综述：食品系统中的协同驱动材料：包装、输送和安全性监测方面的进展

《Coordination Chemistry Reviews》：Coordination-driven materials in food systems: advances in packaging, delivery, and safety monitoring

配位驱动材料（CDMs）通过金属-配体相互作用设计多功能食品系统，涵盖智能包装、营养递送、污染物检测与解毒。其结构-功能关系由配位模式、金属种类及配体配位密度决定，可调控抗氧化、抗菌及响应特性。研究提出需解决规模化生产、毒性评估及标准化挑战，为食品科技提供化学设计框架。

　　

肖雪佳|沈慧静|李晓安|李宏飞|黄慧|马佩华|王琴|周双|李毅

中国农业科学院食品科学技术研究所，北京100193，中国

摘要

配位化学为食品系统中功能性材料的合理设计提供了强大的分子框架。基于明确的金属-配体相互作用，配位驱动材料（CDMs）能够精确控制材料的结构、稳定性、反应性和响应性，从而将无机化学原理转化为食品保存、输送、安全监测和解毒的实际解决方案。本综述从化学角度出发，结合应用实例，总结了CDMs在食品科学领域的最新进展，涵盖了离散配位复合物、配位聚合物、金属-有机框架和动态超分子组装体。重点讨论了配位基元、金属种类、配体齿数以及键动态如何控制关键功能性质，包括抗氧化和抗菌活性、可控释放行为、选择性吸附以及在复杂食品基质中的刺激响应传感。通过结构-功能关系的视角，系统探讨了这些材料在智能包装、营养和生物活性输送、污染物检测、食品解毒以及直接食品接触界面中的应用。通过将多种材料平台统一在配位键这一共同的化学逻辑下，本综述揭示了在应用导向研究中常常被忽视的设计原则。总体而言，该工作强调了配位化学作为推动多功能和可靠食品材料发展的基础学科的重要性，并为无机化学与食品科学和技术的结合提供了连贯的框架。

引言

配位化学是现代化学科学的基石，其核心在于通过中心金属离子与周围配体的相互作用形成复杂结构。这一学科的正式建立归功于阿尔弗雷德·维尔纳（Alfred Werner）在19世纪末的工作，他通过引入一级和二级价态的概念解决了配位化合物的模糊性。这一概念框架为他赢得了1913年的诺贝尔化学奖，并自此发展成为一个庞大而动态的领域[1]。从早期对离散复合物的研究开始，配位化学扩展到扩展架构的设计，包括一维、二维和三维框架。这一进展催生了配位聚合物（CPs）和金属-有机框架（MOFs），后者以其结晶性、孔隙率和模块化可调性而著称。MOFs的发展在20世纪80年代开始受到重视，理查德·罗布森（Richard Robson）及其同事率先系统设计了结晶配位网络。该领域在20世纪90年代末和21世纪初经历了指数级增长，奥马尔·M·亚吉（Omar M. Yaghi）和北川纯（Susumu Kitagawa）的贡献推动了这一进程，他们创造了高孔隙率、高表面积的框架，适用于气体储存、分离和催化。2025年的诺贝尔化学奖授予了这一领域的先驱者，进一步证实了配位驱动设计在现代材料科学中的变革性作用[2]。如今，配位化学的应用范围已超越催化和储能，扩展到包括食品科学在内的多个领域（图1）。

在过去十年中，由于具有多功能性和设计灵活性，配位驱动材料（CDMs）在食品相关应用中展现出巨大潜力。这些材料基于动态而稳定的金属-配体配位键，能够精确控制结构、孔隙率、表面积和化学功能。通过精心选择金属离子（如Zn²⁺、Fe³⁺、Ca²⁺）和配体（如羧酸盐、多酚），CDMs在主动包装、营养输送和食品安全监测等领域取得了突破。在主动包装领域，陈和唐（Chen and Tang）[3]通过用Fe³⁺-单宁酸-多酚网络（MPN）增强壳聚糖纳米晶体，开发出了多功能生物质薄膜。这种配位结构赋予薄膜优异的机械强度、抗氧化活性和抗菌性能。此外，该材料还实现了对食品新鲜度的智能视觉监测以及在近红外光（NIR）照射下的可控光热杀菌，展示了配位化学在主动和智能包装应用中的多功能潜力。在生物活性输送系统中，李等人[4]报道了含有环糊精-金属-有机框架（CD-MOFs）和环糊精纳米海绵的复合水凝胶，用于增强姜黄素的传输。CD-MOFs通过金属-配体配位形成，提高了药物装载效率和结构完整性，而纳米海绵则促进了持续释放和皮肤渗透。这一复合系统显著增强了姜黄素的稳定性和生物利用度，突显了配位架构在优化生物活性输送方面的有效性。在食品安全监测方面，基于Tb-TBAPy MOF的电化学免疫检测方法已被开发用于敏感且选择性地检测黄曲霉素B₁，从而能够准确评估复杂食品基质中的污染情况[5]。在食品包装技术中，配位化学被直接应用于食品接触涂层。最近的一项研究展示了加载了姜黄素的Fe-DNA配位纳米网络的形成，作为草莓的食用涂层[6]。该系统有效减少了水分损失，保持了营养价值，抑制了微生物生长，并延长了保质期，同时提高了抗氧化活性，体现了配位导向设计的多功能性。

这些例子共同凸显了配位化学在食品系统中的广泛性和深度。从2015年到2025年，该领域迅速发展，表明通过合理设计金属-配体架构可以解决食品保存、安全和健康促进方面的关键挑战。然而，尽管相关研究不断增多，但目前仍缺乏一个全面且基于化学原理的综述来综合这些进展。现有的综述文章往往局限于特定材料类别（如MOFs或CPs），或针对个别应用领域，忽视了所有CDMs所共同遵循的化学逻辑——配位键本身。无论是在离散复合物还是扩展框架中，金属-配体相互作用都直接决定了材料的物理化学行为、稳定性和安全性。如果不将讨论建立在这一基本配位化学基础上，就难以确定哪些材料最适合特定的食品应用。

本综述旨在填补这一空白，提供以化学为中心、面向应用的CDMs在食品科学中的系统概述。通过配位化学的视角，本文根据CDMs的配位架构和化学成分对其进行分类，并探讨了这些基础特征如何影响其在包装、营养输送、安全检测、污染物吸附和直接接触食品材料等关键应用领域的功能表现。这一框架有助于更清晰地理解结构-功能关系，并指导针对特定食品应用的配位材料的合理选择。除了评估应用潜力外，综述还识别并评估了适用于食品行业的材料标准。我们进一步指出了当前面临的挑战，如潜在毒性、放大限制和监管障碍，并提出了未来的研究方向，包括整合人工智能进行预测性材料设计和安全评估。通过这一全面且基于化学原理的综述，我们旨在为推进食品系统中的CDMs提供路径，并支持开发安全、可持续和多功能的技术，以适应下一代食品创新。

小节摘录

配位基元：结合模式和拓扑多样性

配位基元由配体与金属中心的结合方式定义，是配位驱动材料结构和功能的主要决定因素。配体齿数、供体原子种类以及由此产生的配位几何结构共同决定了材料的稳定性、反应性和结构有序性的传播[1]。在食品系统中，这些参数尤为重要，因为配位环境会遇到pH值波动、离子强度变化和氧化还原活性等因素。

在食品包装系统中的应用

现代食品包装越来越多地整合CDMs，以创建多功能材料。通过利用可编程的金属-配体相互作用，这些材料为提高包装功能和适应性提供了灵活的化学平台[46]、[47]。因此，配位化学在从传统被动包装向主动和智能系统的转变中发挥了关键作用。一些代表性的研究展示了这些发展

在输送系统中的应用

配位化学为设计能够调节活性化合物吸收、稳定性和释放的输送系统提供了多种策略。通过可调的配位相互作用，金属离子和配体可以组装成提供封装、保护和可控释放生物活性分子的结构。表2总结了支持这些进展的一些代表性研究。

在食品污染物检测中的应用

将配位化学融入分析科学，产生了一系列用于选择性检测食品污染物的强大材料。金属-配体配位环境的可调性质使得能够设计出能够检测多种有害物质（如重金属、农药和药物）的系统，具有出色的灵敏度和选择性。

食品解毒和环境修复

配位化学为食品供应链中的靶向解毒和环境修复提供了新兴平台。通过形成稳定、选择性和可重复使用的金属-配体组装体，CDMs能够有效去除多种化学危害物，包括霉菌毒素、重金属和农药残留。

可食用涂层和表面处理

CDMs已成为直接食品接触应用的有希望的平台，特别是作为可食用涂层，可以控制食品表面的水分损失、氧化降解和微生物繁殖。这些功能源于金属离子（如Fe³⁺、Zn²⁺）与酚类配体或聚合物供体的超分子组装，形成在储存条件下稳定的可逆配位网络，具有抗氧化、抗菌或屏障作用

挑战与未来展望

配位化学在食品系统中的应用正在从基础探索快速转向应用导向的创新。金属-配体组装体在提供靶向功能（如污染物隔离、抗菌活性、抗氧化保护 and 智能响应）方面的独特能力使其成为下一代食品材料的理想候选者。然而，这些优势的实际实现仍受到一些限制

结论

本综述从化学角度审视了食品系统中的CDMs，强调了金属-配体相互作用作为分子结构与宏观功能之间基本联系的作用。在包装、输送、传感、解毒和直接食品接触等应用中，配位化学提供了一个统一的框架，使材料性能超越了经验公式化的解释。

一个核心结论是，在食品环境中，功能结果

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

本工作得到了农业科学技术创新计划（CAAS-ASTIP-2026-IFST）的支持。