综述：AI 辅助设计用于抗菌食品包装的安全增强型纳米生物偶联物

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：AI-assisted design of safety-enhanced nanobioconjugates for antimicrobial food packaging

　　

摘要

背景
致病微生物和腐败微生物污染食品会导致严重的食源性疾病和巨大的经济损失。然而，采用裸纳米材料的现有食品包装体系存在安全性顾虑、抗菌效率低、稳定性问题以及功能单一等局限，无法满足消费者对食品安全和品质的需求。纳米生物偶联物是一种有前景的解决方案，可通过其工程化的多功能特性解决上述问题并提升包装整体性能。

范围与方法
本综述建立了关键联系，将AI驱动的纳米生物偶联物设计与毒性预测与其在食品包装中的实际应用联系起来，着重阐述AI方法如何在分子层面预测并减轻纳米生物偶联物的生物毒性，从而指导其理性构建。

主要发现与结论
初步文献数据挖掘表明，大多数纳米生物偶联物相较于裸纳米材料展现出增强的生物安全性，尽管这种生物安全性的程度取决于偶联生物分子的类型与结构。为实现毒性和结构的可预测性，本综述随后根据偶联生物分子的类型（肽、蛋白、抗体、聚合物纳米生物偶联物）讨论了AI辅助纳米生物偶联物设计策略的研究现状与趋势。同时总结了其固有的抗菌机制，包括直接作用（活性氧生成、膜破坏等）和间接作用（抗菌剂递送）。此外，本综述创新性地聚焦于通过共价/非共价相互作用在食品包装中应用的抗菌纳米生物偶联物最新进展，重点阐述了实际应用中的潜在挑战、解决方案及前景。本研究旨在为进一步开发纳米生物偶联物提供合理指导，并识别其在食品包装产业化应用中的关键挑战。

引言
致病微生物和腐败微生物造成的食品污染是食品工业面临的重大挑战（Snyder等人，2024）。根据世界卫生组织数据，受污染食品每年导致约6亿人生病和42万人死亡（WHO，2024）。其中食源病原体是食源性疾病的首要原因，每年导致12.5万名儿童死亡，占所有食源性死亡病例的30%（WHO，2015）。同时，微生物腐败导致每年约13亿吨食品损失或浪费，对应的经济损失估计为2.1万亿欧元（Istif等人，2023）。对此，人们投入大量努力控制致病和腐败微生物，以确保食品安全并延长产品货架期。

食品包装是确保食品安全、保持品质并延长货架期的有效策略。它作为物理屏障抵御空气和外部污染物，减缓微生物生长，并维持食品产品的营养和感官特性（Mobahi等人，2025）。当前食品包装体系结合多种抗菌剂以抑制微生物生长，包括植物提取物和精油（如香芹酚和百里酚）、动物源酶（如溶菌酶）、微生物代谢物（如细菌素和有机酸）（L. Chen等人，2025；L. Kumar等人，2025）。然而，基于这些抗菌剂制备包装膜仍面临挑战，主要局限包括抗菌效能不足、包装性能下降，以及加工和储存条件下稳定性差（L. Chen等人，2025；L. Yan等人，2026）。近年来，纳米材料被广泛应用于食品包装，凭借其独特尺寸、较大的比表面积和量子效应，提升了包括抗菌活性以及阻隔性能和机械强度等在内的多种包装性能（Kaushal等人，2026；Sharma等人，2026）。然而，纳米材料相关的潜在安全和健康风险仍是持续困扰的问题（Li等人，2026）。例如，研究表明纳米材料可通过呼吸系统、皮肤或消化道进入人体，可能干扰正常细胞功能，并引发炎症反应、氧化应激，甚至导致基因突变（Kim等人，2024）。当前已采取多种措施缓解这些安全顾虑，包括包封和减少表面积，但这些方法无法消除纳米材料的固有不确定性（Sable等人，2024）。因此，开发更安全、更有效的食品包装替代品势在必行。

纳米生物偶联物由纳米材料与功能分子或生物分子通过共价键合或非共价相互作用形成，已成为一种有前景的抗菌剂，结合增强了安全性、稳定性、独特尺寸、比表面积及量子效应（Khan等人，2024；Xie等人，2023）。通过将纳米材料与高生物相容性分子（如肽、蛋白、聚合物）偶联，可调节其表面性质，提高特异性和靶向性，从而降低对正常细胞和组织的免疫反应和长期毒性。人工智能（AI）技术，包括深度学习、生成模型、神经网络架构，可协助纳米生物偶联物的定向设计与从头调控（Cheng等人，2026）。例如，一个AI指导的设计平台已被用于将从头设计的抗菌肽与Cu2?修饰的钛酸钡纳米颗粒（NPs）进行功能偶联，构建多层级交联的复合网络结构，直接增强了抗菌效能、稳定性和控制释放行为。这些AI驱动的设计原则虽然在非食品场景下开发，但为面临类似优化挑战的食品包装应用提供了方法学基础。在此基础上，可对不同类型的偶联物，包括肽基、多糖基和聚合物基偶联物，实现差异化与理性调控。AI驱动的精准偶联策略为构建安全高性能的食品包装材料提供了新的设计范式。这种精准调控使纳米生物偶联物纳入食品包装后，能够增强各种包装性能，包括阻隔性能、机械强度和整体物理特性。它们还可赋予食品包装额外的功能，如紫外线（UV）防护、可生物降解性和热性能增强（Riseh等人，2023）。例如，Ding等人（2025）开发了一种含ε-聚赖氨酸/ZIF-L复合物的可降解包装膜，其中肽类抑菌剂ε-聚赖氨酸与ZIF-L纳米结构偶联，协同增强了膜约四倍的抗菌性能。Cao等人（2025）开发了氧化羟丙基淀粉/壳聚糖（CS）膜，与胶原蛋白肽-黄芪甲苷纳米复合物偶联，显著延缓了品质劣化并将冷鲜牛肉的货架期延长至12天。总体而言，基于纳米生物偶联物的食品包装代表了开发可持续食品包装的有前景策略。

迄今为止，抗菌纳米生物偶联物的研究主要聚焦于生物医学应用，而其在抗菌食品包装中的生物安全性和潜在用途仍被忽视（Silva等人，2024；Wanasingha等人，2025；Xiong等人，2025）。近年来，AI越来越多地被用于纳米生物偶联物的合理设计，为构建更安全高效的抗菌系统开辟了新途径。目前缺乏系统综述将安全的AI辅助抗菌纳米生物偶联物知识与其食品包装应用整合起来。为弥补这一差距，生物安全验证是转化到食品包装的前提。因此，我们首先通过文献数据挖掘确认纳米生物偶联物的生物安全性。随后，本文全面综述了AI辅助纳米生物偶联物设计策略及其抗菌机制，特别强调其在活性与智能食品包装中的实际应用潜力以及可能阻碍其采用的挑战。最终，本综述旨在加速纳米生物偶联物向食品包装实践的转化。图1展示了核心设计理念：将纳米材料与生物分子整合以实现抗菌功能，用于食品保鲜和智能包装。在此基础上，本综述调研了近期进展、关键挑战和未来方向。

章节片段

纳米生物偶联物的安全性评估
为在同一维度下分析纳米偶联物与裸纳米材料相比的细胞毒性效应，我们基于已发表文献数据进行了数据挖掘分析。我们使用关键词"nanoconjugates"和"cytotoxicity"，在PubMed/Medline和Web of Science数据库中收集数据。数据来源限定为自数据库建立至2025年3月期间发表的英文文章。初步搜索在PubMed获得301条记录，在Web of Science获得44条记录。

安全增强型纳米生物偶联物的AI辅助设计
目前，不同类型纳米生物偶联物的开发仍然面临挑战，原因在于难以精确控制其结构并经常依赖偶然发现。为解决这些局限，AI提供了设计安全纳米生物偶联物的有力工具，能够实现理性设计和结构预测（图3a）。本节将纳米生物偶联物分为肽类、蛋白、抗体、聚合物及其他类型，并讨论其……

纳米生物偶联物的抗菌机制
与裸纳米材料相比，纳米生物偶联物结合了纳米材料和生物组分的双重优势，具有广谱抗菌活性、高稳定性、低副作用和良好的生物相容性。这些特点促进了其作为抑菌剂应用的研究兴趣日益增长。本节根据作用模式，将迄今报道的纳米生物偶联物抗菌机制总结归纳为六类……

抗菌纳米生物偶联物：食品包装的下一代解决方案
在食品加工和储存过程中，食品包装承担着保护食品免受微生物、温度、湿度、水分等外界环境因素侵害的重任，从而帮助保持营养品质并延长货架期（Rai & Dos Santos, 2021）。除了良好的机械性能外，食品包装还需要在整个货架期内有效保持食品质量并确保安全（Nile等人，2020）。考虑到与纳米材料相关的安全性顾虑……

挑战与局限
在活性食品包装中，纳米材料偶联技术的使用不仅有助于控制食源性病原体，还能延长货架期。智能包装的进步使纳米生物偶联物能够支持食品状态的实时监测，进一步增强了包装性能和智能化。尽管具有这些优势，由于其在食品工业中应用的复杂性，仍有几个方面需要进一步改进（图7）：（1）大规模生产与成本。生产……

结论
总之，本综述通过初步文献数据挖掘发现，相较于裸纳米材料，纳米生物偶联物展现出生物安全性提高的趋势。然而，其毒性特征高度依赖环境，受材料特性（如表面功能化、偶联方法）和实验参数（如暴露持续时间、细胞类型）的影响。为提高纳米生物偶联物的设计效率，AI通过……革命性地推动了纳米生物偶联物研究。

CRediT作者贡献声明
Lanling Li和Lina Sheng：撰写并准备原稿。Weifu Dong、Dachuan Zhang、Lijun Song、Jian Ji和Jiadi Sun：审阅与编辑。Xiulan Sun：监督、审阅与编辑。所有作者均审阅了稿件。

利益冲突声明
所有作者声明他们不存在利益冲突。

致谢
本研究得到中国国家自然科学基金（32125031）、江苏省自然科学基金（BK20231041）、中央高校基本科研业务费（JUSRP123046、JUSRP222001）、国家奶牛技术创新中心（编号2024-KFKT-021）以及江南大学江苏省食品安全与质量控制协同创新中心的支持。

Lanling Li | Lina Sheng | Weifu Dong | Dachuan Zhang | Lijun Song | Jian Ji | Jiadi Sun | Xiulan Sun
江南大学 食品科学与技术学院，食品安全国际合作联合实验室，食品安全与质量控制协同创新中心，江苏无锡，214122，中国