PDA-ALA纳米颗粒的光热-光动力协同抗菌作用可实现双光响应下的甜樱桃保鲜

《Food Bioscience》：Photothermal-photodynamic enhanced antibacterial activity of PDA-ALA nanoparticles enables dual-light-responsive sweet cherry preservation

　　摘要：甜樱桃在采后会出现品质下降，这与微生物繁殖、氧化损伤以及快速的生理衰老有关。本研究通过一种环境友好的自组装策略制备了多巴胺-5-氨基乙酰丙酸纳米复合材料，并将其融入海藻酸钠涂层中，用于实现甜樱桃的双光响应保鲜。结构分析表明，ALA成功掺入PDA基质中，且掺入后呈现低结晶度特征。在808纳米近红外光照射下，PDA-ALA的光热转换效率为38.2%，同时还能对白光产生响应。图6A中的菌落图像进一步证实了这一结果——10分钟后DPBF的特征吸光度降低了85%以上。在白光与近红外光共同照射下，PDA-ALA能在7分钟内几乎完全杀灭大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，同时将意大利青霉的生长抑制79.9%。在甜樱桃保鲜实验中，结合双光处理的PDA-ALA涂层使得第9天的腐烂率降至6.7%，并且使好氧中温菌以及酵母/霉菌的数量分别减少了2.54和2.30 log CFU/g。该处理还降低了重量损失、呼吸作用强度、氧化变质程度以及硬度下降，同时提高了可滴定酸度、抗坏血酸含量和总酚类物质的保留率。初步的血液相容性、急性口服暴露、迁移性及残留量检测结果显示，在所测试条件下该材料具有良好的短期安全性。总体而言，PDA-ALA是一种无金属的双光响应型平台，能够结合光热效应与光动力效应，用于采后水果的保鲜。

引言：食品安全与质量保持是全球食品行业最为重要的议题之一（Ferri等人，2025）。随着食品供应链的不断扩展以及消费者对新鲜、营养且安全食品需求的增加，开发高效、环保的保鲜技术对于减少采后损失、保障粮食安全以及提升经济效益至关重要（Sharma等人，2024；Xu等人，2025）。此外，降低采后损失还能提高土地（Jin & Xu，2025a，2026b）、水、能源、劳动力以及食品生产中所涉及的其他资源的利用效率（Jin & Xu，2026c），同时有助于构建更具韧性的农业供应链和可持续的食品体系（Jin & Xu，2025d）。据报道，每年约有三分之一的全球可食用农产品因储存、运输和销售过程中的微生物腐败、氧化降解、酶促反应以及物理损伤而丢失或浪费（Jin & Xu，2025c；Luo等人，2025；Pramana等人，2024）。传统的食品保鲜方法，包括热处理（Lott等人，2023）、低温储存（Alaguthevar等人，2024）、化学防腐剂使用（Mohamed等人，2025）、改质气氛包装（Li等人，2025）以及辐照处理（Yang等人，2022），虽能抑制微生物生长并延长保质期，但这些方法往往存在诸多弊端，如营养成分流失、质地变差、能耗高、可能存在化学残留风险、微生物易产生抗药性，以及在常温储存条件下的效果有限（Cheng等人，2025；Zhu等人，2024）。因此，开发高效、环保且残留少的保鲜策略已成为现代食品行业的迫切需求。

近年来，基于纳米技术的抗菌系统因具有较高的抗菌效率（Fahimirad等人，2025）、出色的生物安全性（Zhang, Chen等人，2026）、强大的靶向能力（Gelaye & Luo，2026）以及良好的缓释性能（H. C. Li, Wang等人，2025），成为食品保鲜领域的重要研究方向。其中，融合光热疗法与光动力疗法的光响应纳米平台因其高效的抗菌效果、时空可控性、非接触式操作特性以及有望减少传统化学防腐剂的使用而备受关注。在光照作用下，光热剂可将光能转化为局部热量从而杀灭微生物（J. Yang, Chao等人，2025），而光敏剂则能生成具有细胞毒性的活性氧物种，尤其是单线态氧（1O2）（Xu等人，2025），进而破坏微生物的结构。光热疗法/光动力疗法的协同作用可通过多种机制显著提升抗菌效果，同时降低所需的光强度和热剂量，减少对食品质量的不良影响。尽管光热疗法/光动力疗法协同平台在生物医学领域已得到广泛研究（Hu等人，2026；Kuznetsov等人，2024），但其在食品保鲜领域的应用则是近年来的一个极具前景的研究方向。已有多项开创性研究开发出了多种用于食品领域的光热疗法/光动力疗法协同抗菌材料，包括基于多巴胺与ZIF-8杂化的超疏水纸（Zhu等人，2025）、掺有普鲁士蓝纳米粒子的壳聚糖/明胶薄膜（Q. Zhao, Sun等人，2024），以及包封在单宁酸功能化ZIF-8中的黑磷量子点（Wang等人，2024）。这些研究成功证明了光热疗法/光动力疗法协同杀菌技术在延长新鲜食品保质期方面的可行性，为开发光响应型抗菌保鲜技术奠定了重要基础。然而，基于光热疗法/光动力疗法的食品保鲜技术要实现工业化应用，仍面临若干亟待解决的挑战：首先，一些含金属的系统的长期生物安全性需要更系统的评估，尤其是长期与食品接触过程中可能出现的物质迁移问题；其次，现有大多数系统需要特定的辐照条件才能达到最佳的抗菌效果，因此还需要进一步优化，以在杀菌效率与食品质量保护之间取得平衡；最后，目前的研究主要集中于浆果类水果，而这些材料在常温条件下对高呼吸强度的高价值核果类水果的保鲜效果仍有待系统研究。因此，当前亟需开发一种无金属、对近红外光有响应的抗菌系统，能够在常温储存条件下实现对呼吸活跃、易受微生物侵害的水果的快速控制，并且与其特性相兼容。此外，其保鲜效果不仅需要通过体外抗菌试验来验证，还需通过直接微生物计数、品质生理指标检测、相关成分分析以及食品基质中的迁移性初步评估来加以证实。

为解决这些关键问题，基于可生物降解成分的无金属多功能光响应抗菌平台成为了一个极具前景的研究方向。理想的此类系统应采用生物相容性良好且环境友好的成分，从而避免使用持久性或含金属的材料所带来的问题；同时应整合多种抗菌机制，以便在温和条件下提升杀菌效果，并能在多种易腐食品上展现出可靠的性能。多巴胺是一种受贻贝启发而设计的仿生聚合物，具有良好的生物相容性、可生物降解性、宽光谱吸收特性以及高效的光热转换能力（Zou等人，2025）。它对近红外光的强吸收特性使其能够将光能转化为局部热量，而其丰富的表面功能基团则使得多巴胺纳米颗粒可作为功能性分子的理想载体（Shen等人，2025）。这些特性使得多巴胺非常适合用于光响应型抗菌应用。不过，单独使用多巴胺主要发挥光热抗菌作用，因此，若能将其与具有互补光响应特性的成分结合，将进一步拓展其抗菌功能。

5-氨基乙酰丙酸是卟啉生物合成途径中的天然前体，它能促进光敏中间体原卟啉IX的积累，该物质在可见光激发下会产生活性氧物种，进而发挥光动力作用，杀死微生物（Shi等人，2022；P. Y. Xu等人，2024）。与多巴胺的近红外光响应光热效应不同，5-氨基乙酰丙酸相关的光动力路径可在可见光作用下被激活，从而提供另一种光响应型抗菌作用模式。因此，我们推测将5-氨基乙酰丙酸与多巴胺结合，可在同一纳米复合材料中整合两种不同的光激活路径：即在808纳米近红外光照射下的多巴胺介导的光热转换，以及在白光照射下的5-氨基乙酰丙酸相关光动力活性。这两种效应的同步激活可通过光热与光动力的协同作用带来优异的抗菌效果。

甜樱桃是一种极易腐烂的水果，其水分含量高、呼吸作用活跃，且在采后储存过程中容易受到微生物感染，从而导致品质迅速下降（L. Z. Deng等人，2024；X. M. Han等人，2025）。正是由于这些特点，甜樱桃成为了评估能够同时抑制微生物腐败和生理衰退的多功能保鲜策略的理想模型。在本研究中，我们通过一种绿色自组装策略制备了PDA-ALA纳米复合材料，并将其应用于海藻酸钠涂层中，用于甜樱桃的保鲜。本研究的主要贡献如下：首先，我们设计了PDA-ALA纳米复合材料，将808纳米近红外光触发下的多巴胺介导光热转换与可见光响应型的5-氨基乙酰丙酸光动力活性相结合，从而在单一无金属纳米平台上实现互补的光激活功能；其次，我们对PDA-ALA的光响应特性及抗菌性能进行了系统研究，评估了其光热转换能力、白光诱导的光动力活性，以及在不同光照条件下的抗菌和抗真菌效果；最后，以甜樱桃为模型水果，验证了基于PDA-ALA的海藻酸钠涂层的保鲜潜力，全面分析了室温储存过程中的微生物数量变化、腐烂情况、理化品质、呼吸作用、氧化变质程度、硬度变化，同时还进行了迁移性、残留量以及急性口服暴露等方面的评估。

本研究成功开发出一种具有互补光响应抗菌功能的PDA-ALA纳米复合材料，并为其在采后水果保鲜领域的应用提供了实验依据。这些研究结果为高易腐性水果的品质保持提供了概念验证，不过后续仍需进行更多的毒理学、法规符合性、感官评价以及大规模应用测试。

材料与试剂：盐酸多巴胺、盐酸5-氨基乙酰丙酸、三(羟甲基)氨基甲烷、碳酸钠、小苏打、氢氧化钠、1,3-二苯基异苯并呋喃、丹磺酰氯、抗坏血酸、没食子酸、福林-西奥卡尔泰乌试剂以及海藻酸钠均购自中国阿拉丁试剂有限公司；胰蛋白胨、酵母提取物和琼脂粉则购自中国国药集团化学试剂有限公司；大肠杆菌和金黄色葡萄球菌则由他人提供。

PDA-ALA纳米颗粒制备参数及粒径特性的优化：如图1所示，缓冲液类型、多巴胺与5-氨基乙酰丙酸的质量比、5-氨基乙酰丙酸浓度以及反应时间都会显著影响PDA-ALA纳米颗粒的包封效率及粒径大小。图1A显示，Na2CO3缓冲体系能够实现最高的包封效率（约为90%），此时制备出的纳米颗粒平均粒径最小（320纳米），且分布均匀；而Tris-HCl缓冲体系的包封效率约为80%。

讨论：本研究表明，PDA-ALA在单一无金属纳米复合材料中整合了两种互补的光响应功能：即在808纳米近红外光照射下的多巴胺介导光热转换，以及在白光照射下的5-氨基乙酰丙酸相关光活性。该材料的光热转换效率为38.2%，在白光照射10分钟后，DPBF的特征吸光度降低了85%以上，同时还能几乎完全杀灭大肠杆菌。

结论：综上所述，我们成功开发出一种无金属的PDA-ALA纳米复合材料，作为一种双光响应型抗菌涂层，可用于甜樱桃的保鲜。该材料兼具光热效应与光响应功能，因此在光照条件下对所测试的微生物具有更强的抗菌和抗真菌作用。当与双光处理结合使用时，PDA-ALA涂层能有效延缓微生物繁殖、抑制果实腐烂以及品质下降。

利益冲突声明：作者们声明不存在任何可能影响本研究结果的潜在利益冲突。

作者贡献说明：杜建卓：概念设计、研究方法设计、实验指导、初稿撰写；高泰：软件应用、结果验证；王佳琳：数据整理、软件使用；葛平宇：实验开展、研究方法设计；杜浩阳：软件应用；童宇：实验开展；吴家培：研究方法设计、结果验证；徐伟卓：实验指导；张淑玲：项目管理、实验指导；赵旭：资金筹集、实验指导、论文审阅与编辑。

利益冲突声明：作者们声明不存在任何已知的、可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢：本研究得到了辽宁省科学技术厅科研项目（2026-MS-279）以及辽宁省教育厅科研项目（LJ212410163008）的支持。

作者名单：杜建卓|高泰|王佳琳|葛平宇|杜浩阳|童宇|吴家培|徐伟卓|张淑玲|赵旭
单位：中国沈阳，沈阳药科大学功能食品与葡萄酒学院，邮编110016