《Food Packaging and Shelf Life》：Development of charge- and composition-engineered carbon dots @ polylactic acid nanofibrous film for enhanced active packaging of blackberries
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碳点改性聚乳酸薄膜的活性包装性能研究。通过电纺将N/S共掺杂碳点（CDs-3）等三种工程化碳点纳入PLA基体，显著提升薄膜机械柔韧性（>70%延伸率增长）和超亲水性，同时表现出77.9%-96.9%的ABTS/DPPH自由基清除率和高效抗菌性。黑莓保鲜测试显示PLA/CDs-3薄膜使货架期延长一倍，且所有薄膜在15天内实现96.8%-100%生物降解率。
董路芳| 丁斌| 崇实| 王一成| 黄正金| 刘连飞| 吴亚琼| 曹福良| 李伟林
中国林业大学林学与草学院南方可持续林业协同创新中心，森林食品资源开发与利用国家重点实验室，南京 210037，中国
摘要
本研究通过静电纺丝技术，将具有电荷和成分特性的碳点（CDs）掺入聚乳酸（PLA）中，开发出了多功能活性包装材料。通过水热法合成了三种类型的碳点：N-掺杂阴离子碳点（CDs-1）、N-掺杂阳离子碳点（CDs-2）和N,S共掺杂阴离子碳点（CDs-3）。对这些复合薄膜的物理化学性质、机械性能、热性能和功能特性进行了全面表征，并评估了其生物相容性、生物降解性和实际食品保鲜效果。结果表明，这些复合薄膜的机械柔韧性显著提高（断裂伸长率增加了70%以上），同时具有超亲水性。此外，它们还表现出较强的抗氧化（ABTS清除率77.9–96.9%和DPPH清除率69.7–79.1%）和抗菌活性。其中PLA/CDs-3薄膜的抗菌效果最佳，在实际的黑莓保鲜测试中，该薄膜使水果在25°C下的保质期延长了一倍。所有薄膜均具有高度的生物相容性，并且在土壤中15天内实现了96.8–100%的重量损失，表现出优异的生物降解性。这项工作凸显了工程化碳点在设计高性能、可持续活性食品包装方面的巨大潜力。
引言
新鲜水果和蔬菜富含营养成分，但由于收获后储存和运输过程中的微生物感染及恶劣外部条件，它们极易变质（Kocira等人，2021年）。在这种背景下，先进的食品包装系统不仅作为被动屏障发挥作用，更是作为能够显著延长保质期和保持食品质量的活性功能组件（Tavassoli等人，2024年）。虽然基于石油的塑料占据了市场主导地位，但其环境持久性要求我们转向结合生物降解性和抗菌、抗氧化等功能的可持续活性包装解决方案（Ghasemlou等人，2020年；Tavassoli等人，2025年）。
在可降解聚合物中，聚乳酸（PLA）是一种来自可再生资源的重要候选材料，具有良好的生物相容性和加工性能（Tampau等人，2020年）。然而，对于要求苛刻的活性食品包装应用而言，纯PLA薄膜存在固有的局限性，如脆性和有限的屏障/活性功能（Jamróz等人，Kulawik等人，2019年）。一种常见的策略是制造含有功能性涂层或纳米填料的复合或多层结构（Mao等人，2025年）。特别是，加入碳点（CDs）等纳米级添加剂已被证明可以有效同时提升PLA的多种性能，包括降解速率、热稳定性和机械性能（Chen等人，2025年）。尽管取得了这些进展，但关于不同表面电荷掺杂碳点在PLA基体中影响的系统比较研究仍然不足，尤其是在针对黑莓等易腐水果的活性包装应用方面。
碳点最近成为这一领域极具前景的纳米添加剂。作为一种碳基纳米材料，它们具备与活性包装高度相关的独特性能组合：易于合成、低毒性、内在的抗氧化/抗菌活性以及可调的表面化学性质（Shaik等人，2020年；Zhao等人，2022年）。初步研究表明，将碳点掺入生物聚合物基体（包括基于PLA的系统）中，可以成功赋予抗氧化和抗菌功能，从而改善食品保鲜效果（Chen等人，2025年；Mao等人，2025年）。然而，仍存在一个关键问题：大多数研究将碳点视为通用添加剂，而对工程化碳点结构（尤其是其表面电荷和元素掺杂特性）如何精确影响其与聚合物基体的相互作用以及最终包装性能的系统研究尚未充分展开。这些知识对于下一代活性包装的合理设计至关重要。特别是，关于不同电荷掺杂碳点在PLA基体中的效果比较研究仍然不足，尤其是在黑莓等易腐水果的保鲜应用方面（Dong等人，2025年）。
为填补这一空白，本研究采用了结构-性能设计策略。我们合成了三种具有不同电荷和掺杂特性的碳点（N-掺杂阴离子碳点CDs-1、N-掺杂阳离子碳点CDs-2和N,S共掺杂阴离子碳点CDs-3），并通过静电纺丝技术将其掺入PLA基体中。系统研究了这些工程化碳点特性对复合薄膜的物理化学性质、机械性能、抗氧化性能和抗菌性能的影响。最后，通过实际的黑莓保鲜测试验证了掺杂碳点薄膜的有效性，将材料设计与食品储存中的功能性能直接联系起来。
材料与试剂
聚乳酸（PLA，分子量：100 kDa）由Nature Works有限公司（美国）提供。o-苯二胺（o-PD）购自Macklin生化有限公司（上海，中国）。3,4-二氨基苯磺酸（3,4-DBSA）购自Aladdin有限公司（上海，中国）。醋酸、乙醇、六氟异丙醇（HFPI）和二甲基亚砜（DMSO）购自Sinopharm化学试剂有限公司（武汉，中国）。所用化学品均为分析级，所有试剂均未经进一步处理。
碳点的表征
对合成的碳点的形态和结构特性进行了系统表征。透射电子显微镜（TEM）图像（图1A）显示，所有三种碳点均为近似球形且分散均匀的纳米颗粒。相应的粒径分布分析（图1B）证实了它们的单分散性，CDs-1的平均直径为4.93 ± 1.44 nm，CDs-2为3.08 ± 1.02 nm，CDs-3为1.96 ± 0.73 nm，均处于碳点的典型尺寸范围（<10 nm）内。
结论
在本研究中，我们制备了三种具有不同表面电荷和元素掺杂特性的功能性碳点（N-掺杂碳点CDs-1、N-掺杂碳点CDs-2和N,S共掺杂碳点CDs-3），并通过静电纺丝技术成功将其掺入PLA基体中。这些碳点显著增强了PLA薄膜的拉伸强度，并显著提高了其断裂伸长率（超过70%），使其具有优异的柔韧性。同时，薄膜还表现出超亲水性。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了江苏省农业科技创新基金（CX(24)1018）和瑞华公益基金会的财政支持。
利益冲突声明
不存在需要声明的利益冲突。
