《LWT》：An integrated experimental and deep learning modeling approach to harness plant-derived antimicrobials for biodegradable food packaging films
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为解决微生物污染对食品安全的严重威胁，研究人员开发了一种创新的抗菌包装策略，通过将植物提取物掺入PLA、PBAT和PVA等生物降解聚合物基质中，制备生物可降解抗菌膜，并利用基于Transformer的深度学习模型高效筛选关键抗菌成分。研究证实了该薄膜对牛肉显著的保鲜效果和良好的土壤可降解性，为人工智能辅助开发绿色可持续的植物基抗菌包装材料提供了有效策略。
在食品从生产到餐桌的漫长旅程中，微生物污染始终是一个如影随形的“隐形杀手”，严重威胁公众健康并造成巨大的经济损失。尽管传统的热加工等方法能在生产环节有效杀灭病原体，但在储存、运输和销售过程中，食品极易受到二次污染。传统的包装材料主要提供物理阻隔，缺乏主动抑菌功能，而含有合成抗菌剂的包装又可能引发安全性和环境问题。因此，开发一种绿色、安全且能主动抑制微生物生长的包装材料，成为食品科学领域亟待突破的瓶颈。
与此同时，大自然蕴藏着丰富的抗菌宝库——植物提取物。从丁香、五味子到石榴皮、黄芩和乌梅，许多植物都含有能对抗常见细菌的天然化合物。然而，将这些天然产物转化为实用的包装材料面临两大挑战：一是植物提取物化学成分极其复杂，一个提取物可能包含成百上千种化合物，传统方法难以精准锁定其中真正起抗菌作用的“功臣”；二是如何将这些活性成分稳定、均匀地整合到可降解的塑料薄膜中，并确保其长期有效。
为了破解这些难题，一项发表在《LWT》杂志上的研究另辟蹊径，将湿实验与人工智能（AI）深度结合，为我们展示了一条高效开发植物源抗菌包装膜的新路径。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用溶液浇铸法，将筛选出的植物提取物与聚乳酸（PLA）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）或聚乙烯醇（PVA）等生物可降解聚合物共混，制备复合薄膜。其次，通过抑菌圈实验，系统评估了13种植物不同溶剂（水、二氯甲烷及其组合）提取物对四种常见食源性病原体（包括金黄色葡萄球菌（S. aureus）、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、单核细胞增生李斯特菌（L. monocytogenes）和大肠杆菌（E. coli））的抗菌活性。接着，研究利用基于Transformer架构的深度学习工具包（Molactivity），构建模型对植物提取物中的化合物进行抗菌活性预测与筛选。此外，还通过扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜形貌，通过土壤埋藏实验评估薄膜的生物降解性，并以牛肉为模型食品，通过监测pH值和菌落生长情况来验证薄膜的实际保鲜效果。
抗菌活性各显神通：五种植物提取物脱颖而出
研究团队对13种植物的水提物和有机溶剂提取物进行了全面的抑菌测试。结果表明，Syzygium aromaticum（丁香）、Schisandra chinensis（五味子）、Punica granatumpeel（石榴皮）、Scutellaria baicalensis（黄芩）和Prunus mume（乌梅）这五种植物的提取物表现最为突出，对上述四种致病菌均显示出明显的抑制效果，抑菌圈直径最大可达约20毫米。高效液相色谱（HPLC）分析进一步揭示，经过多次水提取后再用二氯甲烷获得的提取物（DW系列），其化学成分与水提物（W系列）有显著差异，前者主要包含水溶性较差的成分。SA and DWSA.">
AI助力“大海捞针”：深度学习精准锁定抗菌化合物
面对植物提取物复杂的化学组成，研究团队训练了基于Transformer的深度学习模型。该模型以0.99为概率阈值，成功从Prunus mume（乌梅）和Scutellaria baicalensis（黄芩）的已知化合物数据库中，分别预测出175个和152个潜在的抗菌化合物。深入分析发现，乌梅中的抗菌物质以羧酸类有机酸为主，而黄芩中的抗菌化合物则100%含有酚类亚结构，且多数含有多苯环。这揭示了两者截然不同的抗菌化学物质基础与潜在作用途径。Prunus mume and Scutellaria baicalensis...">
“塑”造抗菌屏障：均匀分散的复合薄膜
研究采用溶液浇铸法，将抗菌效果显著的DW系列提取物分别与PLA-PBAT或PVA共混，成功制备了多种抗菌薄膜。扫描电镜（SEM）观察显示，植物提取物在薄膜基质中分散均匀，表明提取物与聚合物基质（PLA、PBAT、PVA）之间具有良好的相容性，这是实现薄膜均一性和功能稳定性的关键。0-V, (b) FPG-V, (c) FSA-V, (d) F0, (e) FPG, and (f) FSA...">
薄膜抗菌机制探秘：各有千秋
抗菌测试表明，不同植物提取物制备的薄膜其抗菌效力存在差异。其中，含有黄芩提取物（DWSB）的薄膜表现出相对较强的抑菌效果。机理探究发现，丁香和石榴皮薄膜主要通过破坏细菌细胞膜完整性来发挥抗菌作用，而黄芩薄膜则可能通过诱导细菌细胞内活性氧（ROS）过度积累，导致氧化应激来抑制细菌生长。这与其预测的活性成分结构差异相呼应。
绿色归宿：薄膜的可降解性验证
经过长达180天的土壤埋藏实验，所制备的PLA-PBAT基薄膜出现了边缘碎裂和明显的质量损失，而传统的聚乙烯（PE）薄膜则几乎无变化。这证实了所开发薄膜具备生物可降解的潜力，尽管完全降解需要更长的时间。
实战检验：牛肉保鲜见真章
在牛肉保鲜实验中，PLA-PBAT基抗菌薄膜（如FPG和FSA）在冷藏条件下能有效抑制牛肉表面的细菌生长，延长保鲜期。相比之下，PVA基薄膜虽也有抑菌效果，但其水溶性提取物可能导致颜色迁移到食品上。因此，研究认为以水不溶性成分为主的PLA-PBAT基抗菌薄膜更适合包装高水分食品。
该研究的结论与讨论部分强调了其整合实验与人工智能方法的创新性。通过系统筛选，明确了五种具有广谱抗菌活性的植物资源。更重要的是，深度学习模型的引入，实现了从复杂植物化学成分中高效、精准地识别抗菌化合物，揭示了乌梅（以有机酸为主）和黄芩（以多酚类为主）不同的抗菌物质基础和作用通路，为理解植物提取物的协同抗菌效应提供了化学依据。在应用层面，研究成功制备了植物提取物均匀分散的生物可降解抗菌薄膜，并证实其对食品（牛肉）具有实际的保鲜效果和良好的环境可降解性。这项工作的重要意义在于，它提供了一套从天然资源筛选、活性成分智能鉴定到功能性包装材料制备的完整策略，极大地加速了绿色抗菌包装材料的研发进程。同时，利用植物提取物中多种化合物的协同作用，有望降低细菌产生耐药性的风险。尽管研究在化学数据来源和薄膜脱色方面存在局限，但它为人工智能驱动设计可持续、高性能的食品包装材料开辟了新的道路，标志着食品包装领域向更智能、更环保的方向迈出了关键一步。
