可见光光活化增强生物质衍生碳量子点的抗菌效能：温度依赖性灭活动力学及其在金针菇中的应用

《Food Research International》：Visible-light photoactivation enhances the antimicrobial efficacy of biomass-derived carbon quantum dots: Temperature-dependent inactivation kinetics and application in enoki mushrooms

　　- 生物质来源的碳量子点（CQDs）的合成与表征。- 光激活显著增强了CQDs的抗菌活性。- 系统阐明了CQDs的抗菌机制。- 光激活后的米酒沉淀衍生CQDs表现出最高的抗菌效能。- 雾化CQDs有效抑制了海鲜菇上的食源致病菌。## 引言收获后处理和食品加工过程中产生的农产品工业副产物快速增长，加剧了包括温室气体排放在内的环境压力（Khalid等人，2022年；Singh等人，2021年）。米酒（RW）（马格利酒）沉淀和洋葱皮（OPs）等副产物产量巨大，但尽管富含生物活性化合物，包括酚类、类黄酮和发酵衍生的代谢产物（Cha等人，2023年；Kumar等人，2022年），仍未得到充分利用。这种未充分利用不仅代表着宝贵资源的浪费，还加剧了环境负担（Gustavsson等人，2011年；Sharma等人，2016年）。这些化合物固有的抗氧化和抗菌活性为其转化为食品相关应用的高附加值材料创造了机会（Shah等人，2024年）。然而，缺乏高效的增值策略仍然限制着它们的实际利用（Qu等人，2023年）。碳量子点（CQDs）是一种新兴的零维碳基纳米材料（< 10 nm），可由包括农产品工业副产物在内的多种生物质来源合成（Chu等人，2019年）。由于其尺寸小、生物相容性好以及丰富的表面官能团，CQDs在食品系统中的应用，尤其是作为抗菌剂，受到了广泛关注（Zhang等人，2022年）。其抗菌活性主要归因于多种机制，包括膜破坏、细胞内化以及活性氧（ROS）的产生，这些机制会导致对必需生物分子的氧化损伤（Yu等人，2023年）。值得注意的是，CQDs的理化性质和生物特性因前体来源和合成条件而异，导致表面化学和电子结构的差异（Wu等人，2021年）。农产品工业副产物衍生的CQDs已被广泛研究其抗氧化和抗菌特性。当它们被纳入食品包装材料或用作食品相关功能添加剂时，有效地抑制了微生物生长并延长了各种食品产品的保质期，包括水果、肉类和豆腐（Riahi等人，2025年；Khan等人，2023a；Kim等人，2025年）。尽管取得了这些进展，但生物质前体组成、CQDs表面性质、ROS介导的抗菌机制和细菌膜损伤之间的关系仍未被充分理解。然而，可见光光激活在多大程度上增强生物质来源CQDs的抗菌效能并促进其作为食品保鲜的可持续栅栏技术进行应用，尚未得到系统研究。此外，暴露于光激活CQDs的食源致病菌的温度依赖性灭活动力学尚未得到定量表征，这限制了机制理解以及在实际食品储存和加工条件下的应用优化。因此，将Arrhenius分析与动力学建模相结合对于量化病原体灭活的温度依赖性至关重要。由此产生的活化能提供了热敏感性的定量度量，并有助于预测在一系列食品储存和加工温度下光激活CQDs处理的抗菌效能（Qin等人，2014年）。海鲜菇（*Flammulina velutipes*）是一种高度易腐烂的新鲜食品产品。其高水分含量、高水分活度（> 0.98）和接近中性的pH使其在储存和分销过程中特别容易受到微生物污染（Zhang等人，2018年）。特别是，*L. monocytogenes*（单核细胞增生李斯特菌）反复与海鲜菇相关的暴发和召回事件相关联，构成了重大的食品安全隐患（Pereira等人，2023年；疾病控制中心CDC，2023年）。L. *monocytogenes*的嗜冷特性使其能够在冷藏温度下生长，进一步加剧了运输和储存期间的风险（Lee等人，2022年）。同样，*Salmonella enterica*（鼠伤寒沙门菌）亚种鼠伤寒沙门菌，一种与蘑菇等新鲜农产品相关的重要食源致病菌，能在各种环境压力下存活（Fay等人，2023年）。尽管在海鲜菇中报道较少，但其在蘑菇生产和加工中交叉污染的潜力仍然是一个重大隐患（Salazar等人，2024年）。尽管已经探索了各种海鲜菇保鲜的抗菌策略，包括化学和物理干预，但其效果仍然有限，污染仍不断被报告（Bae等人，2025年）。因此，需要可持续的抗菌干预措施来有效控制食源致病菌，而不对海鲜菇品质产生不利影响。因此，本研究旨在将米酒（RW）沉淀和洋葱皮（OP）粉作为CQDs生产的可再生前体进行增值利用，并比较由此产生的米酒沉淀衍生CQDs（RWCD）和洋葱皮粉衍生CQDs（OPCD）的前体依赖性理化、光学和抗菌特性。通过最小抑菌浓度和杀菌浓度、膜超微结构分析以及温度依赖性灭活研究，研究了24小时可见光光激活对L. *monocytogenes*（单核细胞增生李斯特菌）和S. *typhimurium*（鼠伤寒沙门菌）的ROS产生和抗菌效能的影响。采用结合Arrhenius分析的Weibull和改良Gompertz模型，量化了暴露于光激活CQDs的食源致病菌的温度依赖性灭活动力学，为实际食品储存和加工条件下的抗菌性能预测提供了框架。活性最高的光激活CQDs的实际效能通过在接种的海鲜菇上进行雾化应用进一步评估。与以前主要关注CQDs合成或体外抗菌活性的研究不同，本工作整合了前体依赖性CQDs性质、光激活诱导的活性氧产生、膜损伤机制、温度依赖性灭活动力学以及在真实食品基质中的验证。这些发现共同提供了机制和定量证据，支持将光激活生物质来源的CQDs作为食品保鲜的可持续抗菌剂进行应用。## 章节片段### 材料RW沉淀购自首尔长所有限公司（韩国仁川），储存于?18 °C直至使用。OP粉购自商业在线供应商（久原有限公司，韩国天安）。### CQDs的合成RW沉淀衍生CQDs（RWCD）和OP衍生CQDs（OPCD）通过水热碳化法合成，遵循之前报道的方法并稍作修改（Khan等人，2024a）。对于每种前体，将1.5 g分散在50 mL蒸馏水中形成### RWCD和OPCD的光学和荧光性质使用紫外-可见和 photoluminescence（PL）光谱学对合成的RWCD和OPCD的光学性质进行了表征。如图2a所示，两种CQDs溶液在可见光下均呈现透明棕色，但在365 nm紫外光照射下表现出强烈的蓝色荧光。这一现象间接证实了通过水热过程成功形成CQDs，因为荧光发射通常归因于碳的量子限域效应或表面态### 结论本研究证明可见光光激活可以增强来自农产品工业副产物的碳量子点（CQDs）对L. *monocytogenes*（单核细胞增生李斯特菌）和S. *typhimurium*（鼠伤寒沙门菌）的抗菌效能。在所测试的CQDs中，RWCD表现出最大的光激活诱导增强效果，对L. *monocytogenes*的MIC和MBC值分别降低了3倍和4倍。温度依赖性动力学建模进一步揭示了10–60 °C范围内不同的病原体反应。较高的### CRediT作者贡献声明**Seul Bin Baik：** 撰写-原稿，可视化，验证，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。**Ajahar Khan：** 撰写-审阅与编辑，撰写-原稿，验证，监督，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。**Jong Whan Rhim：** 验证，监督，资源，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。**Ki Sun Yoon：** 撰写-审阅与编辑，撰写-### 未引用的参考文献Gibson, Bratchell and Roberts, 1988Khan, Ezati, Kim and Rhim, 2023Khan, Ezati and Rhim, 2023Khan, Ezati and Rhim, 2024Khan, Riahi, Kim and Rhim, 2024Khan, Riahi, Tae Kim and Rhim, 2024Ozdal and Gurkok, 2022Rodriguez et al., 2025U.S. Centers for Disease Control and Prevention, 2023Wang, Dekker, Heising, Zhao and Fogliano, 2024Wang et al., 2024Xue et al., 2026### 利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。### 致谢本研究由韩国食品、农业和林业技术规划评估院（IPET）通过高附加值食品技术开发计划支持，由农林部（MAFRA）提供资金资助（RS-2025-02304869）。Seul Bin Baik | Ajahar Khan | Jong Whan Rhim | Ki Sun Yoon