《Food Chemistry》：Synergistic reinforcement of chitosan coating films by
Haematococcus pluvialis residue-derived protein and carbon dots for active food packaging
编辑推荐：
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脱脂后的H. pluvialis残渣被转化为微藻蛋白和碳 dots (CDs)。
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这些
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脱脂后的H. pluvialis残渣被转化为微藻蛋白和碳 dots (CDs)。
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这些CDs表现出显著的抗菌和抗氧化活性。
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微藻蛋白和CDs协同增强了壳聚糖聚合物网络的结构。
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涂层薄膜具有更好的屏障性、紫外线阻隔性和生物活性。
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CS/HPRP/2%的CDs涂层有效延长了红地球葡萄的保质期。
引言
由于微藻具有很强的环境适应性和丰富的天然生物活性化合物成分，它们作为高营养价值的食物成分受到了广泛关注（Thakur等，2024；Xing等，2025）。Haematococcus pluvialis（H. pluvialis）是食品和膳食补充剂行业中最重要的单细胞微藻之一，主要应用于提取虾青素。然而，这一工业过程不可避免地会产生大量脱脂后的H. pluvialis残渣（HPR）作为副产品（Liu, Cheng等，2023）。尽管HPR含有大量高价值的大分子，尤其是蛋白质、多糖和剩余的生物活性物质，但其利用目前主要局限于低附加值的应用或直接处置。先前的研究探讨了其在生物发酵、生物燃料和动物饲料中的应用（Maurya等，2016；Nishshanka等，2022），而其在开发高价值、食品级结构应用方面的潜力（特别是作为增强多糖基网络的功能性填充剂）仍尚未得到充分开发。 易腐水果，如红地球葡萄，在采后储存期间由于过度蒸腾、呼吸作用加速和微生物感染而容易迅速变质（Xu等，2025；Zhou等，2025）。传统的包装系统主要起到物理、化学和微生物防护的作用，但往往无法有效延长保质期。相比之下，主动包装薄膜通过调节水分和气体传输，并结合抗菌和抗氧化功能，成为一种先进的保鲜策略，从而保持营养价值并延缓变质过程（Liu, Liu等，2023；Zhou, Ma等，2021）。壳聚糖（CS）是一种从甲壳类动物壳中提取的多阳离子多糖，因其出色的成膜能力、生物相容性和内在的抗菌性能而在环保包装领域受到了广泛关注（Pinto等，2026；Yan等，2022）。然而，纯CS薄膜通常表现出结构异质性和分子间凝聚力弱的问题，这限制了其在需要结构稳定性和多功能性的应用中的实际使用。 为了克服这些结构瓶颈，将功能性纳米材料和兼容的生物大分子引入CS基质中被证明是一种有效策略。生物质衍生的碳 dots（CDs）是一种新兴的零维碳纳米材料，具有易合成、丰富的表面官能团和良好的生物相容性（Yang等，2024）。与传统的无机纳米填料相比，从萝卜残渣（Wang, Wang等，2024）、Sophora japonica（Guo等，2024）和玉米秸秆（Mu等，2024）等生物质前体合成的CDs含有丰富的羟基、羧基和氨基，赋予它们强大的抗菌和抗氧化活性。这些官能团还可以通过氢键、静电相互作用或物理交联与碳水化合物聚合物基质形成稳定的界面相互作用，从而提高生物基薄膜的性能。因此，CDs不仅可以作为结构调节剂来增强薄膜网络的致密性，还可以作为赋予抗氧化和抗菌活性的功能性成分。先前的研究表明，含有姜黄衍生CDs的CS薄膜表现出更好的机械性能和疏水性（Wen等，2023）。同样，含有核桃壳衍生CDs的CS基薄膜显示出了更紧凑的结构、显著提高的气体阻隔性和热稳定性，并有效延长了冬枣的保质期（Liu等，2025）。此外，将开心果皮衍生CDs引入壳聚糖/大豆蛋白分离物（CS/SPI）薄膜中可实现完全的紫外线屏蔽效果（Hadavifar等，2025）。总的来说，这些研究展示了CDs在食品活性包装中的巨大潜力。然而，目前的研究主要集中在植物源性生物质上，而脱脂微藻残渣作为CDs可持续碳前体的潜力尚未得到充分重视。 同时，将植物或海洋来源的蛋白质（如菜籽蛋白（Abookleesh等，2026）、sardinella蛋白分离物（Azaza等，2022）和camellia oleifera残渣蛋白（Nie等，2024）引入壳聚糖薄膜中，通过分子间氢键和链缠结显著改善了薄膜的连续性和相容性，从而增强了其机械和屏障性能。鉴于HPR富含含有极性侧链的蛋白质，HPR衍生的蛋白（HPRP）在复合薄膜中具有作为界面调节剂的优良潜力。然而，大多数现有策略依赖于单一功能的外部添加剂或不同的生物质来源，常常导致界面兼容性差、材料成本高以及机械强度和灵活性之间的权衡。开发一个完全集成的、零废弃物的生物精炼平台，从单一工业副产物流中同时利用不同的大分子和纳米级功能组分，是一个紧迫但很少被探索的范式。直接从脱脂H. pluvialis残渣中同时转化蛋白质组分和CDs，提供了一种经济可行、闭环的解决方案，以克服传统生物聚合物的脆性问题，并赋予复合基质内在的抗氧化、抗菌和紫外线屏蔽功能。 本研究提出了一种闭环双组分策略，直接从脱脂微藻残渣中制备高性能、多功能性的壳聚糖基活性包装薄膜。具体来说，从HPR中同时制备了生物质衍生的CDs和微藻蛋白，并系统研究了CDs的结构和功能特性。随后，将CDs和HPRP协同结合到CS基质中，制备出多功能活性涂层薄膜。系统阐明了CS、HPRP和CDs之间的结构相互作用，并全面评估了它们对薄膜微观结构、热稳定性、光学、机械和气体阻隔性能的影响。此外，还表征了水胶体薄膜的体外抗菌和抗氧化活性，并通过环境储存条件下的红地球葡萄验证了其实际保鲜效果。本研究不仅提供了关于多糖基薄膜多组分相互作用的理论见解，还为微藻废物的高价值利用提供了新的、可扩展的范式。
部分摘录
材料
HPR由Wudi LvQi Bioengineering Co., Ltd.（中国滨州）提供，含有36.39%的粗蛋白、19.81%的总碳水化合物、2.78%的粗脂质、2.70%的灰分和4.14%的水分。CS（分子量：50–100 kDa，脱乙酰度≥95%，粘度<200 mPa·s）购自上海Yuanye Biotechnology Co., Ltd.（中国上海）。甘油、无水乙酸（HAc）、1,1-二苯基-2-吡啶肼（DPPH）和2,2′-偶氮 bis（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）
CDs的形态和结构特性
图1显示了从HRP合成的CDs的形态和结构特性。CDs具有近似球形形态和均匀的尺寸分布（图1A）。高分辨率TEM图像显示了明显的晶格条纹，晶格间距为0.183 nm，对应于石墨碳的（1 0 0）平面（Chen等，2023），证实了CDs的成功形成。如图1B所示，CDs的粒径范围为1.36至3.43 nm
结论
本研究展示了一种可持续且高效的HPR转化策略。具体来说，HPR同时被转化为功能性微藻蛋白和生物质衍生的CDs，这些成分被协同整合到基于CS的涂层薄膜中。所得CDs的尺寸约为2.45 nm，具有非晶碳核心和丰富的含氧和含氮表面官能团
CRediT作者贡献声明
Qisheng Tian： 撰写 – 原初草稿、软件应用、实验研究、数据分析。 Zhongxian Zhang： 软件应用、方法论设计、实验研究。 Liling Fu： 实验研究、数据分析。 Zhen Wang： 实验研究、数据分析。 Xiaofan Xing： 方法论设计。 Changhong Liu： 撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金申请、概念构思。 Lei Zheng： 撰写 – 审稿与编辑、资源协调、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了安徽省杰出青年科学基金（2508085J022）、中国教育部基础与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM109）以及安徽省重点研发计划（2023n06020052）的支持。作者感谢合肥工业大学仪器分析中心提供的X射线衍射仪和热分析仪。
Qisheng Tian|Zhongxian Zhang|Liling Fu|Zhen Wang|Xiaofan Xing|Changhong Liu|Lei Zheng
