综述：纳米酶在食品包装中的应用：从抗菌保鲜到智能监测

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Applications of nanozymes in food packaging: From antibacterial preservation to intelligent monitoring

　　摘要
背景：食品包装对于确保从生产到消费整个供应链中食品的安全性、质量及保质期至关重要。传统包装主要起到被动防护作用，而新一代技术如活性包装和智能包装则旨在主动调节包装内部环境或向消费者传递食品质量信息。纳米酶是一类具有类似天然酶催化特性的纳米材料，通常由金属、金属氧化物、碳基结构或金属有机框架等物质构成。它们能够模拟多种酶的催化活性，包括过氧化氢酶、氧化酶和超氧化物歧化酶。由于具备高稳定性、低成本、可调控的活性以及多功能性，纳米酶在食品包装领域展现出巨大应用潜力。

研究范围与方法：本综述系统总结了过去五年间纳米酶的研究进展，重点探讨了其六种主要的酶模拟功能及四种主要材料类型。文章详细阐述了纳米酶在活性食品包装、智能指示包装及其他包装应用中的核心作用，尤其关注了它们的作用机制、材料设计策略以及具体应用案例。

主要发现与结论：尽管纳米酶具有诸多优势，但其在实际应用中仍需解决迁移毒性、大规模生产可行性及法规符合性等问题。预计未来的技术创新将推动基于纳米酶的包装向更高智能化、更强的环境可持续性及更好的工业适用性发展。

引言：全球食品包装市场规模庞大，但目前传统包装主要依赖石油基塑料（Marazuela等人，2026年），这类塑料依靠其物理阻隔性能和化学防腐剂来发挥作用。这种依赖带来了诸多问题，包括添加剂迁移、塑料污染以及功能有限。统计数据显示，每年生产的塑料包装中约有40%用于食品领域，其中很大一部分不可生物降解，从而造成严重的环境污染（Shlush和Davidovich-Pinhas，2022年）。此外，苯甲酸钠（Ko等人，2021年）和山梨酸钾（Dehghan等人，2018年）等化学防腐剂可能带来健康风险，如过敏反应及潜在致癌效应（Du等人，2023年）。为应对日益严格的食品安全和质量标准，智能包装和活性包装技术快速发展，成为食品行业的重要研究方向。活性包装通过主动释放或吸收特定物质来延长食品保质期（Sultana等人，2022年），而智能包装则利用指示剂或传感器实时监测食品状态（Khan等人，2024年）。作为这两种概念的创新结合，智能活性包装（Nikolic等人，2021年）能够动态响应储存微环境的变化，为活性包装系统的设计提供了新思路。与传统活性包装相比，智能活性包装可以根据环境条件控制活性物质的释放，从而实现更精准、更高效的保鲜与监测功能。

作为一类新型人工酶模拟物，纳米酶近年来在生物医学、环境监测及食品安全等领域展现出显著优势。在智能食品包装领域，其高效率、多功能性及安全性共同推动了人们对其实际应用的深入探索。其高效率主要体现在仅需较低剂量即可发挥强催化活性（Gao等人，2026年）。与天然酶相比，纳米酶通常具有更高的稳定性和可调控的催化活性，能够在更宽的温度和pH范围内有效工作。例如，通过精确调控纳米酶的大小和表面化学性质，可显著提升其催化效率。Li等人采用Cl?介导的界面工程策略提高底物亲和力，进而增强了二维金属有机框架纳米酶的催化活性。这一进展使得能够在自来水、湖水、牛奶和米饭等实际样品中快速、高灵敏度地检测铬(VI)。这项工作为通过调控底物亲和力来增强纳米酶催化活性提供了有力示例，对于开发用于食品安全的高性能智能食品包装生物传感器具有重要意义（Zhihao Li等人，2024年）。

多功能性则是指纳米酶能够在同一平台上整合抗菌、抗氧化及监测功能（C. Zhang等人，2024年；Zhao等人，2025年）。例如，氧化铈纳米酶（D. Xu等人，2022年）可根据环境氧化还原状态在类似氧化酶和类似过氧化氢酶的功能之间切换，从而灵活地在清除活性氧（抗氧化功能）与产生具有抗菌作用的活性氧之间转换。Li等人开发了一种抗氧化纳米酶CuLyz，该纳米酶是通过将铜离子与溶菌酶结合而成的，旨在保持食品新鲜度。随后，他们以这种纳米酶为基础制备出一种多功能水凝胶薄膜（PVA/TA/CuLyz），该薄膜具有阻隔紫外线、抗氧化、耐缺氧、抗菌以及保持新鲜度等多种优异性能。此外，这种薄膜还集成了多功能传感器，可通过基于机器学习的视觉识别技术实现智能食品变质检测（Li等人，2025年）。

最后，安全性是纳米酶实际应用中需要重点考虑的因素。某些纳米酶材料，如氧化锌（ZnO），已被美国食品药品监督管理局认定为“一般认为安全”的物质（GRAS）（Adra等人，2024年），这为其在食品包装和生物医学领域的应用奠定了基础。ZnO纳米酶不仅具有良好的生物相容性，还能在低浓度下实现高效的抗菌和抗氧化功能。Cui等人在文章中指出，将银和氧化锌纳米颗粒掺入食品包装中，可以提升包装材料的抗菌和抗氧化性能，从而延长食品的保质期。值得注意的是，作为食品添加剂的纳米颗粒在长期使用中并未表现出明显的人体毒性或副作用。这篇文章有助于评估食品中由纳米颗粒形成的蛋白质冠层的安全性，并为控制纳米毒性提供重要依据（Cui等人，2022年）。

本研究通过Web of Science Core Collection（2021–2026年）中的两个检索词“nanozyme AND food”和“nanozyme AND food packaging”进行文献检索。经过筛选后，分别获得了1187条和16条有效记录。这两组数据均被导入VOSviewer中，使用统一参数（最小出现频率=3，全计数，分辨率=1.0）构建作者关键词共现网络。节点大小表示关键词的出现频率，链接粗细反映共现强度，颜色则用于区分不同集群。在纳米酶–食品数据集中，“nanozyme”和“food safety”是核心节点。蓝色、红色、黄色和绿色集群分别对应纳米材料基底、过氧化氢酶模拟传感/生物测定、快速比色检测以及基于比色技术的食品安全监测。文中还总结了过去十年间纳米酶在食品领域的发表趋势（图1A）。在纳米酶–食品包装数据集中，“nanozyme”和“food packaging”是核心节点。蓝色集群涵盖纳米酶基质及MOF/纤维素复合材料，红色集群涉及金/银纳米颗粒的抗菌机制，绿色集群则聚焦壳聚糖涂层及单原子纳米酶协同保鲜技术（图1B）。通过比较节点频率、链接强度及集群分布，可以清晰看出纳米酶在食品及食品包装领域的不同研究热点、材料体系及应用方向。

尽管已有众多综述介绍了纳米酶在食品领域的应用，但从多功能集成角度系统总结其在食品包装中兼具抗菌保鲜与智能监测双重功能的文献仍然较少。因此，本文首先回顾了纳米酶在食品领域的总体应用及其作用机制，包括其活性分类、催化机制以及结构与活性之间的关系。随后，总结了纳米酶在活性包装、智能包装及其他食品包装领域的应用情况。最后，探讨了纳米酶在食品包装领域面临的挑战及未来发展趋势。本文旨在拓展纳米酶在食品包装中的应用范围，并为多功能食品包装系统的开发提供新的思路。

章节节选：
纳米酶的催化机制与结构-活性关系：纳米酶是指具有类似天然酶催化活性的纳米材料。它们最早是由颜锡云院士团队在2007年发现的。由于具有类似酶的活性、较高的结构稳定性、可调控的催化性能、功能多样性、可重复使用性以及易于大规模制备的特点，纳米酶已成为人工酶研究领域的重点对象。它们被视为具有潜力的替代品，也可能成为传统防腐方法的竞争者。

抗菌保鲜：纳米酶可通过产生活性氧（ROS）破坏细菌细胞结构并抑制微生物生长，从而延长食品保质期。属于这一类的典型纳米酶包括银基纳米酶、Fe3O4纳米酶和CuO纳米酶。例如，Ping等人用CaO2包裹绿原酸/铁离子，并与壳聚糖复合，构建了CCF-CS体系。壳聚糖的酸性环境可促进H2O2的自我生成，而近红外光则可调控级联催化反应。

挑战：尽管纳米酶在食品包装中的应用已取得显著进展，但设计出具有高特异性和适合食品包装用的高催化活性的纳米酶仍是一项重大挑战。纳米酶的催化活性受内在和外在因素的影响，可通过多种方法进行有效调控。例如，控制纳米酶的大小和形态可以改变其比表面积、孔径及暴露的晶面。

未来前景：为应对上述挑战，纳米酶在食品包装领域的未来发展可归纳为以下几个方向（图5）。

结论：食品包装技术正在经历深刻变革：从被动防护转向主动调控，从单一功能转向智能集成，从资源消耗转向绿色可持续发展。在这场变革中，纳米酶技术凭借其高仿酶催化活性、出色的稳定性、相对较低的成本、易于大规模生产以及通过成分和结构调控可实现的功能多样性，已成为极具前景的技术。

作者贡献声明：
Can Zhou：方法学、研究实施、软件应用、正式分析、初稿撰写。
Qian Wu：方法学、概念设计、软件应用、正式分析。
Bing Liu：概念设计、方法学、研究实施、审稿与编辑、项目监督。
Yi Wang：审稿与编辑、项目监督。

资金支持声明：本研究得到了中国新疆维吾尔自治区“双区”科技发展计划项目（2026LQ02004）以及中国重庆市科学技术局（CSTB2025TIAD-qykjggX0433）的支持。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

Can Zhou | Qian Wu | Bing Liu | Yi Wang
中国重庆市重庆师范大学化学与材料科学学院，邮编401331