《Food Chemistry》：Sustainable gelatin–carbon dot hydrogel coatings for fruit preservation: integrating antioxidant and antibacterial activities
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本研究开发了一种基于凝胶atin水凝胶嵌入碳点（Gel/CDs）的多功能涂层，有效抑制草莓和樱桃番茄的微生物腐败、水分流失及氧化降解，使保质期延长至10天，保持初始重量70%以上，兼具安全性和环保性。
王攀勇 | 胡明娜 | 米奥慧敏 | 赞明辉 | 尤倩楠 | 李莉
中国科学院苏州生物医学工程与技术研究院生物材料与干细胞系，中国苏州 215163
摘要
为了解决采后水果保存中的关键问题——即微生物腐败、水分流失和氧化降解，我们开发了一种基于明胶水凝胶并嵌入碳点（Gel/CDs）的多功能复合涂层。在这种系统中，碳点的抗氧化和抗菌性能被整合到了亲水且生物相容的水凝胶基质中，形成了具有增强表面附着力和界面兼容性的保护层。在常温储存条件下，该涂层显著延缓了草莓和樱桃番茄的腐败，使其保质期从4天延长到了10天。通过结合抗菌活性和内在的抗氧化能力，Gel/CDs涂层在水果保存方面显示出潜在的应用价值，包括有效的微生物控制以及保持超过70%的初始果实重量。其可食用性和低毒性证实了该涂层的安全性及其适用于食品保存，为化学防腐剂提供了一种无残留的替代方案，具有大规模采后应用的强大潜力。
引言
据估计，全球每年有1.3亿吨食物损失，其中水果和蔬菜由于储存和运输过程中的腐败和变质占了近60%（Matharu等人，2016年）。这种变质导致了每年约7500亿美元的经济损失，严重影响了全球粮食安全和可持续性（Pandey，2021年）。这种采后变质主要由于微生物污染、氧化应激和水分流失引起，显著降低了水果质量并缩短了保质期（Li等人，2024年；Provesi等人，2019年）。尽管水果具有很高的营养和经济价值，但目前的保存方法往往依赖于可能有毒的添加剂，成本高昂，或引发环境问题（Maringgal等人，2020年）。因此，开发安全、高效和环保的保存策略对于减轻食物腐败及其相关的经济和环境负担至关重要。
当前的保存方法，如冷链物流、合成化学防腐剂和改性气氛包装，在一定程度上延长了新鲜农产品的保质期（Xia等人，2024年）。然而，这些方法存在一些局限性。冷链物流虽然有效，但需要大量的能源投入和基础设施，导致运营成本高和碳排放（Adekomaya等人，2016年）。化学防腐剂（包括亚硫酸盐、苯甲酸盐和亚硝酸盐）引发了对食品安全、潜在毒性和消费者健康风险的日益关注（Teshome等人，2022年；Tufford等人，2023年）。改性气氛包装虽然有助于延缓腐败，但通常依赖塑料基材料，增加了环境污染的负担（Habiba等人，2025年；Sandhya，2010年）。为了应对这些挑战，由天然聚合物（如蛋白质、多糖和脂质）组成的生物基可食用涂层作为一种有前景的可持续替代品应运而生（Feng、Zhang等人，2025年；He等人，2019年；Zhao等人，2023年）。这些涂层在水果表面形成半透膜，有助于调节气体交换、抑制微生物入侵、减少氧化应激并防止水分流失（Cui等人，2024年）。此外，它们的生物相容性和可降解性使其对消费者更安全，也更环保（Panahirad等人，2021年）。然而，传统的可食用涂层常常面临的问题包括对疏水性水果表面附着力差、机械性能弱以及在恶劣微生物环境中的效果有限，这凸显了开发更强大、多功能配方的必要性。
近年来，纳米材料增强型水凝胶涂层因其能够赋予新鲜保存系统抗菌和抗氧化等活性功能而受到关注（Liu等人，2020年；Pan等人，2025年；Rotello，2023年）。例如，金属纳米颗粒（银、氧化锌）、碳基纳米材料（氧化石墨烯、碳点）和植物来源的抗氧化剂已被纳入明胶、壳聚糖或海藻酸盐基质中，以构建功能性涂层（Afkhami等人，2024年；Priyadarshi等人，2025年；Zhang等人，2022年）。这些系统在抑制微生物和清除活性氧方面显示出良好的效果。然而，仍存在几个关键挑战：（1）某些纳米填料的潜在毒性和不可食用性限制了它们在食品中的直接应用；（2）复杂的多组分系统往往兼容性和稳定性较差；（3）在没有使用化学交联剂或粘合剂的情况下，涂层在疏水性水果果皮上的均匀附着仍然具有技术难度（Heras等人，2024年；Sridhar等人，2021年；Wang等人，2023年）。
为了解决这些挑战，我们假设嵌入来自没食子酸（GA）和D-精氨酸（D-Arg）的抗氧化和抗菌碳点（CDs）可以生成一种用于水果保存的安全且多功能涂层（图1）。在这种设计中，GA提供了具有强自由基清除能力的强健酚类碳骨架，而D-Arg作为一种代谢活性底物，促进了CDs与微生物细胞之间的相互作用。当这些功能性CDs被整合到主要作为结构支撑和可食用平台的明胶基质中时，涂层能够协同作用，减轻氧化应激并抑制微生物污染，实现对氧化损伤和微生物腐败的双重保护。因此，该水凝胶系统提供了一种无防腐剂、生物安全且可持续的策略，用于延长水果保质期、保持质量并提高采后安全性。这一设计展示了将纳米材料的活性特性有效整合到可食用涂层中以实现多功能保存性能的多用途方法。
材料
没食子酸（GA，≥98.0%）和D-精氨酸（D-Arg，≥99.0%）购自中国上海的Aladdin有限公司。明胶（来自牛皮，分子量约为70,000）和乳酸钙（≥99.0%）购自中国上海的Titan有限公司。Luria-Bertani（LB）肉汤和LB琼脂购自中国上海的Sangon Biotech有限公司。细菌菌株包括大肠杆菌（ATCC 25922）、金黄色葡萄球菌（ATCC 25923）、铜绿假单胞菌（ATCC 27853）和耐甲氧西林菌株
Gel/CDs复合涂层的制备和物理化学分析
碳点（CDs）是通过使用没食子酸和D-精氨酸作为碳和氮源的水热法合成的。透射电子显微镜（TEM）显示这些纳米颗粒均匀分散，平均直径约为1.60纳米（图2a,b），晶格条纹为0.27纳米，对应于石墨碳（图S1，S2）。合成的CDs表现出依赖于激发的荧光行为，激发峰仅有轻微的红移
结论
在这项工作中，通过嵌入由没食子酸和D-精氨酸合成的碳点（CDs），制备了一种基于明胶的多功能水凝胶（Gel/CDs）。CDs富含表面官能团，在水介质中分散良好，能够均匀地整合到明胶基质中。扫描电子显微镜（SEM）分析显示其具有光滑紧凑的膜结构，嵌入的CDs通过与基质的非共价相互作用增强了抗菌和抗氧化性能。
CRediT作者贡献声明
王攀勇：撰写——初稿、可视化、项目管理。
胡明娜：撰写——审稿与编辑、验证、方法学、资金获取。
米奥慧敏：撰写——审稿与编辑、验证、方法学、资金获取。
赞明辉：监督、资金获取、数据管理。
尤倩楠：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。
李莉：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFB3210300）、国家自然科学基金（编号82172077、22201298和62027825）、中国科学院科学基金（编号2023SYHZ0037）、江苏省自然科学基金（BK20231207）、江苏省创新创业团队（JSSCTD202145）、中国科学院项目（YJKYYQ20200038）等项目的资助。
