《Food Packaging and Shelf Life》：Development of green chitosan/gelatin coating reinforced with photothermal ZnO nanoparticles for light-responsive antibacterial packaging application
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ZnO纳米粒子光热转化触发壳聚糖/明胶复合材料中PHMG释放，显著抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，延长蓝莓保鲜期29.1%，解决小尺寸ZnO纳米毒性问题。
刘嘉欣|魏世一|陈天宇|王新宁|李玉英|李伟|翁云轩|赵晓英
中国四川省泸州市西南医科大学附属医院呼吸与重症医学系、炎症与过敏性疾病研究单元
摘要
开发具有抗菌特性的水果包装材料具有重要意义。氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）被广泛用于增强基于壳聚糖的包装材料的抗菌性能。ZnO NPs的粒径范围为5至100纳米，具有很强的抗菌活性，但同时也可能对人类健康构成潜在风险。为了解决这一问题，本研究采用了一种新方法，利用较大尺寸的ZnO NPs（>100纳米）的光热特性来开发一种光响应型抗菌涂层。合成了具有纺锤形态和光热活性的ZnO NPs（5 wt%），并将其掺入壳聚糖/明胶（1:1）混合物中，作为光-热转换器。当暴露在光下时，这些ZnO NPs会引发局部温度升高10.3–14.2°C。这种温度升高促进了聚合物链的运动，触发了涂层中的可逆热转变，从而释放出封装的抗菌剂聚六亚甲基胍（PHMG）。在光照条件下，PHMG的释放速率提高了多达386%。该涂层的抗菌效果在对抗大肠杆菌（E. coli）时达到了97.3%，在对抗金黄色葡萄球菌（S. aureus）时达到了99.4%。此外，用这种涂层包装的蓝莓在光照下的微生物生长受到抑制，重量损失也有所减少。这种方法为传统依赖小尺寸ZnO NPs（<100纳米）产生的活性氧（ROS）介导的抗菌作用提供了一种新的替代方案，从而减轻了潜在的纳米毒性问题，同时实现了按需的抗菌效果，特别适合用于食品包装。
引言
抗菌包装可以有效抑制水果中的微生物污染（Firouz等人，2021年；Prasad和Kochhar，2014年；Sung等人，2013年；Yildirim等人，2018年）。由于可再生性、生物降解性和生物相容性，基于生物材料和/或可生物降解的聚合物在抗菌包装的开发中越来越受到重视（Flórez等人，2022年；Moeini等人，2021年）。在这些材料中，壳聚糖是继纤维素之后世界上第二丰富的多糖（Kumar等人，2020年；Priyadarshi和Rhim，2020年）。壳聚糖具有抗菌性、成膜性，并且可溶于稀有机酸（Bakshi等人，2020年）。这些特性使其特别适合用于开发抗菌包装材料（Flórez等人，2022年；Alqarni等人，2023年；Fan等人，2023年；Haghighi等人，2019年；Jridi等人，2014年；Kumar等人，2018年；Lin等人，2020年；Xu等人，2021年；Yadav等人，2020年）。尽管具有这些优势，壳聚糖在包装应用中仍面临挑战。首先，壳聚糖质地坚硬且易碎（Chen等人，2018年）。其包装应用受到低韧性（约1 MPa）、低拉伸伸长率（约5%）和高弹性模量（约7600 MPa）的限制（Miles等人，2016年；Rodríguez-Nú?ez等人，2014年）。通过将其与明胶等柔性聚合物混合，可以改善壳聚糖的性能。明胶是一种可再生的可生物降解的多肽，由α-、β-和γ-链组成（Ramos等人，2016年；Roy & Rhim，2020年）。当pH值高于明胶的等电点（pl = 4.5–5.2）或低于6.2–6.5时，壳聚糖和明胶分别带正电和负电，两者可以相互作用形成聚电解质复合物（Wang等人，2021年）。壳聚糖/明胶复合膜具有良好的相容性、高透明度以及比单独使用时更强的机械、热性能和阻隔性能（Chen等人，2021年；Haghighi等人，2019年；Wang等人，2021年）。
另一个挑战是需要提高壳聚糖的抗菌性能以适应主动包装应用。壳聚糖含有带正电的氨基（Farasati Far等人，2024年），这些氨基可以与革兰氏阴性菌上的阴离子脂多糖或革兰氏阳性菌上的磷壁酸相互作用，导致细胞膜去极化并引起细胞死亡（Farasati Far等人，2024年；Li & Zhuang，2020年）。然而，氨基仅提供相对较弱的正电荷中心（Li & Zhuang，2020年；Yilmaz Atay，2019年）。此外，壳聚糖在其pKa值（pH = 6.5）以上溶解度较差（Qu等人，2023年；Vallapa等人，2011年；Wang等人，2020年），这限制了其在自然环境中的抗菌作用（Qu等人，2023年；Vallapa等人，2011年；Wang等人，2020年）。Haldorai等人发现，在37°C下，壳聚糖膜在24小时后仅能灭活7%的大肠杆菌（Haldorai & Shim，2013年）。其他研究也得到了类似的结果（Al-Naamani等人，2017年；Jayakumar等人，2023年）。在某些条件下，壳聚糖甚至可能促进细菌生长（Sun等人，2022年）。为了增强其抗菌活性，研究人员将金属或金属氧化物纳米颗粒掺入壳聚糖中（Sun等人，2022年；Vallapa等人，2011年）。
氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）是用于增强壳聚糖抗菌性能的最常用的金属氧化物之一。在ZnO NPs的带隙能量以上的紫外光照射下，它们通过光催化水分解产生活性氧（ROS），从而表现出抗菌活性（Joe等人，2017年）。通常，ZnO NPs的抗菌活性随粒径增大而增强（da Silva等人，2019年）。Silva等人报告称，小尺寸的ZnO NPs（≤ 6.8纳米）具有杀菌活性，而较大尺寸的ZnO NPs（≥21.2纳米）则表现出抑菌效果（da Silva等人，2019年）。Raghupathi等人还观察到，当粒径从12纳米增加到25纳米和88纳米时，ZnO NPs的抗菌活性分别降低了约35%和55%（Raghupathi等人，2011年）。他们还发现，大于100纳米的ZnO NPs在6 mM剂量下对金黄色葡萄球菌的生长没有显著抑制作用（Raghupathi等人，2011年）。虽然小尺寸的ZnO NPs（5–100纳米）具有更强的抗菌活性，但它们可能通过穿越空气-血液屏障并转移到系统组织中而对健康构成风险（Cary & Stapleton，2023年；De Matteis，2017年；Konduru等人，2014年；Liu等人，2016年）。
有趣的是，具有适当形态和尺寸的ZnO NPs表现出局部表面等离子体共振（LSPR）（Cui等人，2023年；Gong等人，2020年）。这一特性使它们能够捕获光并将其转化为热能（Cui等人，2023年；Gong等人，2020年）。这一独特性质使得它们与其他半导体（如金纳米颗粒（Au NPs）一起被用作癌症治疗和光热疗法中的光热剂（Basuki等人，2017年；Cui等人，2023年；Gong等人，2020年；Kim等人，2018年；Pallavicini等人，2021年；Vimala等人，2017年）。Vilama等人开发了一种使用氧化锌纳米片（ZnO NS）进行乳腺癌治疗的化学光热疗法系统（Vimala等人，2017年）。ZnO NS被叶酸功能化的聚乙二醇（FA-PEG-ZnO NS）包覆，并装载了药物多柔比星。在近红外（NIR）照射下，FA-PEG-ZnO NS溶液的温度在2分钟内超过了50°C。这种加热效果取决于ZnO NS的浓度和激光功率强度，比碳纳米管更有效。同样，Basuki等人开发了一种基于金纳米颗粒（Au NPs）光热特性的光触发药物释放系统（Basuki等人，2017年）。当暴露在可见光下时，掺入琼脂糖水凝胶中的Au NPs会引起局部温度升高，使水凝胶软化并触发预先装载的贝伐单抗的释放。通过改变Au NP的浓度、琼脂糖的浓度和光照参数，可以调节释放曲线。释放的贝伐单抗的生物活性得到了很好的保留。这些研究表明，像ZnO NPs和Au NPs这样的纳米颗粒在光照下可以产生局部热量，软化聚合物基质并触发封装活性物质的释放。这种策略利用了大尺寸（>100纳米）ZnO NPs的光热特性，为减轻小尺寸ZnO NPs相关的不良健康影响提供了潜在的解决方案。
因此，在本研究中，我们假设具有适当形态的ZnO NPs可以在壳聚糖/明胶基质中充当光-热转换器，诱导封装抗菌剂的释放。具体来说，壳聚糖/明胶基质中的ZnO NPs在光照下可以产生局部温度升高。由于壳聚糖和明胶的玻璃化转变温度相对较低（约40°C），它们对热敏感，会发生可逆的软化。这种软化会触发封装抗菌剂的释放。本研究中使用的抗菌剂是聚六亚甲基胍（PHMG），这是一种广谱、经批准的食物消毒剂（Wang等人，2020年），因为它具有良好的生物相容性、低成本和无毒性和（Zhang等人，2021年）。壳聚糖和明胶上的氨基可以与PHMG上的胍基团相互作用形成氢键（Chen等人，2021年），有助于PHMG在涂层基质中的保留。
本研究在两个方面具有创新性。首先，尽管ZnO NPs的光热功能在生物医学应用中已被广泛研究（Basuki等人，2017年；Cui等人，2023年；Gong等人，2020年；Kim等人，2018年；Pallavicini等人，2021年；Vimala等人，2017年），但其在食品包装中的应用却鲜有关注。其次，大多数先前的研究集中在ZnO NPs的ROS介导的抗菌功能上，其抗菌效果高度依赖于粒径。小尺寸的ZnO NPs具有更好的微生物抑制效果，但健康风险也更大。相比之下，本研究利用大尺寸ZnO NPs（> 100纳米）的光热特性，开发了一种具有光触发抗菌活性的食品包装。
本研究的目标是：（i）合成并表征具有光热活性的ZnO NPs（>100纳米）；（ii）通过将ZnO NPs和抗菌剂聚六亚甲基胍（PHMG）整合到壳聚糖/明胶基质中，制备一种光响应型涂层；（iii）通过研究光热诱导的温度升高、随后的聚合物基质可逆软化以及PHMG的加速释放曲线，阐明光触发机制；（iv）定量评估该涂层对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抗菌效果；（v）通过评估其在光照下延长蓝莓保质期的能力，展示该涂层的实际应用潜力。
总体而言，这项工作旨在提供一种新的策略，用于开发安全有效的光响应型主动包装，同时减轻与小尺寸ZnO NPs相关的健康风险。它通过将光热转换器与低玻璃化转变温度（Tg）的壳聚糖/明胶基质结合，实现了由光触发的可控抗菌活性，这是一种新颖、安全且高效的主动食品保存方法。
材料
壳聚糖（具体规格见表1）购自上海豫源生物技术有限公司（中国上海），明胶（分子量=10,000–70,000 Da，牛源，B型，勃洛强度约250 g Bloom）购自北京MREDA科技有限公司（中国北京），聚六亚甲基胍盐酸盐（PHMG）、氯化锌和乙酸购自天津富成化学试剂有限公司（中国天津），碳酸钠购自天津富城化学试剂有限公司（中国天津），超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）购自...
合成的ZnO NPs具有光热特性
首先，使用微波辅助的水热法合成了ZnO NPs。由于ZnO NPs的形态对合成温度非常敏感（Polsongkram等人，2008年），因此研究了反应温度（60–90oC）对ZnO NPs形态和光热特性的影响。微波辅助的水热合成方法与传统方法相比，效率高、成本低且节能（Sharma等人，2011年）。微波可以加速反应速率...
结论
环境响应型抗菌食品包装是提高食品质量和安全性的有效方法。在本研究中，我们提出了一种基于壳聚糖/明胶复合材料的新光响应型抗菌涂层，该涂层采用了一种成本低廉、简单且工业上可行的方法制备。我们开发了一种新策略，利用大尺寸ZnO NPs（> 100纳米）的光热效应来触发和增强涂层的抗菌活性。
大尺寸的ZnO NPs...
CRediT作者贡献声明
李玉英：撰写——审稿与编辑、资源获取。李伟：撰写——审稿与编辑、资源获取。翁云轩：撰写——审稿与编辑、资源获取。赵晓英：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源获取、项目管理、调查、资金获取、概念构思。魏世一：撰写——审稿与编辑、方法学、数据管理。陈天宇：调查、数据分析。
资助
本研究得到了北京市自然科学基金（编号L255013）、天府峨眉计划基金会（编号CW202204）、四川省自然科学基金（编号2023NSFSC0527）、泸州市政府与西南医科大学的科技合作项目（编号2024LZXNYDJ003）、湖南省自然科学基金（编号2025JJ60589）、湖南省教育厅重点项目（编号24A0289）等机构的支持。
声明利益冲突
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
