《Dyes and Pigments》：Thermo-Optical Characterization and Antimicrobial Evaluation of Chitosan/Anthocyanin-Blend Films for Potential Applications in Functional Food Packaging
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荧光壳聚糖/花青素生物膜的热光学与荧光特性研究，采用热透镜技术和荧光光谱分析发现热扩散率与荧光寿命随花青素浓度增加呈显著下降，制备的薄膜对草莓具有19天以上的抑菌保鲜效果，且对金黄色葡萄球菌的抑制效能优于庆大霉素涂层。
安娜·C·M·辛特拉（Anna C.M. Cintra）|莉维亚·M·M·德巴罗斯（Lívia M.M. de Barros）|特奥法内斯·B·塞尔纳（Teófanes B. Serna）|多拉·G·费利佩（Dora G. Felipe）|莱拉·A·A·特奥菲洛（Laila A.A. Teófilo）|拉拉·R·戈麦斯（Lara R. Gomes）|贝尔基奥利娜·B·丰塞卡（Belchiolina B. Fonseca）|阿卡西奥·A·安德拉德（Acácio A. Andrade）|薇薇安·皮拉（Viviane Pilla）
材料光学与热性能研究小组（GPOTM），乌贝兰迪亚联邦大学（Universidade Federal de Uberlandia – UFU）物理研究所，地址：Jo?o Naves de ávila大街2121号，邮编38.400-902，乌贝兰迪亚，米纳斯吉拉斯州（MG），巴西
摘要
本研究评估了一种基于荧光壳聚糖的生物聚合物与花青素混合物的特性，旨在促进功能性食品包装用生物膜的开发。采用模式失配泵浦-探测热透镜（TL）技术测定了壳聚糖/花青素共混膜的热光学参数。荧光光谱和时间分辨荧光测量结果进一步验证了TL实验的结果。制备了不同花青素/壳聚糖重量比（wtAnth/wtChi在0到2.73之间）的壳聚糖膜，以用于食品封装和功能性包装。测定了这些膜的光物理参数，包括热扩散率（D）、荧光量子效率（η）和荧光寿命（τ）。随着天然染料在生物膜中浓度的增加，D和τ均下降了约40%。研究了壳聚糖/花青素涂层（wtAnth/wtChi在0到13.33之间）对最小加工草莓的抗真菌活性，并观察了处理后草莓的视觉外观和保质期。此外，还评估了这些由生物聚合物和天然染料制成的涂层对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抗菌效果。结果显示，酸化壳聚糖/花青素涂层在抑制金黄色葡萄球菌生长方面表现优异（抑菌圈直径为16.3毫米，而阳性对照庆大霉素为21.5毫米），这表明它们可作为传统食品包装的替代品，并有助于提高食品安全性。
引言
壳聚糖是一种天然生物聚合物，由几丁质的N-脱乙酰化反应生成[1]，[2]，几丁质是甲壳类动物、昆虫、藻类和某些真菌外骨骼的主要结构成分[2]，[3]。壳聚糖是一种可再生、无毒且可生物降解的多糖，可溶于酸性水溶液，具有抗真菌、抗菌和抗氧化特性[2]，[3]。几丁质及其衍生物在医学、药理学、环境、食品和纺织领域有多种应用[2]，[3]，[4]。由于具有抗菌和抗微生物活性、无毒性和生物相容性，壳聚糖薄膜受到了广泛应用[5]，[6]，[7]，[8]。此外，通过添加天然染料、金属材料和精油等添加剂，可以增强壳聚糖基材料的颜色和抗真菌性能[5]，[7]，[8]，[9]，[10]。
花青素属于黄酮类化合物，是导致植物（尤其是水果、花朵和块茎）呈现多种颜色的主要原因[11]，[12]，[13]。研究表明，这种天然色素具有抗真菌作用[14]，能抑制大肠杆菌（E. coli）及其他多种细菌的生长[15]。[16]花青素在食品加工以及制药和健康应用中也有广泛用途，因其具有抗氧化、抗血管生成、抗菌和pH依赖性变色特性[12]，[14]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]。
本研究制备并表征了壳聚糖/花青素薄膜，以探索其在食品涂层和功能性包装材料中的应用潜力。涂层可通过防止微生物污染、氧化和机械应力来保持食品的新鲜度和安全性，从而减少食品浪费。然而，目前食品工业中使用的塑料大多由化石燃料基材料制成，这带来了严重的环境和废物问题[25]，[26]。已有研究利用可再生资源（如木质素、壳聚糖、淀粉和海藻酸盐）开发了生物塑料薄膜[27]，[28]，[29]。通过添加抗菌剂，可以优化生物薄膜的性能[5]，[7]，[8]，[9]，[10]，对其光学特性的研究至关重要。这类生物薄膜作为石油基材料的替代品具有显著优势，因为它们具有可持续性、生物相容性、安全性、成本效益以及广泛的应用前景[7]，[8]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]。
本研究利用不同浓度的天然染料制备了壳聚糖/天然染料共混薄膜，并对其热光学性能进行了分析，以评估其作为食品涂层抗菌剂的潜力。所用天然染料来自Tradescantia pallida purpurea叶片，该植物富含花青素[12]，[14]，[32]。采用热透镜（TL）技术测定了热扩散率（D）和转化为热能的能量比例（φ）。进一步通过荧光光谱和时间分辨荧光寿命（TRFL）结果验证了壳聚糖基材料的TL实验结果。这类关于天然原材料在生物薄膜中的应用的光学参数在文献中较为罕见，但对开发光学器件至关重要[5]，[8]，[9]，[10]，[19]，[22]，[24]，[28]，[30]，[33]。含有花青素的壳聚糖基生物薄膜通过草莓封装实验进行了验证，以评估其作为食品包装材料的潜力。
生物膜制备
为了制备壳聚糖基生物膜，将2克高分子量壳聚糖（Sigma–Aldrich，脱乙酰化程度超过75%，分子量310-375 kDa）溶解在100毫升pH值为2.56 ± 0.01、温度为21.8 ± 0.2 °C的2%醋酸水溶液中，持续搅拌12小时直至壳聚糖完全溶解。pH值使用Hanna Instruments公司的HI 2221 pH计进行测量。
天然染料的提取方法见前文
结果与讨论
图1展示了不同壳聚糖/天然染料重量比（wtAnth/wtChi）的壳聚糖基天然染料薄膜（a）FC、（b）FAC0.5、（c）FAC1.7和（d）FAC2.7的吸收光谱。花青素从Tradescantia pallida purpurea叶片的水溶液中提取。在约506、545和586纳米处观察到的吸收峰（分别对应峰1、2和3）是Tradescantia pallida purpurea中提取的花青素的特征。
结论
本研究制备并表征了具有食品封装和功能性包装应用潜力的壳聚糖/花青素荧光生物膜。分析了不同花青素/壳聚糖重量比（wtAnth/wtChi在0到2.73之间）下的壳聚糖/花青素共混膜的光谱和热光学性能。测得的光物理参数为：荧光量子效率η = 0.20，荧光寿命τ = 2.81纳秒，热扩散率D = 1.4 × 10-7
CRediT作者贡献声明
贝尔基奥利娜·B·丰塞卡（Belchiolina B. Fonseca）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、数据分析、概念构建。阿卡西奥·A·安德拉德（Acácio A. Andrade）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化。薇薇安·皮拉（Viviane Pilla）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目监督、资金筹措、数据分析。安娜·C·M·辛特拉（Anna C. M. Cintra）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq，项目编号311612/2023-7）、米纳斯吉拉斯州研究基金会（FAPEMIG，项目编号APQ-01647-17、APQ-00656-22）、CAPES（财务代码001）以及国家光子科学技术研究所（INCT/CNPq）提供的财政支持。同时感谢Triangulo无机材料研究小组的支持。
