基于生物的壳聚糖薄膜，其中掺入了迷迭香介导的银纳米颗粒，以增强抗菌活性和催化应用效果

《International Journal of Biological Macromolecules》：Biobased chitosan films incorporating rosemary-mediated silver nanoparticles for enhanced antimicrobial activity and catalytic applications

壳聚糖负载罗勒提取液合成的银纳米颗粒薄膜具有高效抗菌和催化性能，通过溶液铸造法制备并表征，验证其在食品包装和废水处理中的应用潜力。

　　

Loubna El Fedyl | Abderrahmane Nabgui | El Hassan Boutriouia | Khalid Agayr | V. Baouab Mohamed Hassen | Abdelmalik Brik | Pascal Thébault | Hicham Ben Youcef | Abdelatif El Meziane | Mohammed Lahcini

IMED-Lab，卡迪·阿亚德大学科学与技术学院，Abdelkrim Elkhattabi大道，邮政信箱549，40000，摩洛哥马拉喀什

摘要

壳聚糖（CS）是一种天然存在的多糖，来源于几丁质，因其生物降解性、生物相容性和无毒性而受到广泛认可，使其成为可持续功能性材料的理想候选者。银纳米颗粒（AgNPs）具有显著的抗菌和催化性能，但通常通过耗能且不环保的化学方法制备。在本研究中，我们报道了利用Rosmarinus officinalis（迷迭香）提取物作为还原剂和稳定剂，通过简单的体外溶液浇铸方法将AgNPs掺入CS基质中，制备出CS@R-AgNPs薄膜。所得纳米复合薄膜通过UV–Vis光谱、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）进行了全面表征。TEM显微图显示R-AgNPs在CS基质中均匀分散，而FTIR分析证实了聚合物链与纳米颗粒之间的静电相互作用。即使AgNPs含量低（0.5%），CS@R-AgNPs薄膜对金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性）和大肠杆菌（革兰氏阴性）也表现出强烈的抗菌活性。此外，在NaBH?存在下，这些薄膜能有效催化4-硝基苯胺（4-NA）还原为4-苯二胺，其反应遵循伪一级动力学，随着AgNPs含量从1%增加到3%，反应速率常数从0.0871增加到0.196?min^?1。该催化系统表现出优异的稳定性，在连续十次循环后仍保持96%的转化率。这些发现凸显了CS@R-AgNPs薄膜作为兼具抗菌和催化功能的环保材料的潜力。

引言

壳聚糖（CS）是通过脱乙酰化几丁质制备得到的多糖，是渔业副产品，也是自然界中仅次于纤维素的第二大丰富多糖[1]。除了成本低廉、生物相容性好、可生物降解和无毒性外，CS还富含-OH和-NH₂官能团，使其易于功能化[2],[3]。此外，CS中的氨基在铵形式下也具有抗菌活性[4]。因此，CS已被应用于医药[5]、活性食品包装[6]、营养涂层[7],[8]和催化[9]等多个领域。由于其固有的抗菌性能，CS作为抗菌食品包装材料受到了广泛关注。使用CS进行食品涂层可以抑制西兰花的细菌生长[10]并显著延长肉制品的保质期[11]。然而，由于CS薄膜中的铵基团在水中会分解，因此脱质子化对于提高其稳定性至关重要，但这一过程会削弱其与微生物的静电相互作用，从而降低抗菌活性[12]。此外，CS的抗菌效果（无论是定性还是定量）在中性pH值下都相当有限，通常认为CS主要是抑菌而非杀菌[13]。因此，为了维持和增强基于CS的食品包装的抗菌性能，常添加精油等添加剂[14],[15]。然而，这些添加剂可能会影响包装食品的感官品质[16]，因此需要寻找替代方案。

为此，金属纳米颗粒（MeNPs）显得很有前景。特别是银纳米颗粒（AgNPs）与其他金属纳米颗粒（如金纳米颗粒（AuNPs）[17]、氧化锌纳米颗粒（ZnONPs）[18]和铜纳米颗粒（CuNPs）[19]相比，具有更高的抗菌活性[17]。Metak等人（2015）还证明AgNPs不会影响食品的感官品质[20]。此外，AgNPs对壳聚糖的-OH和-NH₂官能团具有很好的亲和力，有助于其在壳聚糖基质中的良好结合[21],[22]。

据文献报道，一些研究将银纳米颗粒（AgNPs）掺入壳聚糖中以增强其抗菌性能[23],[24]或催化水介质中染料污染物的光降解[25]。然而，这些壳聚糖@AgNPs系统的主要局限性在于AgNPs的合成通常采用化学或物理方法，这些方法分别需要使用有害物质和大量能源[26],[27]。另一种方法是利用生物提取物来制备AgNPs，因为植物提取物富含多酚、多糖和蛋白质等生物分子，这些物质可用于还原银离子并进一步修饰生成的AgNPs[28]。药用和芳香植物是制备金属纳米颗粒的理想选择，尤其是AgNPs，因为它们含有多酚和黄酮类次生代谢物，这些物质不仅参与AgNPs的合成和稳定，还对其抗菌活性有重要作用[29],[30]。迷迭香（Salvia rosmarinus Spenn.，同义名Rosmarinus officinalis L.）是地中海地区广泛分布的植物，富含多种次生代谢物，具有重要的抗菌、抗病毒和抗氧化特性，使其成为制备金属纳米颗粒的理想材料。事实上，迷迭香提取物已被用于制备稳定性好且抗菌性能强的窄尺寸AgNPs[31],[32]。

此外，水污染是本世纪的主要全球挑战之一。在地下水污染物中，硝基芳香化合物是工业和农业废水中最持久和危害最大的有机污染物之一[33]。这些化合物对人类、动物和植物具有高度毒性，即使在低浓度下也会对人类生活和环境构成严重威胁[34]。近年来，已有多种方法用于降解、转化或去除废水中的硝基芳香化合物，包括电化学降解、光化学降解、臭氧氧化和吸附等[35]。其中，催化氢化是一种高效且环保的方法。这项技术不仅能够有效去除有害污染物，还能生成高附加值产品。在这种背景下，CS@MNPs纳米复合材料可作为控制性和选择性氢化硝基芳烃的理想催化剂。

由于壳聚糖的功能性和对金属的高亲和力，它已被广泛用作各种异相催化系统的支撑材料[36],[37]。这种生物聚合物能够有效固定金属催化剂，便于从反应介质中回收并重复使用。将CS作为金属纳米颗粒（MNPs）的固体支撑剂可以提高其稳定性、反应性和选择性，从而提高CS@MNPs纳米复合材料的广泛应用前景[38]。

这些纳米复合材料（CS@MNPs）可以通过原位或体外方法制备。原位方法是在CS基质内直接生成MNPs，利用CS的还原和稳定性能[39]或引入外部还原剂（如NaBH?）来获得更小的纳米颗粒[40]。相比之下，体外方法是在将MNPs掺入CS基质之前先制备它们，这种方法能更好地控制颗粒大小、形态和分散性等关键参数[41]。此外，体外方法因其可重复性和可扩展性，更适用于大规模或工业应用[42]。

因此，本着绿色化学的原则，本研究旨在开发一种环保的CS@AgNPs纳米复合材料合成方法，用于抗菌食品包装和异相催化应用。这种可持续方法利用天然植物提取物的还原和稳定性能，而非有害的还原剂。该策略依靠CS基质捕获和稳定AgNPs，防止其聚集并确保均匀分散。

为实现这些目标，我们采用简单的生物途径，利用迷迭香提取物作为天然还原剂和稳定剂制备了AgNPs，得到R-AgNPs。然后通过简单的溶液混合技术将这些纳米颗粒嵌入CS中，形成CS@R-AgNPs纳米复合材料。通过TGA、FTIR和TEM对所得薄膜材料进行了结构和热性能分析，以及AgNPs在聚合物基质中的分散情况评估。随后，对CS@R-AgNPs纳米复合材料进行了两项潜在应用的评估：i) 作为抗菌食品包装材料，评估其对革兰氏阴性细菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性细菌（金黄色葡萄球菌）的抗菌活性，这两种细菌常与食品污染相关；ii) 在水处理中，测试其在4-硝基苯胺（4-NA）还原反应中的异相催化性能，4-NA是一种常见的工业污染物。结果表明，CS@R-AgNPs纳米复合材料在这两种应用中均表现出优异的性能。

材料

壳聚糖粉末（分子量=310,000–375,000 Da，脱乙酰度>75%）购自Sigma Aldrich（美国）。硝酸银购自Fluka Chemika（法国）。BHI和BHI琼脂购自Fischer Chemical（法国），PBS购自Sigma Aldrich（法国）。所有化学品均按收到时的状态使用。

R-AgNPs的制备

绿色银纳米颗粒（R-AgNPs）是按照优化后的方案使用迷迭香叶提取物作为还原剂和稳定剂制备的[32]。简要来说，10 g...

R-AgNPs的合成与表征

用于制备CS@R-AgNPs薄膜的R-AgNPs是通过体外生物合成方法制备的。与原位方法相比，这种方法能更好地控制纳米颗粒的关键性能（如颗粒大小和分散性），并且更适合大规模生产[41],[42]。

在此过程中，R-AgNPs在80°C下使用迷迭香提取物作为天然还原剂和稳定剂制备15分钟（详见Nabgui的优化过程）

结论

在本研究中，使用迷迭香提取物作为还原剂和稳定剂制备了小尺寸的R-AgNPs。这些R-AgNPs与CS多糖通过简单的体外方法结合，形成了不同R-AgNPs负载量的CS@R-AgNPs纳米复合薄膜。使用FTIR、TGA和TEM等多种技术对CS@R-AgNPs进行了表征，并评估了其在食品包装和水处理中的潜在应用。

CRediT作者贡献声明

Loubna El Fedyl：撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析。Abderrahmane Nabgui：撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析。El Hassan Boutriouia：方法学设计、实验研究、数据分析。Khalid Agayr：实验研究。V. Baouab Mohamed Hassen：撰写——审稿与编辑、方法学设计、数据分析。Abdelmalik Brik：方法学设计、实验研究、数据整理。Pascal Thébault：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金申请。Hicham Ben

利益冲突声明

作者们声明没有利益冲突。所有合著者均审阅并同意手稿内容，且不存在财务利益关联。我们保证该论文为原创作品，未在其他出版物中接受审稿。

致谢

作者衷心感谢PRIMA计划（地中海地区研究与创新合作伙伴关系，项目BIOMEDPACK）和CNRST（摩洛哥国家科学技术中心）通过优先研究计划（PPR1/2015/73）提供的财政支持。本研究还得到了欧盟Erasmus+计划（萨格勒布大学流动项目，HRZAGREB01）的支持。