《RSC Advances》：Chitosan-based multifunctional hydrogel coatings with dual antibacterial and antioxidant properties are used for preservation and anti-corrosionOpen Access
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专业术语翻译（摘要部分）
由微生物污染和氧化劣变引起的采后果蔬腐败，仍是导致全球粮食损失的主要因素，亟需开发兼具高效性与食品安全性的多功能保鲜策略。为此，研究人员理性构建了一种基于壳聚糖的多功能水凝胶涂层（CTS-ZnO&CA），将ZnO纳米颗粒（Zn
专业术语翻译（摘要部分）
由微生物污染和氧化劣变引起的采后果蔬腐败，仍是导致全球粮食损失的主要因素，亟需开发兼具高效性与食品安全性的多功能保鲜策略。为此，研究人员理性构建了一种基于壳聚糖的多功能水凝胶涂层（CTS-ZnO&CA），将ZnO纳米颗粒（ZnO nanoparticles, ZnO NPs）与从金银花中提取的绿原酸（chlorogenic acid, CA）整合于一体，以期同时应对果蔬中的微生物增殖与氧化失稳问题。CTS-ZnO&CA水凝胶展现出稳定的多孔结构、良好的生物相容性及适度的抗菌活性，在低浓度下即可对多重耐药金黄色葡萄球菌（multidrug-resistant Staphylococcus aureus, MDR S. aureus）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, P. aeruginosa）实现近乎完全的抑制。机制研究表明，其抗菌效力源于多种作用的协同：细菌膜破坏、通透性增强与核酸泄漏、胞内活性氧（reactive oxygen species, ROS）过量产生、氧化应激失衡以及生物被膜的有效瓦解。除抗菌活性外，该涂层还表现出强抗氧化能力，有助于缓解贮藏期间的氧化降解。保鲜性能通过新鲜农产品模型得到验证：CTS-ZnO&CA可显著降低水分损失并维持完整番茄的外观品质，同时有效抑制创伤接种柑橘类果实中病原菌的增殖并延缓病斑扩展。本研究提出了一种集抗菌与抗氧化功能于一体的水凝胶涂层策略，为采后果蔬保鲜及防腐应用提供了一种具有前景且实用的途径。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
全球人口持续增长与科技进步加速，使得社会对安全、高品质食品的需求达到前所未有的高度。然而，尽管食品生产技术已取得显著进步，食品腐败仍是持续存在的严峻挑战。据统计，全球每年浪费的食物超过1万亿公斤，其中约三分之一可归因于贮藏、运输和分销过程中由微生物污染或氧化反应引起的腐败变质。这一问题对水果和蔬菜等易腐食品尤为严重，此类食品货架期较短，且极易受温度波动和湿度变化等外部环境因素影响而加速劣变。
食品腐败的主要诱因包括微生物污染和营养成分氧化。贮藏期间，食品可能接触环境中的多种病原菌和有毒物质，如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, P. aeruginosa）等；氧化反应则常在氧气、光照和热的作用下触发，通过分解必需营养素和改变感官属性降低食品品质。为缓解食品浪费和腐败，多种保鲜剂和保鲜技术已被开发，但传统防腐剂往往伴随食品风味改变乃至健康风险等缺陷。近年来，绿色化学的进展为食品保鲜开辟了新途径，天然活性物质因其生物相容性和安全性日益受到关注。其中，天然多糖如壳聚糖（chitosan, CTS）、海藻酸盐和卡拉胶等，因其较强的抗菌和抗氧化特性而成为有前景的候选材料。然而，现有天然多糖涂层在机械稳定性和耐水性方面仍有限，且当前防腐技术往往仅针对腐败的单一环节，难以同时应对多种降解机制。因此，开发一种既能抑制微生物增殖又能延缓营养氧化的食品级抗菌涂层，具有重要的科学意义和应用价值。
二、研究内容与总体结论
针对上述问题，研究人员成功开发了一种基于壳聚糖的多功能水凝胶涂层（CTS-ZnO&CA），将金银花提取物来源的绿原酸（chlorogenic acid, CA）与氧化锌（ZnO）纳米颗粒整合于壳聚糖基质中。该涂层具有多重优势：对多种食源性病原菌的增强抗菌活性、改善的抗氧化能力以缓解氧化腐败、良好的生物相容性与可降解性、可调的机械和阻隔性能，以及延长易腐食品（尤其果蔬）货架期的潜力。研究证实，CTS-ZnO&CA水凝胶涂层在番茄保鲜和柑橘类果实防腐模型中均表现出优异性能，为采后食品保鲜提供了一种兼具抗菌与抗氧化功能的综合策略。
三、关键技术方法概述
研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过高温热分解法合成ZnO纳米颗粒；将CTS溶于乙酸后与β-甘油磷酸（β-GP）交联，并同步引入ZnO纳米颗粒和CA，经37 °C恒温振荡孵育形成CTS-ZnO&CA复合水凝胶（CTS:ZnO:CA质量比为1:0.1:0.1）。材料表征方面，采用扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶形貌，X射线光电子能谱（XPS）分析表面元素组成和化学态，傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征有机官能团及相互作用。生物安全性评估采用大鼠红细胞溶血实验和CCK-8细胞毒性实验（涉及间充质干细胞MSCs和人非小细胞肺癌细胞NCI-H1299两种细胞系）。抗菌性能通过微量肉汤稀释法测定最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC），并通过平板涂布法验证杀菌效果。抗菌机制研究包括结晶紫染色和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）评估生物被膜破坏、NanoDrop分光光度法检测核酸泄漏、DCFH-DA荧光探针检测胞内活性氧（ROS）水平（以抗坏血酸为清除剂验证）。保鲜性能以番茄为模型评估失重率和外观品质变化，采用DPPH和ABTS自由基清除实验评价抗氧化活性；防腐效果以创伤接种P. aeruginosa的柑橘类果实为模型，监测病斑面积和细菌增殖情况。
四、研究结果
3.1 CTS-ZnO&CA水凝胶的理化表征：SEM观察显示水凝胶具有发达的孔隙结构，孔径主要集中在约10–30 μm，ZnO纳米颗粒均匀分散于有机基质中无明显团聚。元素mapping和EDS谱图证实材料主要由C、O、N、Zn组成，Zn均匀分布表明ZnO以纳米颗粒形式良好分散。XPS分析确认了ZnO（Zn 2p峰证实Zn以+2氧化态存在）、CTS（N 1s峰对应氨基）和CA（C═O和C–OH基团）的成功整合，同时检测到P 2p峰，归因于β-GP引入的磷酸根基团。FTIR结果进一步揭示了CTS与CA之间离子交联或氢键相互作用的形成，以及Zn–O晶格振动信号的存在。
3.2 细胞毒性评价：溶血实验显示，CTS、CA、ZnO及CTS-ZnO&CA在最高测试浓度500 μg mL?1下均未引起明显红细胞裂解，溶血率极低。CCK-8细胞毒性实验表明，CTS-ZnO&CA在12.5–500 μg mL?1浓度范围内对MSCs和NCI-H1299细胞的存活率均保持在95%以上，证明该水凝胶具有低毒性和优异的生物相容性。
3.3 抗菌性能：CTS-ZnO&CA对MDR S. aureus和P. aeruginosa的MIC均为250 μg mL?1，MBC均为500 μg mL?1。单一组分实验表明ZnO为主要抗菌贡献者，CTS和CA抗菌活性相对较弱。CTS-ZnO&CA在100 μg mL?1浓度下对两种菌的抗菌效率约为90%，在500 μg mL?1时达到接近完全抑制（>99%），且抗菌活性呈浓度依赖性。
3.4 抗菌机制研究：结晶紫染色和CLSM三维成像显示，CTS-ZnO&CA以浓度依赖方式破坏MDR S. aureus和P. aeruginosa的成熟生物被膜，在500 μg mL?1时被膜结构显著瓦解。核酸泄漏实验表明，随着CTS-ZnO&CA浓度升高，两种细菌释放的核酸量逐渐增加，提示细菌细胞膜严重受损、通透性增强。ROS检测显示，CTS-ZnO&CA处理后两种细菌胞内ROS水平显著升高（P. aeruginosa中甚至高于阳性对照），而抗坏血酸预处理可有效抑制该荧光信号，证实ROS过量产生是抗菌机制的重要环节。综上，CTS-ZnO&CA的抗菌机制涉及生物被膜破坏、细胞膜损伤和ROS介导的氧化应激的协同作用。
3.5 果蔬保鲜及抗氧化效果：以番茄为模型的保鲜实验显示，未处理对照组在14天贮藏期间出现明显失水皱缩和品质劣变，CTS和ZnO&CA涂层可延缓劣变，而CTS-ZnO&CA复合涂层处理的番茄在整个贮藏期保持最佳外观，失重率始终最低。DPPH和ABTS自由基清除实验表明CTS-ZnO&CA具有浓度依赖的抗氧化活性，其抗氧化能力源于壳聚糖的供电子基团、CA的还原能力及ZnO催化表面的协同作用。该复合涂层通过同时降低水分损失和提供抗氧化保护，显著提升采后品质和货架期。
3.6 果蔬防腐效果：以创伤接种P. aeruginosa的柑橘类果实为模型的体内防腐实验显示，对照组果实在15天贮藏期内病斑持续扩展、组织软化明显；CTS处理可部分延缓病害发展但后期仍可见腐烂；ZnO&CA处理进一步抑制病斑扩展；而CTS-ZnO&CA涂层处理的果实在整个贮藏期表现出最少的可见腐烂和相对完整的果皮形态。感染组织匀浆涂板结果显示，CTS-ZnO&CA处理组无可见菌落形成，而对照组有大量菌落生长。病斑面积定量分析证实CTS-ZnO&CA组在所有监测时间点的病斑面积均最小，有效抑制了细菌侵染和组织降解。
五、讨论总结与研究结论
本研究通过将ZnO纳米颗粒和绿原酸整合入壳聚糖基质，成功构建了兼具抗菌与抗氧化双功能的水凝胶涂层体系。该涂层通过多机制协同实现抗菌作用——包括生物被膜瓦解、细胞膜破坏、核酸泄漏和ROS介导的氧化应激——同时利用CA的抗氧化活性缓解贮藏期间的氧化降解。在番茄保鲜模型中，CTS-ZnO&CA显著降低失重率并维持果实外观品质；在柑橘类果实防腐模型中，该涂层有效抑制P. aeruginosa增殖并延缓病斑扩展。研究结论表明，CTS-ZnO&CA水凝胶涂层代表了一种集抗菌与抗氧化功能于一体的综合保鲜策略，为采后果蔬保鲜和防腐应用提供了实用且有前景的解决方案，同时契合可持续包装的发展趋势，对保障食品安全和减少粮食损失具有重要意义。
