源自雅贡根的锌螯合氮掺杂碳量子点功能膜：制备、表征及其在食品包装领域的应用

《Journal of Stored Products Research》：Zinc-chelated, nitrogen-doped carbon quantum dot functional films derived from yacon root: Fabrication, characterization, and active food-packaging applications

　　摘要：抗菌包装可通过限制微生物污染来延长产品保质期，但所用活性成分必须与薄膜基材相容。本研究以雅贡根为原料制备了锌螯合氮掺杂碳量子点（Zn/N-CDs），并将其引入含有D-木糖的醇溶蛋白/甘油基质中，形成Zn/N-CDs–醇溶蛋白–D-木糖复合薄膜。透射电子显微镜检测显示，这些量子点的平均直径为4.71±0.43纳米，X射线光电子能谱则证实了锌已与含氮及含氧基团发生配位反应。Zn/N-CDs在薄膜中的负载量会对其性能产生浓度依赖性影响：0.25%的负载量可赋予薄膜最高的抗拉强度（24.02兆帕），而更高负载量则会提升薄膜的延伸率、不透明度、水溶性、水蒸气透过率、物质释放速率以及ABTS自由基清除能力，1.00%负载量时该清除率可达87.51%。针对金黄色葡萄球菌，0.50%的负载量即可表现出显著的抗菌效果；而对于大肠杆菌、蜡样芽孢杆菌和铜绿假单胞菌，则需0.75%的负载量才能达到相同效果。0.75%的配方在抗菌性能、机械强度、光学特性及物质释放行为之间实现了最佳平衡，同时使干米饼的冷藏保质期延长了9天。虽然0.75%薄膜对五种食品模拟物的物质释放速率存在差异，但目前尚未对总锌含量、离子态锌含量以及颗粒迁移情况进行定量分析。因此，这类薄膜具有作为活性包装材料的潜力，但在确定其食品接触安全性之前，仍需进一步研究其迁移规律及毒理学特性。

引言：食品包装是保障食品质量、延长保质期、减少污染及环境危害的重要手段之一（Fadiji等人，2023）。作为食品安全体系的关键组成部分，包装能够保护食品免受外界危害，并在储存和运输过程中防止微生物污染。在各类食品包装中，抗菌包装通过抑制食品表面的有害细菌，从而确保食品安全并延长保质期，属于极为重要的子系统（Zanetti等人，2018）。抗菌包装的核心成分——抑菌剂，会被装载到包装中，再通过包装传递到食品表面发挥作用（Giannakourou和Tsironi，2021），这凸显了其在提升抗菌效果与安全性方面的重要性。不过，将抑菌剂与包装载体结合使用也存在一定风险：例如，抑菌剂可能与聚合物结合后丢失，从而增加生产成本（Del Nobile等人，2009）；此外，若抑菌剂发生不可控的迁移或稳定性下降，也可能威胁食品安全（Khaneghah等人，2018）。

醇溶蛋白是一种源自玉米胚乳的醇溶性醇溶蛋白混合物，主要由α-醇溶蛋白构成，属于多相蛋白质。传统上，α-醇溶蛋白被分为19千道尔顿和22千道尔顿两类（Erny等人，2007），但实际上不同组分的实验测定分子量可能存在差异——例如，经过高度纯化的Z19型α-醇溶蛋白的分子量为24.535千道尔顿，等电点为6.8（Cabra等人，2005）。固态FTIR分析显示，α-醇溶蛋白中约43%为α-螺旋结构，28%为β-折叠结构，其余部分主要为转角结构和无序构象（Forato等人，2003）。其热行为会随条件变化而改变，在特定实验条件下，差示扫描量热法测得的变性温度为91.5摄氏度（Liu等人，2017；Wang等人，2022）。需要明确的是，吉布斯自由能应针对特定的热力学过程来定义，而非单独针对醇溶蛋白这种物质。例如，在303开尔文的条件下，醇溶蛋白与纳他霉素的结合常数为1.134×105 M?1，据此计算出的标准吉布斯自由能变化约为-29.3千焦/摩尔，说明二者会自发结合（Wu等人，2021）。

选择醇溶蛋白作为主要的成膜成分，是因为它在水乙醇中的溶解性使得其在相对温和的条件下即可通过溶液浇铸法制成薄膜；同时，其两亲性的氨基酸结构以及通过疏水相互作用和氢键形成的自聚集特性，也有助于形成连续的薄膜。此外，醇溶蛋白来源可再生、具有生物降解性、水溶性较低，且成膜性能良好，这些都为其在食品包装中的应用提供了有力支撑（Corradini等人，2014；Shukla和Cheryan，2001）。它的疏水区域和极性功能基团还可以与锌螯合氮掺杂碳量子点发生相互作用，从而便于将这些量子点整合到蛋白质基质中。不过，未经改性的醇溶蛋白薄膜通常较为脆，需要通过增塑处理或分子修饰才能获得足够的柔韧性（Naushad Emmambux和Stading，2007）。

为了降低醇溶蛋白薄膜的脆性并提升其柔韧性，人们通常会在其中添加增塑剂。低分子量糖类可以通过改变蛋白质基质内的分子间作用力以及链段流动性，从而影响醇溶蛋白薄膜的机械性能（Ghanbarzadeh等人，2006；Zhao等人，2025）。D-木糖是一种醛戊糖，分子式为C5H10O5，分子量为150.13克/摩尔。它的开链结构为CHO–(CHOH)3–CH2OH，包含一个醛基和四个羟基（Thorsheim等人，2015）。在水中，D-木糖会发生异头旋转，主要以α-和β-D-木酮糖的形式存在，而非开链结构（Li等人，2020）。先前的研究已经证明，低分子量糖类可以改变醇溶蛋白薄膜的分子间作用力及机械性能，这也为将糖类作为配方改良剂提供了依据（Ghanbarzadeh等人，2006）。在本研究中，D-木糖与甘油一同被加入乙醇溶液中的醇溶蛋白溶液中，随后通过溶液浇铸法制成薄膜。甘油作为主要增塑剂，而D-木糖则作为辅助糖类改良剂，因为初步的配方试验表明，它能够提升醇溶蛋白/甘油薄膜的抗拉性能。这一配方将增塑糖类在醇溶蛋白薄膜中的应用范围拓展到了此前未被研究的含D-木糖的基质体系中。由于D-木糖并未在相同条件下与其他糖类或多元醇进行直接比较，因此无法断言它就具备绝对的优越性。

碳量子点是一种荧光性碳基纳米材料，表面含有大量功能基团，生物相容性良好，在食品监测、智能包装、食品保鲜以及紫外线防护等领域具有广阔的应用前景（Giordano等人，2023；Khan等人，2023a、2023b；Szczepankowska等人，2023）。它们的抗氧化活性主要源于共轭碳结构以及表面的羟基、羧基和氨基所参与的电子和氢原子转移反应；而抗菌活性则可能通过与细菌表面的吸附、破坏细菌细胞膜、增加细菌通透性、引发活性氧介导的氧化损伤以及造成细菌细胞内损伤等方式实现（Ji等人，2019；Liang等人，2021）。含氧和含氮基团还可以通过M–O和M–N相互作用与金属离子发生配位，进而调控经金属修饰的碳量子点的电子性质和生物活性（Lin, L.P.等人，2018；Nichols等人，2020）。将碳量子点引入聚合物和生物聚合物基质中，可以制备出兼具抗氧化、抗菌、荧光监测以及食品传感功能的多功能材料（Alzahrani，2024；Das等人，2022）。最近的研究还表明，碳量子点的表面工程处理以及其与聚合物基质的界面相互作用，对于实现响应型荧光效应和杀菌功能至关重要（Das等人，2026；Ganguly等人，2026）。在引入碳量子点后，包括鱼明胶基和大豆蛋白分离物基薄膜在内的含蛋白质体系，其机械性能、阻隔性能、抗氧化性能、抗菌性能以及食品保鲜性能也都得到了提升（Ponnusamy等人，2025；Zhao等人，2025）。这些研究结果为将锌配位的氮掺杂碳量子点引入本研究中开发的醇溶蛋白/D-木糖基质中提供了依据。

大多数植物都具有天然的抗氧化特性，因此成为制备具有抗氧化功能的碳量子点的重要原料来源（Deepika等人，2023）。Zhao等人（2022a、2022b）以香蕉浆为原料，用于合成聚乙烯醇薄膜用的碳量子点，仅需0.25%的负载量，就能使ABTS自由基清除率和DPPH自由基清除率分别达到84.47%和30.97%。Yu等人（2023）则从香蕉皮、柚子皮、山竹壳以及芒果核中提取了碳量子点，这些碳量子点的抗氧化能力与维生素C相当。雅贡是一种口感甜美且富含营养的水果，其干物质中约70–80%为低聚果糖（一种益生元且难以消化的碳水化合物）（Sharma等人，2024），同时还含有绿原酸和L-色氨酸等具有良好抗氧化作用的活性物质（Yan等人，1999）。尽管雅贡的根茎口感涩味较重，适口性较差，但其成分与果实主体相似，同样含有较高的碳水化合物含量和抗氧化特性，因此是制备碳量子点的优质原料。近年来，可再生的植物材料以及食品加工副产物越来越常被用作制备可用于生物降解包装的功能性碳量子点的碳前体。典型的例子包括加入聚乙烯醇薄膜中的香蕉衍生碳量子点、加入羧甲基纤维素薄膜中的咖啡壳衍生碳量子点，以及加入纤维素纳米纤维/普鲁兰多糖薄膜中的牛油果皮衍生锌掺杂碳量子点（Zhao等人，2022a、2022b；Yang等人，2024；Riahi等人，2024）。在本研究中，富含碳水化合物和抗氧化物质的雅贡根茎通过水热法，在乙二胺和醋酸锌的作用下转化为锌螯合氮掺杂碳量子点，这些纳米粒子随后被分散到醇溶蛋白/甘油/D-木糖溶液中，再通过溶液浇铸法制成复合薄膜。与以往报道的以多糖为基础的生物质衍生碳量子点包装系统相比，那些系统通常只侧重于有限的几种功能特性，而本研究则将雅贡衍生的锌螯合氮掺杂碳量子点、醇溶蛋白/D-木糖蛋白质基质、可控的活性成分释放机制、针对四种细菌的抗菌性能测试，以及在实际食品模型中的保鲜效果评估相结合。本研究的创新之处在于其整体化的材料设计以及多层面的功能验证，而非仅仅依靠碳量子点本身。

因此，本研究旨在以雅贡根茎为原料合成锌螯合氮掺杂碳量子点，并将其引入醇溶蛋白/甘油/D-木糖基质中，以此开发出可生物降解的活性包装薄膜。本研究系统地评估了Zn/N-CDs在薄膜结构、理化性质、可控释放性能、抗氧化及抗菌活性，以及干米饼保鲜效果方面的影响。

材料：雅贡根茎采购自中国无锡的尊豪水果超市，干米饼则购自中国江苏省无锡市的赫润世家绿色食品有限公司。本研究使用的细菌菌株为大肠杆菌ATCC 25922、金黄色葡萄球菌ATCC 6538、蜡样芽孢杆菌ATCC 11778以及铜绿假单胞菌ATCC 27853。

Zn/N-CDs的制备：碳量子点、氮掺杂碳量子点以及锌螯合氮掺杂碳量子点是通过改进Yun等人（2022）的方法采用水热法制备的。首先将雅贡根茎与去离子水混合均匀。

粒径：根据透射电子显微镜检测结果，碳量子点、氮掺杂碳量子点以及锌螯合氮掺杂碳量子点的平均粒径分别为2.17±0.52纳米、2.82±0.35纳米和4.71±0.43纳米（见表1）。在选定的水热条件下制备的锌螯合氮掺杂碳量子点，其透射电子显微镜检测得到的平均粒径为4.71±0.43纳米，这说明在经过氮功能化处理和锌元素掺入后，这些量子点的粒径依然保持在5纳米以下。虽然氮掺杂碳量子点的平均粒径略大于碳量子点，但两者之间并没有出现显著差异。

结论：本研究成功地将雅贡衍生的锌螯合氮掺杂碳量子点引入醇溶蛋白/D-木糖基质中，制成了具有浓度依赖性理化性质和生物活性的活性包装薄膜。较低的锌螯合氮掺杂碳量子点负载量能够提升薄膜的抗拉强度，而较高的负载量则可以提高薄膜的延伸率、抗氧化活性、不透明度以及物质释放速率，但会降低薄膜的抗拉强度和水蒸气阻隔性能。综合考量这些优缺点后，0.75%的配方展现了最为均衡的性能，也是所有测试配方中性能最好的。

CRediT作者贡献声明：夏崇书：概念设计、数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、资源获取、初稿撰写；张敏：资金筹集、项目管理、总体监督、论文审阅与修改；Law Chung Lim：研究实施、软件应用、有效性验证、结果可视化、论文审阅与修改、结果可视化、有效性验证；范东翠：研究实施、方法设计、资源获取、论文审阅与修改；林家聪：研究实施、方法设计、资源获取、软件应用。

利益冲突声明：作者们声明，就本文的发表而言，他们不存在任何利益冲突。

致谢：我们感谢中国国家重点研发计划（编号2022YFD2100603）、国家食品科学与技术一流学科建设项目（编号JUFSTR20180205）、江苏省先进食品制造装备与技术重点实验室项目（编号FMZ202003），以及济南市十大农业特色产业科技创新项目的资金支持，正是这些支持让我们能够开展这项研究。

夏崇书|张敏|Law Chung Lim|范东翠|林家聪
中国江苏省无锡市江南大学食品科学资源国家重点实验室，邮编214122