbon dots，CDs）因其优异的光学特性、低毒性、高水溶性、生物相容性以及前体来源广泛等优势，在活性食品包装领域展现出巨大潜力。然而，碳点的性质高度依赖于水热合成条件（温度和时间），且不同前体所需的最优条件各异。壳聚糖（chitosan，CS）作为一种天然生物聚合物，富含氮元素，是合成氮自掺杂碳点的理想前体，但其衍生的碳点性质如何受水热温度和时间的综合影响尚缺乏系统研究，适合活性包装应用的合成条件也不明确。因此，研究人员设计了3×3的实验方案（180、200、220 °C分别结合4、5、6小时），系统筛选水热温度和时间对壳聚糖衍生碳点（CS-CDs）特性和生物活性的影响，以选出兼具最高抗氧化活性（DPPH和ABTS两种测定法）和较强荧光强度的最优条件，并将该条件下获得的CS-CDs掺入明胶胶囊废料/阿拉伯胶（Gel/GA）复合膜中，评估其在碎鱼肉保鲜中的效果。
主要研究方法
研究人员采用水热法在不同温度（180、200、220 °C）和时间（4、5、6小时）组合下合成CS-CDs，并通过透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）、紫外-可见分光光度计（UV-Vis spectrophotometer）、荧光光谱仪、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）等手段对其形貌、光学性质和表面官能团进行表征。随后，将最优条件下合成的CS-CDs以0–2%（w/v）的不同浓度掺入Gel/GA膜中，制备复合膜，并测试其颜色、厚度、力学性能、水分含量、水溶性、抗氧化和抗菌活性。最后，选取综合性能最佳的Gel/GA/CD-2膜用于碎鱼肉的加速腐败实验（室温25 °C，48小时），监测其外观、脂质氧化（硫代巴比妥酸反应物，thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）和微生物生长情况。
研究结果
2.1. CS-CDs的表征研究
2.1.1. 光学性质： 所有CS-CD溶液在可见光下呈均匀棕色液体，在紫外光（365 nm）下发射蓝色荧光。较高温度（200和220 °C）和较长反应时间下合成的CS-CDs荧光更强。CS-CDs的最佳激发波长约为340 nm，发射峰在415–430 nm范围内，且呈现几乎不依赖激发波长的发射行为，表明发射态分布相对均匀。
2.1.2. 透射电子显微镜（TEM）： CS-CDs主要为球形、分散良好，粒径在纳米级（<10 nm）。随着合成温度的升高，粒径减小（180 °C下粒径范围为3.12–6.25 nm，200和220 °C下可小至约1.88 nm），这归因于高温促进碳化和成核过程。
2.1.3. 紫外-可见分光光度计： CS前体在287 nm处有特征吸收峰，而CS-CDs的吸收峰红移至约290–294 nm，且随温度升高进一步红移，表明高温促进了表面功能化和共轭程度的增加。所有CS-CDs在紫外区（200–400 nm）透过率低，尤其在UV-B区（280–315 nm）吸收更强，显示出作为生物基紫外线吸收剂的潜力。
2.1.4. 荧光光谱： CS-CDs具有对称的发射谱和激发依赖的荧光特性。180 °C下合成的CS-CDs最佳激发/发射为345/435 nm，200和220 °C下则红移至350/440 nm。随着激发波长从290 nm增加到390 nm，发射峰发生红移，最大荧光强度出现在340 nm激发下的415–430 nm处。
2.1.5. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）： 与CS前体相比，CS-CDs在3000–3500 cm-1（O-H伸缩振动）和1541–1548 cm-1（酰胺II振动）处的吸收峰增强，表明羟基和羰基等含氧官能团增多。同时，1018–1060 cm-1处C-O-C伸缩振动峰的强度随水热处理加强而逐渐减弱，反映了壳聚糖主链的降解和碳化。
2.1.6. 抗氧化性质： 在恒定温度下，延长反应时间可提高CS-CDs的DPPH和ABTS自由基清除活性。200 °C、6小时条件下合成的CS-CDs在两种测定法中均表现出最高的活性（DPPH: 56.29%，ABTS: 66.25%），约为CS前体的5.7倍和6.3倍。ABTS测定法的清除率普遍高于DPPH，这与CS-CDs在水相体系中更好的分散性和更广泛的自由基清除能力有关。
2.1.7. 抗菌性质： CS前体仅对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有抑制作用，而CS-CDs的抗菌谱更广，对四种食源性病原菌（金黄色葡萄球菌、粪肠球菌、肠炎沙门氏菌、大肠杆菌）均有抑制效果，但不同合成条件下的抑菌圈差异不大。
2.2. 明胶胶囊废料/阿拉伯胶复合膜的制备
2.2.1. 比色性质： 随着CS-CDs掺入量的增加，Gel/GA膜的颜色变暗，黄度（b值）显著增加（p < 0.05），亮度（L值）和红度（a*值）降低，这源于CS-CDs本身的棕黄色。
2.2.2. 厚度： 掺入CS-CDs后，膜厚度略有但显著增加（p < 0.05），从对照组的水平增至含2% CS-CDs时的约1.20倍，这可能与碳点干扰聚合物链排列、形成更不均匀的网络结构有关。
2.2.3. 力学性质： 掺入CS-CDs后，膜的拉伸强度（tensile strength，TS）显著增加（p < 0.05），最高达4.19 MPa（含2% CS-CDs，较对照组提升90.5%），而断裂伸长率（elongation at break，EAB）显著下降（p < 0.05），降幅最高达30.0%。这表明CS-CDs通过与聚合物基质形成氢键和静电相互作用增强了网络致密性，限制了链段运动。
2.2.4. 水分含量和水溶性： 与对照组相比，掺入0.5% CS-CDs使膜的水分含量大幅降低约67%（从22.37%降至7.28%），在1%浓度时达到最低（6.82%），之后略有回升但仍远低于对照。水溶性也随CS-CD浓度增加而降低，尤其是在1.5–2.0%浓度时显著减少，表明CS-CDs促进了更致密的网络结构，降低了亲水基团的可及性。
2.2.5. 抗氧化性质： 对照组Gel/GA膜的DPPH和ABTS自由基清除活性很低（分别为1.67%和16.29%）。掺入CS-CDs后，膜的抗氧化活性显著增强，DPPH清除率升至8.87–32.18%，ABTS清除率升至21.82–33.68%，且ABTS测定值始终高于DPPH。这归因于CS-CDs表面丰富的羟基和羧基等供电子或供氢基团。
2.2.6. 抗菌效率： 对照组Gel/GA膜无固有抗菌活性。含2% CS-CDs的膜（Gel/GA/CD-2）对除粪肠球菌外的三种病原菌均表现出明显的抑制圈，其抗菌机制涉及碳点与细菌细胞膜的静电作用、纳米尺寸的穿透效应以及诱导氧化应激等。
2.3. 明胶胶囊废料/阿拉伯胶复合膜在碎鱼肉中的应用
在室温（25 °C）储存48小时的加速腐败实验中，与聚乙烯（polyethylene，PE）袋包装和对照组Gel/GA膜相比，Gel/GA/CD-2膜包裹的碎鱼肉变色较慢，红色保持较好。脂质氧化方面，48小时后Gel/GA/CD-2组样品的TBARS值（1.07 mg/100 g）显著低于对照组（1.63 mg/100 g），但仍高于PE组（0.48 mg/100 g）。微生物生长方面，PE组样品在24小时内总活菌数（total viable count，TVC）迅速增至9 Log CFU/g，对照组在24小时后维持在8 Log CFU/g，而Gel/GA/CD-2组在整个48小时储存期内TVC保持在约6 Log CFU/g，虽已达到腐败阈值但明显减缓了微生物增殖速度。
结论与意义
本研究成功通过水热法合成了壳聚糖衍生碳点（CS-CDs），所得碳点粒径小于10 nm、荧光强、稳定性好且具有宽紫外-可见吸收特性。200 °C、6小时为最优合成条件，该条件下获得的CS-CDs兼具显著的抗氧化和抗菌活性。将CS-CDs掺入明胶胶囊废料/阿拉伯胶（Gel/GA）膜中，制得的复合膜均匀透明，紫外线阻隔能力增强，并表现出浓度依赖的抗氧化和抗菌性能，其中含2% CS-CDs的配方（Gel/GA/CD-2）综合性能最佳。将该膜应用于碎鱼肉包装，能有效延缓变色、抑制脂质氧化和微生物生长，展示了其作为活性包装材料的潜力。这项工作为利用壳聚糖生产多功能荧光碳点并提供了一种可持续途径，所开发的碳点有望在活性包装之外拓展至生物医学支架、伤口愈合、药物递送和荧光传感等领域，但需进一步验证其生物相容性和实际冷藏条件下的保鲜效果。
