《Trends in Food Science & Technology》：Carbon dots as sustainable antioxidants in active food packaging applications: A review
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碳点作为新型食品抗氧化包装材料，通过氢原子转移、单电子转移等机制抑制食品氧化，同时具备安全性高、可持续性强和成本效益优的特点，适用于果蔬、肉类、乳制品等多类食品包装。
斯瓦蒂·夏尔马（Swati Sharma）|佐赫雷·里亚希（Zohreh Riahi）|阿贾哈尔·汗（Ajahar Khan）|纳拉扬·昌德拉·米什拉（Narayan Chandra Mishra）|鲁奇尔·普里亚达尔希（Ruchir Priyadarshi）|钟万·林（Jong-Whan Rhim）
印度罗尔基理工学院（Indian Institute of Technology Roorkee）聚合物与过程工程系
摘要
背景
氧化降解显著限制了食品的保质期和品质，而消费者对更安全、更可持续的包装需求却在不断增加。由于碳点（carbon dots）具有可调的表面化学性质、多样的结构特性以及强大的抗氧化能力，它们正成为传统化学抗氧化剂在活性食品包装中的有前景的替代品。
范围与方法
本文综述了碳点的抗氧化机制，包括氢原子转移、单电子转移、单电子转移-质子转移、自由基加合物的形成以及中断氧化链传播等过程，这些机制在多种食品系统中都起着重要作用。研究评估了碳纳米点通过防止脂质和蛋白质氧化来保持新鲜农产品、肉类、海鲜、乳制品、饮料和烘焙产品的感官特性和营养价值的效果。同时，本文还探讨了碳点的可持续性、成本效益、可扩展性及安全性，特别是那些来源于可食用或农业生物质材料的碳点，并讨论了其在清洁标签（clean-label）和便捷食品包装领域的商业化潜力。
主要发现与结论
基于碳点的包装能有效抑制多种氧化途径，从而保护各类食品的感官和营养价值。可食用或生物质来源的碳点具有低毒性、生物相容性，且适合人类安全使用。结合其可持续性和经济可行性，碳点成为传统抗氧化剂的理想替代品，尤其在易氧化的便利食品行业中，有望推动清洁标签、可持续包装的发展。
引言
在现代食品供应链中，包装在分配和储存过程中对维持食品安全、品质和保质期起着关键作用。包装能够阻挡外部环境因素的影响，如气体、湿气和微生物以及紫外线辐射（Bagri等人，2025年）。然而，现有包装材料并不能完全有效，研究人员正在不断开发先进的解决方案以延长食品的保质期。对食品安全而言，氧化降解是最持久的威胁之一（Pillai等人，2025年）。食品氧化涉及一系列复杂的化学反应，这些反应会影响食品的感官、营养和安全性（Cheng等人，2024年）。因此，有效的抗氧化包装对于防止食品氧化和在整个供应链中保持品质至关重要（Gómez-Estaca等人，2014年）。
抗氧化剂主要用于保护富含脂质和蛋白质的食品（如肉类、乳制品和坚果）在储存过程中的自动氧化和光氧化。将抗氧化剂添加到食品或食品包装中是防止食品氧化最常见且有效的方法（Priyadarshi等人，2021年）。抗氧化剂通过与外部环境因素的相互作用，中和食品中产生的氧化自由基和其他氧化分子，从而帮助防止食品因氧化而变质（Neha等人，2019年）。
近年来，消费者对无防腐剂食品的认识日益增加，这促使食品行业采用天然抗氧化剂来替代合成抗氧化剂。然而，天然抗氧化剂（如精油和植物提取物）存在一些局限性。例如，由于挥发性的影响，它们的效果会随时间减弱，并可能受到光照、温度和pH值变化等环境因素的影响（Louren?o等人，2019年）。此外，这些抗氧化剂在直接添加到食品中或从包装转移到食品中时可能会带来强烈的风味和气味（Louren?o等人，2019年）。
此外，天然抗氧化剂的化学组成受多种不可控因素（如植物种类和生长条件）的影响，导致其效果存在差异（Priyadarshi等人，2025年；Priyadarshi等人，2025年）。鉴于这些问题以及天然抗氧化剂相对较高的成本，开发新型功能性材料显得十分重要，这些材料需要具备价格合理、多功能、安全且成分稳定等特点。
在这种情况下，碳点（Carbon Dots，CDs）作为一种有前景的抗氧化纳米材料脱颖而出，正被研究作为抗氧化食品包装的潜在成分。碳点是通过水热碳化工艺从生物质中制备的可持续、无毒的纳米材料（Gupta等人，2025年）。最近的研究表明，碳点存在于人们日常食用的烹饪和热处理食品中，长期摄入并不会对健康造成重大影响（Priyadarshi等人，2025年；Riahi等人，2025年）。这一趋势表明碳点通常对人体是安全的，是健康日常饮食的自然组成部分。由于其多样的性质，碳点不仅可以作为简单的被动防腐剂使用。其表面丰富的羟基使其具有出色的抗氧化能力，同时还具有抗菌和阻挡紫外线的特性，非常适合用于食品包装和保存（Oladzadabbasabadi等人，2023年）。因此，碳点能够有效防止氧化应激并延长食品的保质期。凭借这些多功能特性，源自生物废物的碳点已被广泛用于生物聚合物薄膜的制备，用于食品包装和保存（M. Li等人，2025年；Liu等人，2024年；Liu等人，2024年）。此外，它们还能改善包装的机械性能和阻隔性能，提升整体包装效果（Oladzadabbasabadi等人，2023年）。在食品包装中，碳点凭借其低毒性、生物相容性和环保性，同时实现食品安全和可持续性（S. Sharma等人，2026年）。
本文对碳点的抗氧化活性进行了创新性的全面研究，重点关注其在食品包装中的应用。以往关于碳点抗氧化活性的综述仅提供了总体概述，而未涉及其在食品包装中的具体应用。相比之下，本文从食品包装的角度详细讨论了碳点的抗氧化特性，考虑了它们与食品的相互作用及其安全性。文章整合了合成-结构-功能的关系，详细探讨了直接和间接的抗氧化机制，并对不同类型食品的具体应用进行了分类。同时分析了安全性、迁移性和监管因素，这些因素对于有效的食品接触应用至关重要。首先，我们讨论了目前食品包装中使用的抗氧化添加剂及其局限性；接着介绍了碳点作为抗氧化剂的机制；随后探讨了基于碳点的抗氧化包装在各种食品中的应用及其安全性考虑；最后讨论了开发基于碳点的抗氧化食品包装系统所面临的挑战和前景。本文将基础纳米材料科学与应用食品技术相结合，为开发多功能、安全、高效的基于碳点的抗氧化系统提供了见解，特别适用于食品包装领域。
章节摘录
用于食品包装的抗氧化材料
基于抗氧化剂的食品包装系统通常包含两个主要组成部分：(i) 形成薄膜的聚合物（Cheng等人，2024年），它保护食品免受气体、湿气和物理损伤等外部因素的影响；(ii) 抗氧化剂，它可以直接混入聚合物基质中，或者通过纳米载体配方实现稳定有效的抗氧化剂分散（Chelladurai等人，2024年）。
食品包装中常用抗氧化材料的局限性
尽管在活性食品包装中使用了纳米材料、精油（EOs）和天然提取物等抗氧化剂，并取得了显著进展，但仍存在一些关键挑战阻碍了它们的实际应用和商业化（Vieira等人，2022年）。包括ZnO、TiO2、Ag和Au在内的金属及金属氧化物纳米颗粒具有抗氧化活性，但由于其表面积较大，其效果远低于多酚等常见抗氧化剂。
碳点的合成
自碳点被发现以来，人们开发了许多合成技术来调节其大小、形状和表面化学性质，从而增强其性能（Priyadarshi、Uzun和Rhim，2024年）。这些合成方法显著影响了碳点的物理性质，进而影响了其在不同领域的应用性。合成方法可分为两大类：自上而下的方法和自下而上的方法。
碳点的抗氧化活性
碳点因其低成本、可持续的合成方式、可调的功能性质、稳定性和非毒性，成为食品包装中实用的抗氧化材料。它们通过多种机制展现强大的抗氧化活性，有助于防止食品系统和生物环境中的氧化应激。其抗氧化能力主要分为两类：直接清除机制，涉及立即中和活性物质；
碳点在抗氧化食品包装中的应用
将碳点用作包装膜中的抗氧化剂引起了人们的兴趣，因为它们可以防止食品的自动氧化和光氧化，从而避免氧化变质。基于碳点的抗氧化包装膜可用于包装新鲜农产品（水果和蔬菜）、肉类和海鲜、乳制品、烘焙食品以及油脂和坚果。表1展示了将碳点作为抗氧化剂添加到包装材料中以保护各种食品的情况。
安全性和迁移性考虑
随着碳点作为活性剂在食品包装膜中的普及，评估其安全性、迁移潜力和监管影响变得尤为重要。与传统材料相比，碳点作为填充剂在活性包装系统中具有多重优势。然而，碳点从包装材料迁移到食品中的问题是一个主要挑战，这可能对消费者健康构成风险，因为关于其毒性的数据有限。
结论与未来展望
基于碳点的抗氧化包装技术为食品保存技术的发展带来了希望。它提供了创新的解决方案，既能抵抗氧化损伤，又能延长食品保质期，同时满足消费者对更安全、更可持续包装的需求。碳点因其结构特性、可调的表面化学性质和强大的抗氧化性能，在增强食品包装材料方面展现出巨大潜力。
作者贡献声明
斯瓦蒂·夏尔马（Swati Sharma）：调查、数据分析、可视化处理、撰写——初稿。
佐赫雷·里亚希（Zohreh Riahi）：调查、数据分析、可视化处理、撰写——初稿。
阿贾哈尔·汗（Ajahar Khan）：调查、数据分析、可视化处理、撰写——初稿。
纳拉扬·昌德拉·米什拉（Narayan Chandra Mishra）：指导、验证。
鲁奇尔·普里亚达尔希（Ruchir Priyadarshi）：概念构思、数据分析、可视化处理、指导、资金筹集、项目管理、撰写——初稿、审稿和编辑。
钟万·林（Jong-Whan Rhim）：验证、资金筹集。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文期间，作者使用了QuillBot和Grammarly等AI工具来提升文本的语言表达和清晰度。使用这些工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
作者们没有需要声明的财务或非财务利益冲突。
致谢
本项工作得到了庆熙大学（Kyung Hee University，项目编号：KHU-20251298）和韩国食品、农业与林业技术规划与评估研究所（IPET）的支持，该研究通过农业、食品和农村事务部（MAFRA）的高附加值食品技术开发计划资助（项目编号：RS-2025-02304869）。
