《Food Chemistry: X》：Chitosan/Carboxymethyl cellulose edible coating loaded with aggregation-induced emission photosensitizers: A robust yet biocompatible antimicrobial film for Litchi preservation
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荔枝是一种在热带和亚热带地区种植的水果，因其诱人的鲜红色果皮、多汁、甘甜且营养丰富的白色透明果肉而在国际市场上具有较高的商业价值。据统计，在中国，由于荔枝果皮在采后1-2天内易发生酶促褐变，其运输和销售过程中的综合损耗率通常高达30%-50%。这些品质低下的褐
荔枝是一种在热带和亚热带地区种植的水果，因其诱人的鲜红色果皮、多汁、甘甜且营养丰富的白色透明果肉而在国际市场上具有较高的商业价值。据统计，在中国，由于荔枝果皮在采后1-2天内易发生酶促褐变，其运输和销售过程中的综合损耗率通常高达30%-50%。这些品质低下的褐变荔枝将导致不必要的经济损失和食物浪费。此外，荔枝的质地会被腐败微生物（如青霉属（Penicillium）、荔枝霜疫霉（Peronophythora litchi）、曲霉属（Aspergillus））降解。因此，迫切需要延长极易腐烂的荔枝的货架期。
目前，荔枝采后的保鲜处理方法包括低温冷藏、气调包装、化学防腐剂、塑料包装膜等。然而，这些方法大多成本高且耗时，难以在食品工业中推广。相比之下，基于生物材料的涂膜因其成本低、操作简单、生物相容性好且保鲜效果优异，已被广泛应用于荔枝贮藏。通过将荔枝浸泡在芦荟凝胶、壳聚糖（CS）、马铃薯皮淀粉溶液或其他生物材料溶液中，可在其表面形成一层薄薄的涂膜，有效减少水分流失并控制呼吸速率，从而减缓荔枝褐变。其中，CS是一种无毒、抗菌、可生物降解且生物相容性好的天然多糖聚合物，已被美国食品药品监督管理局批准为公认安全（Generally Recognized as Safe）材料。同时，CS具有优异的成膜性能，常用于农产品保鲜和食品包装，以维持采后果蔬的品质。然而，纯CS涂膜的机械性能、防水性能、透气性和抗菌能力较差且不足，无法完全满足食品保鲜的需求。因此，与其他功能性生物材料或抗菌剂结合以改善膜性能并最大化其抗菌能力是值得鼓励的。
抗菌剂通常被掺入包装膜中以增强抗菌能力，例如抗生素、精油、银纳米颗粒等。然而，大多数抗生素只能杀灭细菌。尽管精油或银纳米颗粒可以抑制真菌，但有报道称，具有独特风味的精油会影响食品的原有风味。此外，基于银纳米颗粒的涂膜可能引起食品安全问题。令人欣慰的是，基于聚集诱导发光（AIE）材料的光动力灭活因其高效、广谱、无味且安全的微生物控制方式而带来了新的希望。例如，Wang等人报道了一种含AIE的水凝胶膜用于草莓保鲜；Yang等人制备了一种由AIE驱动的琼脂基光动力复合膜，在猪肉保鲜中表现出可接受的性能。其原理在于，当光敏剂暴露于可见光下时，会产生具有细胞毒性但绿色的活性氧（ROS），从而实现强效灭菌。更重要的是，通过合理的结构设计，如延长π共轭和增强电子给体-受体（D-A）效应，可以增强AIE的ROS产量。
在这项工作中，研究人员设计并合成了一种独特的AIE分子，命名为TPAS-NO，其具有延长的π共轭和强D-A效应。进一步，这种高光敏性且生物相容性的探针被掺杂到壳聚糖/羧甲基纤维素（CS/CMC）混合物中，形成CS/CMC/TPAS-NO涂膜，与纯CS涂膜相比，其具有优异的机械性能、较低的水蒸气透过率以及紫外线（UV）透过率，并具有更高的水接触角。重要的是，研究人员验证了这种CS/CMC/TPAS-NO涂膜对大肠杆菌（Escherichia coli）、荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）、嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和青霉（Penicillium）具有优异的杀菌性能，这对食品保鲜至关重要。正如预期的那样，经CS/CMC/TPAS-NO涂覆的荔枝在八天后表现出延迟的果皮褐变、减少的水分流失、降低的相对氧化酶活性以及高水平的可溶性糖和总花青素含量。
论文解读：基于聚集诱导发光光敏剂的壳聚糖/羧甲基纤维素可食性抗菌涂膜用于荔枝保鲜研究
一、研究背景与问题提出
荔枝是一种具有高商业价值的热带和亚热带水果，以其鲜红果皮、多汁甘甜的果肉和丰富营养备受国际市场青睐。然而，荔枝采后极易发生品质劣变，其果皮在采后1-2天内即易发生酶促褐变，导致中国荔枝在运输和销售过程中的综合损耗率通常高达30%-50%，造成严重的经济损失和食物浪费。此外，腐败微生物如青霉属（Penicillium）、荔枝霜疫霉（Peronophythora litchi）和曲霉属（Aspergillus）的侵染会进一步降解荔枝果肉质地。因此，开发高效、安全且经济的荔枝保鲜技术具有重要的现实意义。
目前，荔枝采后保鲜方法主要包括低温冷藏、气调包装、化学防腐剂和塑料包装膜等，但这些方法普遍存在成本高、耗时或存在安全隐患等问题，难以在食品工业中大规模推广。相比之下，基于生物材料的可食性涂膜技术因其成本低、操作简便、生物相容性好且保鲜效果优异而受到广泛关注。其中，壳聚糖（Chitosan, CS）作为一种无毒、抗菌、可生物降解的天然多糖聚合物，已被美国食品药品监督管理局认定为公认安全（Generally Recognized as Safe）材料，并因其优异的成膜性能而被广泛用于农产品保鲜。然而，纯CS涂膜在机械强度、防水性能、透气性和抗菌能力等方面仍存在明显不足，难以满足食品保鲜的综合需求。因此，将CS与其他功能性生物材料或抗菌剂复合，以协同提升涂膜的综合性能，成为该领域的研究热点。
传统抗菌剂如抗生素仅对细菌有效，精油虽可抑制真菌但会改变食品原有风味，银纳米颗粒则可能引发食品安全问题。近年来，基于聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）材料的光动力灭活（Photodynamic Inactivation, PDI）技术因其高效、广谱、无味且安全的微生物灭活特性，为食品抗菌保鲜提供了全新思路。AIE光敏剂在可见光照射下可产生活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），实现对微生物的强效杀灭，且可通过合理的分子结构设计进一步增强其ROS产生能力。基于此，研究人员设计并合成了一种具有延长π共轭和强电子给体-受体（Donor-Acceptor, D-A）效应的新型AIE分子TPAS-NO，并将其掺杂到壳聚糖/羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose, CMC）复合体系中，旨在构建一种兼具优异机械性能、抗紫外性能、疏水性能和广谱抗菌性能的可食性涂膜，用于延长荔枝的货架期。
二、主要关键技术方法
研究人员采用Suzuki-Miyaura交叉偶联反应和Knoevenagel缩合反应合成了AIE光敏剂TPAS-NO。通过时间依赖密度泛函理论（TDDFT）计算验证了其分子前线轨道分离特征。采用核磁共振（NMR）波谱表征了产物结构。利用荧光发射光谱和紫外-可见分光光度计评估了TPAS-NO的AIE特性和ROS产生能力。通过小鼠红细胞溶血实验、Hela细胞和RAW 264.7细胞的CCK-8实验以及小鼠灌胃实验系统评价了TPAS-NO的体外和体内安全性。采用溶液浇铸法制备了CS/CMC/TPAS-NO复合涂膜，并利用扫描电子显微镜（SEM）、Zeta电位、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）对涂膜的微观结构和键合机制进行了表征。涂膜的厚度、透光率、拉伸强度、断裂伸长率、含水量、水蒸气透过率（WVTR）和水接触角等理化性能也进行了系统测定。抗菌性能测试选取了两种革兰氏阴性菌、两种革兰氏阳性菌和一种真菌进行光动力灭活评价。荔枝保鲜应用实验所用荔枝样品购自华南农业大学附近超市。
三、研究结果
3.1 TPAS-NO的设计与结构表征
研究人员基于延长π共轭和增强D-A效应的原则设计合成了TPAS-NO，其结构包含三苯胺供电子基团、噻吩和碳碳双键π桥以及对硝基苯甲酸吸电子基团。TDDFT计算结果显示，TPAS-NO的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO）具有明显分离，单重态-三重态能隙差（ΔES1-T1）为0.9473 eV，有利于系间窜越和ROS产生。NMR波谱证实了目标产物的成功合成。
3.2 TPAS-NO的理化性质
TPAS-NO溶液在380 nm激发下于530 nm处呈现最强荧光发射。在DMSO/水混合溶剂体系中，随着DMSO比例从0%增加至70%，荧光逐渐增强并伴随发射峰红移，归因于分子内电荷转移（ICT）效应增强；当DMSO比例达到90%时，荧光强度急剧增加5.4倍，并在99%时达到峰值（为70%时的24.1倍），明确证实了TPAS-NO的典型AIE活性。ROS产生能力评估显示，在白光照射下，TPAS-NO的ROS产量随浓度增加而快速上升，且CS/CMC/TPAS-NO涂膜的ROS产量也随TPAS-NO浓度增加而增强。
3.3 TPAS-NO的安全性评价
体外安全性方面，即使在200 μM浓度下，TPAS-NO对小鼠红细胞的溶血率仅为4.97%，处于可接受范围（≤5%），表明其具有优异的血液相容性。CCK-8实验显示，在0-50 μM浓度范围内，Hela细胞和RAW 264.7细胞的存活率无明显下降，50 μM时存活率分别为86.7%和84.5%，证明TPAS-NO具有足够的体外安全性。体内安全性方面，灌胃50 μM TPAS-NO的小鼠在体重变化、血常规指标、生化指标以及肝、脾、肺、肾组织的HE染色切片方面均与对照组无显著差异，表明TPAS-NO未引起小鼠全身性炎症或肝肾功能损伤。
3.4 涂膜的表征
外观和微观结构方面，CS/CMC/TPAS-NO涂膜即使在7.2 μM TPAS-NO浓度下仍保持透明。SEM观察显示，CS涂膜存在明显裂纹，而CC和CCT系列涂膜表面均匀平整、截面致密无裂纹，归因于CS与CMC之间通过氢键和静电吸附形成的致密结构。Zeta电位测试显示，CS和CMC的Zeta电位分别为61.6 ± 2.0 mV和-4.8 ± 0.3 mV，混合后CC和CCT的Zeta电位分别为48.7 ± 0.6 mV和48.1 ± 0.5 mV，证实了CS与CMC间的静电吸附作用且TPAS-NO的加入不影响二者结合。FT-IR分析显示，CS和CMC共混后O-H伸缩振动峰发生位移和增强，表明氢键作用增强；加入TPAS-NO后，C=O峰从1649 cm-1逐渐蓝移至1652、1651和1650 cm-1，表明TPAS-NO通过竞争性氢键或插层作用部分扰动了CS-CMC间的原始相互作用。XRD分析显示，所有复合涂膜均呈现无定形特征，CS和TPAS-NO的掺入破坏了CMC链的原始有序堆积，使结晶度逐渐降低。
理化性能方面，CCT7.2涂膜的厚度为0.042 mm，与CC涂膜相当但大于CS涂膜。所有涂膜在可见光区（400-800 nm）的透过率均约为90%，但在紫外区（200-400 nm），CCT系列涂膜的透过率显著低于CS和CC涂膜，CCT7.2仅为46.6%，归因于TPAS-NO结构中苯环形成的p-π共轭，有利于阻挡紫外线对食品的氧化损伤。力学性能方面，CCT7.2涂膜的拉伸强度（TS）达6.2 MPa，断裂伸长率（EB）达34.29%，均优于CS和CC涂膜，表明TPAS-NO的加入改善了CS与CMC间的分子排列。含水量方面，CCT7.2涂膜含水量降至25.12%，低于CS（37.02%）和CC（27.28%）涂膜。水蒸气透过率（WVTR）方面，CCT7.2涂膜最低，为0.91 × 10-11 g·m-1·s-1·Pa-1，表明其具有优异的水蒸气阻隔性能。水接触角方面，CCT7.2涂膜的水接触角达78.48°，显著高于CS（29.42°）和CC（65.11°）涂膜，疏水性能明显改善。
3.5 ROS产生与抗菌性能
DCFH-DA荧光探针实验表明，CS/CMC/TPAS-NO涂膜的ROS产量随TPAS-NO含量增加而增强，且CCT0.72涂膜（0.72 μM）的ROS产量已超过40 μM TPAS-NO溶液，说明涂膜体系能更高效地产生ROS。抗菌实验结果显示，无光照条件下，CCT72涂膜（72 μM TPAS-NO）的菌落数与CC涂膜相当，表明涂膜无明显的暗毒性。在白光照射下，随着TPAS-NO浓度增加，大肠杆菌（Escherichia coli）、荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）、嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和青霉（Penicillium）的菌落数均显著减少，其中CCT72涂膜几乎杀灭了所有测试微生物，展现出强效且广谱的抗菌性能。
3.6 荔枝保鲜应用
外观和褐变指数方面，空白组和CS组荔枝果皮在4天内即迅速褐变发霉，CC组可维持至6天，而CCT7.2组荔枝在8天后仍保持较高的外观品质，褐变指数最低。水分流失方面，第8天时，空白、CS、CC和CCT7.2组的水分流失率分别为16.0%、13.3%、10.1%和6.2%，CCT7.2组有效减少了水分损失。总花青素含量（TAC）方面，第8天CCT7.2组的TAC高达0.984 ΔA/g，显著高于空白组（0.243）、CS组（0.354）和CC组（0.474），表明复合涂膜有效抑制了呼吸作用和微生物增殖，保持了花青素完整性。可溶性糖含量方面，第8天CCT7.2组为160.4 g/kg，高于空白组（94.2 g/kg）、CS组（116.2 g/kg）和CC组（134.3 g/kg），说明涂膜通过减缓呼吸作用和抑制微生物生长减少了糖底物消耗。氧化酶活性方面，第8天CCT7.2组的过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）活性分别为58.3和53.5 U/mg蛋白，均为各组最低，有效缓解了果皮褐变。
四、结论与讨论
研究人员成功构建了负载AIE光敏剂TPAS-NO的CS/CMC复合涂膜，该涂膜兼具高透明度、强紫外阻隔性能、优异机械强度、良好疏水性和广谱抗菌活性。通过光动力灭活机制，该涂膜在可见光照射下可高效产生ROS，对多种食源性致病菌和腐败真菌表现出优异的杀灭效果。在荔枝保鲜应用中，CS/CMC/TPAS-NO涂膜显著延缓了果皮褐变、减少了水分流失、降低了氧化酶活性，并在8天内保持了较高的可溶性糖和总花青素含量，有效延长了荔枝货架期。
值得注意的是，研究人员也认识到，实验所用荔枝样品在购买前可能已接受采后处理（如杀菌剂浸泡或硫磺熏蒸），这可能提高了其基线货架期，后续研究需使用新鲜采摘或已知无防腐剂历史的荔枝进行验证。此外，TPAS-NO主要应用于荔枝不可食用的果皮部分，工作浓度仅为7.2 μM，远低于灌胃实验所确定的50 μM安全阈值，且可食用假种皮被厚果皮包裹，探针向可食用部分的潜在迁移量极小。该研究为开发高效、安全、靶向的食品保鲜技术提供了新思路，所构建的光动力涂膜有望推广至更多食品的保鲜应用。
