《Food Chemistry》：Visible light - driven antibacterial packaging based on whey protein isolate amyloid fibrils for food preservation
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量子点负载的金属有机框架复合材料（QDs@UIO-66）与乳清蛋白Amyloid纤维结合，构建了可见光响应抗菌包装QUAFF。在可见光激发下，其通过产生活性氧（ROS）特别是超氧阴离子（1O?）破坏大肠杆菌细胞膜和遗传物质，杀菌率达99.87%，同时保持优异机械性能，使番茄货架期延长至20天。
张硕|王云龙|王梦军|曹崇江|杨志平|年林宇
中国药科大学工程学院食品营养与安全系/中药加工国家研发中心，南京211198，中国
摘要
食品包装微环境中的水分和氧气不平衡容易导致病原菌繁殖，加速食品变质。利用储存环境中的可见光作为激发源来实现环境适应性抗菌作用是一种有效的策略。在本研究中，合成了量子点改性的金属有机框架复合材料（QDs@UIO-66），并使用乳清蛋白分离物淀粉纤维作为基底制备了可见光响应型抗菌包装（QUAFF）。QDs@UIO-66形成了Z型异质结构，具有更高的活性氧（ROS）生成能力。在可见光照射下，QUAFF对大肠杆菌（E. coli）的抗菌率达到了99.87%。外源性ROS会破坏细菌细胞膜，导致细胞内蛋白质/核酸泄漏，其中氧（O?）起着核心作用。同时，QUAFF表现出优异的机械性能，为其实际应用奠定了基础。在采后番茄的保鲜验证中，QUAFF延缓了番茄品质的下降，将其保质期延长至20天。
引言
包装通过创建一个独立且密封的微环境来保护采后的水果和蔬菜（F&V）免受外部微生物污染和物理损伤，是一种常见的保鲜方法。在各种包装材料中，环保的生物基材料（如多糖和蛋白质）因其环保性、低碳足迹和可降解特性而受到广泛关注（Shlush & Davidovich-Pinhas, 2022）。这些食品包装系统以多糖（如壳聚糖、淀粉）和蛋白质（如明胶、大豆蛋白）作为基质材料，并进一步结合了可降解合成聚合物、纳米材料、植物提取物和精油（Dang et al., 2025; Mirres et al., 2025; Morán et al., 2025; Pandey et al., 2022）。然而，这些材料的机械性能较差，限制了其广泛应用。研究表明，热处理和pH调节可以有效地改变蛋白质分子构象（Feng et al., 2025; Su et al., 2023），这有助于二硫键断裂并暴露自由巯基，从而增强薄膜的分子间相互作用力，显著改善其机械性能。例如，Peydayesh等人（2024）在低pH和高温度条件下处理乳清蛋白，诱导形成了具有高机械强度和自组装能力的淀粉纤维结构。因此，基于淀粉蛋白的包装材料展现出广阔的应用潜力。
然而，虽然包装创建的封闭微环境可以阻挡外部威胁，但也可能导致内部水分-氧气失衡，从而促进病原菌的繁殖（Mao et al., 2021）。为了延长保质期，需要在包装基底中添加抗菌剂。然而，化学防腐剂面临剂量控制困难和残留风险（Erickson & Doyle, 2017; Tkaczewska, 2020）。在这方面，“环境适应性抗菌”策略提供了一种新方法。该技术利用响应刺激的材料，在特定外部刺激（如光、温度、pH）的作用下触发靶向抗菌效果（Wang et al., 2021）。例如，光敏材料在光照下可以释放活性氧（ROS）或产生局部热效应，精确抑制微生物代谢（Sun et al., 2023）。值得注意的是，基于可见光响应的抗菌系统具有显著优势。与依赖紫外线（UV）或近红外（NIR）等特殊光源的技术相比，可见光响应材料可以在储存、运输和销售过程中有效利用自然光（Cheng et al., 2022; Wang et al., 2025），从而提高适用性。这为开发低能耗和高效率的保鲜技术提供了重要方向。
目前，可见光响应型纳米抗菌材料主要包括金属氧化物（如TiO?、ZnO）、金属硫化物（如CdS、CuS）和量子点（如碳量子点、ZAIS量子点）。与依赖紫外线（λ < 400 nm）或近红外光（λ > 700 nm）的材料不同，这些材料可以在可见光范围（λ = 400–700 nm）内响应，并利用储存环境中的自然光激活抗菌功能，实现零能耗灭菌（He et al., 2024）。其中，量子点（QDs）由于量子限域效应而具有显著优势。He等人的研究（2024）发现，QDs在可见光激发下产生电子-空穴对，其电子转移到氧分子上生成ROS（如·O??、·OH），进而氧化破坏细菌的遗传物质（DNA/RNA）。碳点（CDs）和氮掺杂变体（N-CDs）通过光诱导的ROS生成、静电膜相互作用和智能调控功能（如感染感应和药物释放）提供高效的低阻力抗菌活性（Campos et al., 2016; Cuevas et al., 2019; Rodríguez-Carballo et al., 2023; Yu et al., 2025）。然而，QDs的应用面临关键瓶颈：聚集倾向导致颗粒尺寸增大、比表面积减小和量子产率不足，最终限制了其抗菌性能（Hassnain et al., 2025; Hou et al., 2019; Stone et al., 2022）。因此，提高QDs的分散性是增强其抗菌性能的重要途径。
金属有机框架（MOFs）具有高孔隙率和大的比表面积，可以通过封装QDs来构建QDs@MOFs复合材料，从而有效提高QDs的稳定性和光学性能。例如，Wang等人（2021）将QDs封装在ZIF-8中，通过界面电子转移提高了QDs的分散稳定性，使光生载体的寿命延长至QDs的1.8倍，从而增强了光响应抗菌活性。Patil等人（2024）在将MOF-5与QDs复合后，也提高了QDs的分散性、电荷生成/分离效率和可见光响应性能。然而，上述MOFs在采后包装的高湿度（RH > 85%）、酸性（pH 3.0–4.5）微环境中存在失效风险（Jiang et al., 2020; Koh et al., 2020; Zuo et al., 2025）。研究表明，MOF-5在水中的稳定性较差；暴露于大气湿气10分钟后会发生相变，24小时后结构不可逆地变形和分解（Li et al., 2023）。ZIF-8在酸性条件下也不稳定（Ahmad et al., 2025; Wang et al., 2022）。相比之下，UIO-66在极端条件（pH 0–13，温度≤220°C）下能保持优异的结构稳定性（Ahmadijokani et al., 2022; Lammert et al., 2017）。因此，探索基于QDs@UIO-66复合材料的可见光响应型包装是否具有高效且稳定的抗菌特性成为一个亟待验证的关键问题。
因此，本研究制备了一种可见光响应型复合材料QDs@UIO-66，并将其与乳清蛋白分离物淀粉纤维复合材料基底结合，开发出具有优异机械性能的可见光响应型抗菌包装。通过评估包装在可见光激发下的抗菌活性，并结合细菌微观形态、ROS荧光追踪和电化学分析，揭示了其抗菌机制。此外，在模拟的实际储存和运输环境中验证了其对食源性病原菌的抑制效果及其在保持水果品质中的作用，为开发环境适应性绿色智能保鲜技术提供了新的见解。
材料和化学试剂
2-硝基对苯二甲酸（DNTPA，≥99.93%，Bidepharm）、硝酸铈（Ce(NH?)?(NO?)?，≥99.0%，Aladdin）、醋酸锌（Zn(CH?COO)?，≥99.5%，Shanghai Titan Scientific）、醋酸铟（In(CH?COO)?，≥99.99%，Shanghai Titan Scientific）、L-谷胱甘肽（GSH，≥99%，Shanghai Titan Scientific）、硝酸银（AgNO?，Nanjing Reagent）、九水合硫化钠（Na?S·9H?O，≥99%，Shanghai Titan Scientific）、胰蛋白胨（Thermo Scientific Oxoid）、酵母提取物（Thermo Scientific Oxoid）
材料表征
为了系统评估量子点掺杂对UIO-66结构和性能的影响，采用了多尺度表征技术。SEM图像显示UIO-66和QDs@UIO-66均保持了规则的八面体形态（图1a）。UIO-66和QDs@UIO-66的平均水动力直径分别为439 ± 189 nm（PDI 0.18）和457 ± 114 nm（PDI 0.06）（图S1），表明量子点掺杂并未显著改变其结构
结论
本研究采用“瓶中船”原位组装策略合成了量子点掺杂的金属有机框架材料（QDs@UIO-66）。以此作为功能组分，并以乳清蛋白分离物衍生的淀粉纤维作为基底材料，制备了可见光响应型抗菌包装材料（QUAFF）。结果表明：
- (1)
QDs@UIO-66在可见光照射1小时后ROS生成量增加了175.6%。
- (2)
电化学分析
展望
基于这些有希望的发现，有几个方向值得进一步探索，以推进这一策略的实际应用和更广泛的实施。未来的研究应关注：（1）扩展到肉类和水产品，并进行全面的安全性和稳定性评估；（2）在低光照条件下提高光响应性，以改善抗菌效率，鉴于QDs@UIO-66对光的强依赖性；（3）从独立薄膜向...
CRediT作者贡献声明
张硕：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件、方法论、数据分析、概念化。
王云龙：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件、方法论、调查、数据分析、概念化。
王梦军：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。
曹崇江：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹集。
杨志平：撰写 – 审稿与...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了江苏省自然科学基金青年项目（BK20231008）、江苏省前沿科技研发计划（BF2025316）、中央高校基本科研业务费（2632025TD07）和中国博士后科学基金会（2025M783031）的支持。
