《Future Foods》：Exploring the Potential of Deep Eutectic Solvents (DESs) for Food-Compatible Eutectogel Development: Physicochemical, Antimicrobial, and Antifreeze Properties
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本研究为解决传统包装材料功能单一、难以同时满足食品保鲜、抗菌及低温保护等需求的问题，研究人员系统评估了多种天然低共熔溶剂（DESs）开发食品相容性共熔凝胶的潜力。他们研究了DESs的pH、粘度、抗氧化、抗菌及抗冻等理化性质，并基于此筛选出氯化胆碱:甘油（ChCl:Gly）体系作为制备共熔凝胶的优选方案，为开发新型多功能食品包装材料提供了重要依据。
在食品科学与保鲜领域，开发兼具多种功能且安全环保的新型材料一直是一项重要挑战。传统的保鲜方法往往功能单一，例如抗菌涂层可能不具备抗氧化或抗冻能力，而低温保护剂则可能缺乏抑制微生物生长的效果。理想的食物接触材料，尤其是在包装、涂层和冷链保护等非食用部件中的应用，需要将低挥发性、生物相容性和低成本等优点与功能性（如抗菌、抗氧化和抗冻）结合起来。低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）及其形成的共熔凝胶（Eutectogels）为此提供了崭新思路。DESs由氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）通过氢键作用形成，具有成分天然、可生物降解、合成简便等优点。然而，尽管DESs在能源、生物医药等领域展现了潜力，但对其在食品工业，特别是开发食品相容性共熔凝胶的系统性评估尚显不足。为此，来自伊朗伊斯法罕理工大学的Mohsen Ebrahimi Hemmati Kaykha等人开展了一项研究，旨在全面评估一系列DESs的理化、抗菌、抗氧化及抗冻特性，以筛选出最适合用于食品接触应用的DESs，从而推动下一代功能性食品包装材料的发展。该研究已发表于《Future Foods》。
为了系统评估DESs的潜力，研究人员采用了多种关键技术方法。研究制备了22种不同成分和摩尔比的DESs。对它们进行了全面的理化性质表征，包括使用pH计和石蕊试纸测定表观pH，使用旋转粘度计测量粘度，以及通过DPPH自由基清除法评估抗氧化活性。抗菌性能通过琼脂圆盘扩散法、琼脂孔扩散法以及肉汤微量稀释法测定最小抑菌浓度（MIC）和最小杀菌浓度（MBC）进行评估。抗冻性能则通过将DESs涂抹于铝板并在-18°C、-30°C和-65°C下观察其冻结时间来定性评价。此外，研究还利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）对筛选出的关键DESs（ChCl:Gly）进行了化学结构和热性质分析。
3.1. 低共熔溶剂的理化性质
3.1.1. 表观pH
DESs的pH值范围在1到10之间，其中含尿素的DESs pH最高，而含有机酸（如乳酸、乙酸）的DESs酸性最强。研究表明，DESs的酸碱性主要由其组分（HBD和HBA）的酸碱常数决定。考虑到大多数食品的pH范围（3.5-7.0），pH值极低（如1-3）的DESs可能不适合直接用于食品加工。因此，氯化胆碱:甘油（ChCl:Gly，pH 5.5）、氯化胆碱:D(-)-果糖:水（ChCl:DF:W）以及薄荷醇:癸酸（M:DA，pH 4.0）等体系被认为是用于食品接触共熔凝胶的有前景候选者。
3.1.2. 粘度测量
DESs的粘度受温度、HBD化学性质、烷基链长度、摩尔比和含水量等因素影响。氯化胆碱:D(+)-葡萄糖（ChCl:DG）溶液的粘度最高（9012 cP），这归因于其组分间强烈的氢键相互作用。当以薄荷醇（M）作为HBA时，所得溶剂的粘度普遍低于以氯化胆碱（ChCl）或乳酸（LA）为HBA的体系。在相同HBA下，乳酸（LA）作为HBD会显著增加粘度，而乙酸（AA）则会降低粘度，这反映了羟基取代基在形成氢键和增加粘度方面的关键作用。
3.1.3. 低共熔溶剂的抗氧化性能
通过DPPH自由基清除实验评估抗氧化活性。乳酸:D(+)-葡萄糖（LA:DG5:1）混合物显示出最高的抗氧化活性（85%）。含有薄荷醇的DESs也表现出显著的抗氧化特性，这与薄荷醇作为单萜类化合物的性质相符。然而，在所有测试的摩尔比下，氯化胆碱:甘油（ChCl:Gly）和氯化胆碱:尿素（ChCl:U）DESs均未显示DPPH自由基清除活性。
3.1.4. 低共熔溶剂抗冻性能的评估
通过在-18°C、-30°C和-65°C下观察DESs的冻结行为来评估其抗冻性能。结果显示，ChCl:Gly（所有比例）、ChCl:CA（所有比例）、M:LA1:2和LA:DG5:1在所有测试温度下均未冻结，表现出优异的抗冻性能。这主要归因于这些DESs中的组分（如甘油的多个羟基、柠檬酸的羧基）能与水分子形成强大的氢键网络，扰乱冰晶的有序结构，从而抑制冻结。DSC结果进一步证实了ChCl:Gly DESs具有极低的共熔点，支持其作为高效抗冻剂的潜力。
3.1.5. 低共熔溶剂的傅里叶变换红外光谱分析
对筛选出的ChCl:Gly DESs（摩尔比1:1，1:2，1:3）进行了FTIR分析。光谱显示，在DESs形成后，甘油中O-H键的伸缩振动峰（3369 cm-1）强度增加，并且CH2基团的振动模式发生了位移。这些变化证实了ChCl和Gly分子之间通过羟基形成了氢键相互作用，这是DESs形成和稳定的关键机制。
3.1.6. 熔点和玻璃化转变温度
DSC热流曲线分析表明，纯甘油和纯氯化胆碱在形成ChCl:Gly DESs后，其各自的特征热转变峰消失，出现了新的、依赖于组成的吸热事件。这为共熔混合物的形成提供了强有力的证据。DSC数据也证实了ChCl:Gly DESs在低至-85°C时也未发生结晶，这与抗冻实验的结果一致，凸显了其作为抗冻材料的有效性。
3.2. 抗菌活性
3.2.1. 琼脂圆盘扩散和琼脂孔扩散法
通过琼脂圆盘扩散法（DDA）和琼脂孔扩散法（WDA）评估了DESs对四种致病菌（金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌）的抑制效果。在两种方法中，薄荷醇:乳酸（M:LA1:2）对所有测试菌株均显示出最大的抑菌圈（IZ），对蜡样芽孢杆菌的效果最为显著。总体而言，含有有机酸（AA， LA， DA）的DESs对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌）的抑制效果优于含有柠檬酸、尿素、醇类和糖类的DESs。对于革兰氏阴性菌（大肠杆菌、鼠伤寒沙门菌），含有AA和LA的DESs抑制效果最强。研究发现，DESs的抗菌活性不仅与低pH值导致的膜损伤和蛋白质变性有关，还与其特定的组成、分子结构和形成的超分子相互作用密切相关。
3.2.2. 低共熔溶剂的最小抑菌浓度和最小杀菌浓度
通过肉汤微量稀释法测定了DESs的MIC和MBC。结果表明，金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌（革兰氏阳性菌）是最敏感的菌株，而鼠伤寒沙门菌和大肠杆菌（革兰氏阴性菌）抵抗力更强。含有乳酸（LA）的DESs在所有测试浓度下都能完全抑制微生物生长，以至于无法测定其MIC和MBC值。含有有机酸的DESs通常对革兰氏阳性菌表现出比革兰氏阴性菌更强的抑制活性，且其MBC值通常是MIC值的2-16倍。研究再次强调了低pH在DESs毒性中的核心作用，但细胞脱水等机制也可能贡献于其抗菌效果。
研究的结论部分明确总结了DESs作为开发食品接触用共熔凝胶材料的巨大潜力。通过调整DESs的组分和摩尔比，可以精确调控其理化性质（如pH、粘度）、功能特性（抗菌、抗氧化、抗冻）以适配不同的应用需求。其中，含有有机酸（如乙酸、乳酸）的DESs展现出强大的抗菌和抗氧化能力；而基于甘油的DESs（如ChCl:Gly）则在极低温度下表现出卓越的抗冻性能，且其pH值（约5.5）更接近食品的常见pH范围，因此被推荐为制备食品应用共熔凝胶的最有前途的体系。
这项研究的意义在于，它系统地填补了关于DESs在食品工业应用潜力评估方面的知识空白，为设计下一代多功能、可持续的食品包装、表面涂层和冷链保护材料提供了科学依据和具体的配方指导。通过利用天然、可生物降解的组分构建DESs，该研究推动了向更安全、更环保的食品保鲜解决方案迈进。然而，研究也指出，未来工作仍需关注DESs的长期安全性、与不同食品基质的兼容性，以及在实际加工条件下的稳定性，以确保其能够成功转化为商业化产品并满足相关法规要求。
