壳聚糖-植酸-金属离子乳化剂在长期稳定香芹酚乳液中的应用：从特性分析、稳定性研究到草莓保鲜效果

《Food Hydrocolloids》：Chitosan-phytic acid-metal ion emulsifier for long-term stable carvacrol emulsion: from characterization, stability to strawberry preservation

壳聚糖-肌醇酸-金属离子复合纳米粒子（CPA-Ag/Cu）作为新型低浓度抗菌剂，在手术刀消毒中达到99.8%灭菌率，显著优于乙醇和次氯酸钠；其乳液化后结合肉桂醛可制成多功能保鲜剂，使草莓保质期延长至5天，并抑制微生物生长。研究通过离子交联和多糖复合策略提升稳定性，实现绿色安全的医疗与食品防腐应用。

　　

李丽华|林颖|任莉|贝森巴耶娃·卡米拉|庄玉婷|吕欣|王莉

中国陕西省杨凌市西北农林科技大学食品科学与工程学院，邮编712100

摘要

壳聚糖胶体颗粒稳定的皮克林乳液在杀菌和食品保鲜方面显示出潜力，但受到低浓度胶体颗粒抗菌性能不足和乳液稳定性差的限制。为了解决这一问题，我们旨在开发一种新型低浓度抗菌乳化剂，以替代传统的杀菌剂和乳化剂。通过聚电解质络合和离子交联策略，壳聚糖、植酸（PA）和金属离子（Ag⁺、Cu²⁺和Zn²⁺）协同作用，制备出了抗菌乳化剂CPA-Ag、CPA-Cu和CPA-Zn。CPA-Ag和CPA-Cu表现出优异的抗菌性能，通过壳聚糖的粘附破坏细胞膜并释放金属离子来协同杀死细菌。在外科手术刀消毒实验中，CPA-Ag（400 μg/mL）的杀菌率达到99.8%，与3%过氧化氢（100%）相当，显著优于75%乙醇（89.3%）、CPA-Cu（85.5%）和400 ppm次氯酸钠（72.4%）。随后，CPA-Cu和CPA-Ag将香芹酚乳化成具有更强抗菌性能、优异抗氧化性能和储存稳定性的多功能皮克林乳液（CCE和CAE系列，储存时间长达1-3个月）。此外，将CPA-Cu、CPA-Ag及其乳液应用于草莓后，可在24小时内杀死并抑制微生物生长。特别是CPA-Cu（400 μg/mL）和乳液可将草莓的保质期从3天延长至5天，降低腐烂率并减缓总酚含量的变化。本研究为基于天然成分和非共价相互作用的绿色、安全、低浓度新型乳化剂和水果保鲜喷雾的开发提供了新的思路。

引言

有效控制医疗设备和食品表面病原微生物的污染对维护公共卫生至关重要（Haktaniyan & Bradley, 2022; Lei et al., 2025）。微生物可能在医疗设备表面繁殖，导致交叉感染并威胁患者健康（Y. Chen et al., 2025; Oh et al., 2023）；食品表面的微生物污染可能导致食品变质，甚至增加食源性疾病的风险，对公共卫生和食品安全构成严重挑战（Mather et al., 2024; Sharma et al., 2025; Yousefi et al., 2018）。然而，目前广泛使用的化学合成消毒剂（如含氯消毒剂和季铵盐）虽然有效，但存在化学残留、腐蚀性和对某些微生物的抗性等缺点（Ob??k et al., 2021; RUSSELL, 1990; Xi et al., 2024）。因此，迫切需要开发一种新型绿色、天然、环保且高效的消毒剂，以解决医疗设备和食品表面微生物生长的问题。

目前，许多研究集中在基于天然抗菌物质（如壳聚糖、多肽、多酚和精油）的杀菌剂上，用于治疗感染伤口、去除农药残留和食品表面杀菌（S. Chen et al., 2025; Huang et al., 2022; Ma et al., 2024; Qin et al., 2026; Wu et al., 2025）。壳聚糖作为一种广泛可获得的绿色天然正电荷多糖，具有优异的生物相容性、抗菌性能和水溶性（Balusamy et al., 2022; Luo & Wang, 2014; Rinaudo, 2006），已被广泛应用于新型抗菌材料（如创可贴、水果抗菌涂层和食品保鲜膜）的开发（Chen et al., 2018; Liu et al., 2020; Yan et al., 2024）。然而，传统涂层、薄膜和凝胶等需要高浓度的壳聚糖，成本高昂且难以像传统消毒剂那样大规模喷洒用于仪器和食品的杀菌。此外，由于壳聚糖分子链中含有大量氨基，通常需要溶解在酸性溶液中，无法溶解在中性水溶液中（Aljawish et al., 2014; Hu & Luo, 2016），这削弱了壳聚糖在中性和微碱性环境中的抗菌能力，极大地限制了其应用。

幸运的是，离子交联和聚电解质络合等策略可以促进壳聚糖形成纳米颗粒，这些纳米颗粒通常保留壳聚糖的原始正电荷和抗菌性能，并在中性水溶液中表现出良好的分散性（Ahmad et al., 2015; He et al., 2024; Jiang et al., 2024; Yang et al., 2017）。例如，通过壳聚糖与Cu²⁺螯合形成的纳米晶体可以吸附草甘膦和氯吡硫磷等化学残留物，将其水悬浮液喷洒在水果和蔬菜表面后，显著延长了其保鲜期（Ma et al., 2024）。添加金属离子可以促进交联物质的形成，并协调壳聚糖和金属离子的抗菌性能，从而提高抗菌效果。预期这种新型乳化剂将是安全、均匀、低浓度且高效的杀菌剂，可以替代现有的医疗消毒剂和水果保鲜喷雾。此外，壳聚糖具有氨基、羟基和乙酰基等多种活性基团，合成的纳米颗粒同时具有亲水性和疏水性，可用作制备乳液的皮克林乳化剂，通过嵌入不同的活性物质（如植物精油）来制备多功能喷雾，实现食品保鲜。

然而，仅通过离子交联形成的壳聚糖-金属离子螯合物稳定性较差。外部环境的变化（如pH值、盐浓度和温度）可能导致交联物质分解和金属离子突然释放，这不仅影响其长期的抗菌效果，而且大量金属离子的释放也会带来安全风险，限制了其在医疗和食品领域的应用。植酸作为一种天然、安全且易降解的有机酸，可以与带正电荷的壳聚糖络合，也是一种优秀的金属离子螯合剂（Chen & Arai, 2019; Li et al., 2016; Wang et al., 2024; Wen et al., 2024; Yang et al., 2024），有望作为壳聚糖和金属离子之间的桥梁，提高金属离子-壳聚糖交联产物的稳定性，形成更安全、更稳定的抗菌复合物。

基于此，本研究以壳聚糖为原料，天然绿色植酸为络合剂，具有优异抗菌性能的银离子、铜离子和锌离子为交联剂，通过聚电解质络合和离子交联制备了新的抗菌剂，用于医疗设备消毒和食品杀菌。此外，利用天然安全的香芹酚作为抗氧化剂，并利用纳米颗粒的乳化效应，制备了抗菌和抗氧化的皮克林乳液，作为一种新型保鲜喷雾。通过表征研究了壳聚糖、植酸和金属离子的络合机制，并对三种抗菌剂的抗菌性能进行了全面比较。最终制备了银离子和铜离子交联产物（CPA-Ag和CPA-Cu）制成的喷雾和乳液，作为外科手术刀消毒和草莓保鲜的主要研究对象。

材料

壳聚糖（脱乙酰度90%，分子量200 kDa，批次C15151298）和尼罗红（纯度≥99%）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。植酸（PA）、香芹酚、2,2-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）铵盐（ABTS）、过氧化氢和1,1-二苯基-2-吡啶基肼（DPPH）购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。醋酸锌、醋酸铜、硝酸银、钾

纳米颗粒杀菌剂的制备与表征

以壳聚糖为主要成分，其质子化的氨基首先通过静电作用与植酸（PA）的磷酸基团结合。随后，植酸作为桥梁与金属离子（Ag⁺、Cu²⁺和Zn²⁺络合，通过反溶剂沉淀法制备出三种多功能纳米颗粒CPA-Ag、CPA-Cu和CPA-Zn。如图1A和图S1所示，制备的CPA-Ag、CPA-Cu和CPA-Zn呈现出均匀且不规则的纳米颗粒形态

结论

本研究合成了壳聚糖-植酸-金属离子纳米颗粒（CPA-Ag和CPA-Cu），作为新型杀菌剂，用于医疗设备消毒和水果保鲜，利用壳聚糖的分子间氢键、壳聚糖-植酸的聚电解质络合以及与金属离子的动态交联。同时，CPA-Ag和CPA-Cu还被用于制备香芹酚皮克林乳液（CAE和CCE），作为另一种水果保鲜剂。通过表征结果

CRediT作者贡献声明

李丽华：撰写——原始稿件、方法学、数据分析、概念构思。林颖：撰写——审稿与编辑、数据分析。王莉：撰写——审稿与编辑、监督、资金申请。任莉：撰写——审稿与编辑。贝森巴耶娃·卡米拉：撰写——审稿与编辑。庄玉婷：撰写——审稿与编辑。吕欣：撰写——审稿与编辑、资金申请

未引用参考文献

Chen et al., 2025; Prior et al., 2005; Zhang et al., 2021.

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突。

数据获取

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了人才培养计划（A279021724）、陕西省重点研发计划项目——关键产业创新链项目（2024NC-ZDCYL-03-10）、陕西省科技创新团队项目（2024RS-CXTD-75）以及中央政府指导地方科技和发展资金（2024ZY-JCYJ-02-45）的支持。