传统韩国饮品中内源性碳点(carbon dots, CDs)：结构表征、抗氧化活性与生物相容性

《Beverages》：Endogenous Carbon Dots in Traditional Korean Beverages: Structural Characterization, Antioxidant Activity, and Biocompatibility

　　

摘要：碳点(carbon dots, CDs)是食品科学领域颇具应用前景的新兴纳米材料。近期研究表明，碳点天然存在于热加工食品及饮品中，然而传统韩国饮品中碳点的存在情况尚未见报道。本研究从三种韩国饮品——锅巴茶(Nurungji tea, Sungnyung)、大麦茶(barley tea)及绿茶(green tea)中分离得到碳点，并采用透射电子显微镜(TEM)、动态光散射(DLS)、ζ电位、紫外吸收(UV-absorbance)、光致发光(PL)光谱、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及X射线光电子能谱(XPS)对其进行表征。三种饮品均含有准球形(粒径<10 nm)碳点，符合光学性质具尺寸依赖性的量子点特征。DLS及ζ电位测定(谷物茶约?40 mV，绿茶?14 mV)证实碳点在饮品中具有良好的胶体稳定性，无团聚现象。PL光谱显示激发波长依赖性发射及红移现象，发射峰位于412–438 nm；FTIR谱图揭示碳点表面富含—OH、N—H、C=O、C—N等官能团，表明氧氮掺杂可调控氧化还原反应。得益于上述表面基团，碳点表现出优异的抗氧化活性，在12.5 μg/mL浓度下即对ABTS自由基实现100%清除率。此外，细胞毒性实验表明所分离的碳点对L929小鼠成纤维细胞具有良好生物相容性。综上所述，传统热加工韩国饮品中存在内源性强抗氧化性及低毒性的碳点，本研究为含碳点食品的功能评价及安全性认知提供了科学依据。

论文解读：传统韩国饮品中内源性碳点(carbon dots, CDs)的结构表征、抗氧化活性与生物相容性

该论文发表于《Beverages》，针对传统热加工韩国饮品中是否存在内源性碳点(carbon dots, CDs)，及其理化特征、抗氧化能力与细胞相容性展开系统研究。

研究背景与立项依据：

碳点(CDs)系指直径通常小于10 nm、具石墨化碳核与钝化表面的荧光碳基纳米材料，可通过水热法以生物质为原料廉价制备，具备低毒、水溶性好、抗菌、抗氧化及紫外阻隔等特性，广泛应用于生物成像、传感、药物递送及食品包装。已有研究证实 CDs 可经烘烤、煎炸、蒸煮等热加工程序，由食品中蛋白质、糖类及脂质经美拉德反应(Maillard reaction)等途径无意生成，并内源性存在于焙烤肉类、咖啡、可乐及啤酒等西式热加工食品与饮品中。然而，传统韩国常饮之锅巴茶(Nurungji tea / Sungnyung，即 scorched rice tea)、大麦茶(barley tea)及绿茶(green tea)中是否含有 CDs 未见文献记载。其中锅巴茶与大麦茶之抗氧化功效虽被认知，确切物质基础不明，推测与酚类及美拉德产物有关，亦可能与烘焙产 CDs 协同作用。鉴于公众对食品纳米材料的顾虑及现有数据匮乏，研究人员开展此项研究，旨在确认三种传统热加工韩国饮品中内源性 CDs 之存在，并阐明其结构、抗氧化活性及细胞毒性，为评估含 CDs 食品之功能性与初步安全性提供依据。

主要关键技术方法：

研究人员购自韩国首尔本地超市市售瓶装锅巴茶、大麦茶及绿茶饮品各三厂商产品作为样本。饮品经10,000 rpm 离心15 min 去除颗粒物，上清液经0.22 μm 针筒滤器过滤获纯化原液。碳点形态与晶格由透射电子显微镜(TEM)观测并借助 ImageJ 统计粒径分布；流体力学直径与胶体稳定性以动态光散射(DLS)及 Zetasizer 测 ζ 电位；紫外-可见吸收光谱(UV–Vis)于200–800 nm 采集；光致发光(PL)光谱与光致发光量子产率(PLQY)于310–420 nm 激发波长下测定并使用积分球校正；表面官能团由衰减全反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)鉴定；表面元素价态与掺杂由X射线光电子能谱(XPS, C 1s / O 1s / N 1s)解析。抗氧化能力采用ABTS 阳离子自由基清除法，于12.5–100 μg/mL 五个浓度梯度检测。细胞毒性选用 L929 小鼠成纤维细胞，以 MTT 法检测6.25–100 μg/mL 暴露24 h 后细胞存活率，实验独立重复三次。

研究结果：

3.1. Physicochemical Characterization（理化表征）

TEM 显示三种饮品中 CDs 均为准球形，平均粒径分别为锅巴茶 CDs 2.1 nm、大麦茶 CDs 2.6 nm、绿茶 CDs 2.4 nm，均 <10 nm 且小于石墨激子玻尔半径，具显著量子限域效应。DLS 测得水合粒径依次为约16 nm、37 nm 及20 nm，大于 TEM 核尺寸，归因于溶剂化层与表面官能团。ζ 电位测定锅巴茶与大麦茶 CDs 约为 ?40 mV，绿茶 CDs 为 ?14 mV，表明谷物茶 CDs 靠强静电排斥具极优胶体稳定性，绿茶 CDs 亦处稳定范围。UV–Vis 于~290 nm 现吸收带，归属 C=O 之 n→π* 及 sp²碳域 π→π* 跃迁；分散液日光下呈淡黄，365 nm 紫外光激发下发蓝蓝色荧光。PL 光谱具激发波长依赖性发射峰：锅巴茶 CDs 于 λ_ex=330 nm 时 λ_em=412 nm，大麦茶 CDs λ_ex=340 nm 时 λ_em=428 nm，绿茶 CDs λ_ex=320 nm 时 λ_em=438 nm，随激发波长红移出现发射红移，反映表面态不均匀性。PLQY 分别为大麦茶 CDs 3.3%、锅巴茶 CDs 2.9%、绿茶 CDs 3.2%。FTIR 于3270 cm^?1（O—H / N—H 伸缩）、2930 cm^?1（C—H 伸缩）、1645 cm^?1（sp²C=C 伸缩）、1590 cm^?1（伯胺 N—H 弯曲）、1400 cm^?1（O—H 弯曲 / 芳环 C=C）、1350 cm^?1（C—H 弯曲）、1110–1150 cm^?1（C—N 伸缩）及1020–1060 cm^?1（C—O—C / 芳基醚）示含丰富含氧/含氮表面基团。锅巴茶 CDs 1645 cm^?1较强而1590 cm^?1较弱，示富 sp²芳香网络；绿茶 CDs 1590 cm^?1最强，示胺基较多源自氨基酸与儿茶素；大麦茶 CDs 类似锅巴茶 CDs 于1020–1060 cm^?1明显，示芳基醚为主。XPS 全谱于~284.8 eV(C 1s)、~400.1 eV(N 1s)、~531.1 eV(O 1s) 确认 C、N、O 为主要表元素；高分辩拟合获 C—C/C—H、C—N/C—O、C=O(O—C—O)；O 1s 分峰对应 C—O/N—O、C=O、C—O—H；N 1s 含 C—N—C、石墨氮 N-(C)₃、N—H，确证氧氮掺杂。绿茶 CDs 氮含量较高，有利电子转移抗氧化；锅巴茶与大麦茶 CDs 芳香度高，靠 π 电子稳定自由基，二者抗氧化机制具互补性。

3.2. Antioxidant Activity（抗氧化活性）

ABTS 自由基清除实验示绿茶 CDs 于12.5 μg/mL 即达100% 清除率；大麦茶 CDs 于12.5 μg/mL 约20%，75 μg/mL 达100%；锅巴茶 CDs 于12.5 μg/mL 约15%，100 μg/mL 时为78%。浓度依赖性符合生物质源 CDs 规律。绿茶 CDs 超强抗氧化性归因 FTIR/XPS 所见丰富胺/酰胺表面氮官能团作强电子给体行电子转移还原 ABTS；谷物茶 CDs 主要靠表面含氧基团及芳香 π 电子体系清除自由基。因饮品成分复杂，不排除 CD 组分中伴生微量酚类或美拉德产物参与贡献。

3.3. Cytotoxicity Analysis（细胞毒性分析）

MTT 法检测 L929 细胞示大麦茶 CDs 与锅巴茶 CDs 于最高100 μg/mL 仍维持 >90% 细胞存活率，几乎无毒性；绿茶 CDs 于 ≤25 μg/mL 无毒，50 μg/mL 及100 μg/mL 存活率呈剂量下降，IC₅₀为64.7 μg/mL。谷物茶 CDs 强负 ζ 电位(?40 mV)可能降低细胞膜摄取及膜扰动故显低毒；绿茶 CDs 表面富氮基团可能促细胞摄取并于高浓度诱导活性氧(reactive oxygen species, ROS)产生致轻微毒性。测试浓度为含 CDs 滤液悬浮液浓度而非绝对纯 CDs。

讨论与结论翻译：

本研究证实经热加工制备之传统韩国饮品锅巴茶、大麦茶及绿茶中含内源性碳点(CDs)。TEM 示其为准球形分布，平均粒径锅巴茶 CDs 2.1 nm、大麦茶 CDs 2.6 nm、绿茶 CDs 2.4 nm，小于石墨激子玻尔半径，量子限域效应主导光物理行为。DLS 与 ζ 电位示水合粒径16–37 nm，谷物茶 CDs ζ 电位约 ?40 mV、绿茶 CDs ?14 mV，表面官能团与水化层赋予优良胶体稳定性且无团聚。PL 于310–420 nm 激发具依赖发射峰：锅巴茶 CDs 412 nm、大麦茶 CDs 亦近412 nm、绿茶 CDs 438 nm，符合表面异质发射陷阱特征。FTIR 与 XPS 确证含 —OH、N—H、C=O、C=C、C—N 基团；绿茶 CDs 胺基较丰，谷物茶 CDs 芳基醚较多，反映前体组成与烘焙路径差异。功能上，绿茶 CDs 于12.5 μg/mL 完全清除 ABTS 自由基，大麦茶 CDs 于75 μg/mL 达100% 清除，锅巴茶 CDs 于100 μg/mL 为78%，抗氧化性与表面含 O/N 基团相关并可能受饮品伴生抗氧化物影响。细胞毒性示大麦茶与大麦锅巴茶 CDs 至100 μg/mL 无毒性，绿茶 CDs 于25 μg/mL 内安全。此结果为含 CDs 传统饮品之体外细胞相容性提供初步证据，尚不足以断言消费安全性或长期健康效应，需进一步纯化、多模型体内外实验验证。局限性含样本局限于三种韩国饮品、仅体外 L929 细胞毒性及未涵盖更广结构生物学分析。