《Food Control》：Water-soluble monostearin-derived carbon dots with enhanced antibacterial capacity for food preservations
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通过碳化单油酸制备具有强抗菌活性的水溶性单油酸衍生物碳点（MCDs），其最小抑菌浓度达0.01 mg/mL（大肠杆菌）和0.08 mg/mL（金黄色葡萄球菌）。MCDs通过破坏细胞结构及干扰代谢抑制微生物。将MCDs与 alginate 涂层结合应用于草莓和猪肉保鲜，显著降低失重率和腐烂率（草莓从37.4%降至26.7%，猪肉从16.4%降至11.8%；腐烂率从83.3%降至33.4%）。该策略为开发新型食品防腐剂提供创新路径。
孙静波|陈柳顺豪|李洪臣|刘晓波|林玲|孟雷|陈团辉|文倩|徐东|任家利
中国中南林业科技大学食品科学与工程学院，木质油资源利用国家重点实验室，长沙，410004
摘要
有效控制食品变质仍然是确保食品安全和品质的关键挑战。在本研究中，我们验证了这样一个假设：将单硬脂精（一种安全但抗菌能力较弱的乳化剂）碳化后，可以生成具有增强抗菌性能的单硬脂精衍生物碳点（MCDs），这些碳点适合作为食品保鲜的涂层成分。尽管水热合成的MCDs仅由碳（C）、氧（O）和氢（H）组成，但它们对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）表现出强烈的抗菌活性，最低抑菌浓度分别仅为0.01 mg/mL和0.08 mg/mL。机制研究表明，MCDs破坏了这两种细菌的细胞结构并干扰了其代谢过程。RT-qPCR分析显示，大肠杆菌中的基因表达既有上调也有下调，而金黄色葡萄球菌中的基因表达仅出现下调。在实际应用中，我们将MCDs分散在藻酸盐溶液中作为涂层，成功延长了草莓和肉类的保质期。储存8天后，MCDs-藻酸盐涂层使草莓的绝对重量损失从37.4%降至26.7%，猪肉的绝对重量损失从16.4%降至11.8%，同时将腐烂率分别从83.3%降至33.4%和66.3%降至37.6%。这些改进有效保持了草莓和猪肉的关键感官特性，包括颜色、气味、质地和整体可接受度。本研究为将非防腐食品添加剂工程化为抗菌剂提供了策略，为开发下一代食品防腐剂开辟了新途径。
引言
在加工、运输和销售过程中，微生物引起的食品变质对食品安全、品质和保质期构成了重大挑战，尤其是对于新鲜水果、蔬菜和肉类产品（Du等人，2024a；Malahlela等人，2024；Veiga等人，2024）。根据联合国粮食及农业组织的数据，全球近三分之一的食品被损失或浪费，其中微生物变质是主要原因（Patel等人，2024；Todd & Faour-Klingbeil，2024）。为了解决这些问题，人们提出了许多物理和化学防腐方法（Conz等人，2024；Du等人，2024b；Wang等人，2024；Zhang等人，2025），包括冷藏、辐照和使用化学防腐剂。然而，这些方法存在诸多问题。例如，冷藏和冷冻只能提供短期抑制作用，无法杀死所有微生物（?al??kan Ko?等人，2025；Sani等人，2025；Zhu等人，2024）；辐照需要公众接受，并且需要特定且昂贵的设备，同时受到严格监管（Li等人，2025；Zhang等人，2025）；许多国家的食品安全机构逐渐限制或禁止在新鲜农产品中使用合成防腐剂（Ramudingana等人，2025；Shi等人，2024）。2023年，美国食品药品监督管理局（US FDA）撤销了脱氢乙酸钠在大多数食品类别中的使用许可，包括烘焙食品和乳制品（21 CFR §172.130）。
可食用涂层作为一种有效的可持续替代方案，可用于对抗食品变质（Karnwal等人，2025；Kumar等人，2025），它们可作为物理屏障，防止氧气、水分和微生物污染（Cui等人，2024；Li等人，2024）。在多糖、蛋白质、脂质和壳聚糖等多种涂层材料中，源自褐藻的藻酸盐因具有优异的成膜能力、生物相容性、气体阻隔性能、优异的机械强度和安全性而在食品保鲜领域受到越来越多的关注（Botalo等人，2024；James等人，2024；Kalita等人，2025）。当藻酸盐与钙等二价阳离子交联时，会形成强而透明的水凝胶，可通过浸涂、喷涂和刷涂等方式应用于食品保鲜（Al-Ibresam等人，2025；Wang等人，2025）。此外，水凝胶结构使涂层具有出色的保湿性能，能有效锁住水分，防止食品脱水（Liu等人，2025；Yu等人，2024）。尽管具有这些优点，藻酸盐涂层本身缺乏抗菌活性，因此需要加入活性成分才能实现抗菌效果（Kaynakci等人，2025；Wardejn等人，2024；Zhang等人，2024）。
碳点（CDs）是一种零维的碳基荧光纳米材料，已成为有前景的抗菌替代品（Shen等人，2025；Sturabotti等人，2024；Wang等人，2024）。值得注意的是，一些碳点（如叶酸衍生物、铜掺杂碳点和季铵化碳点）通过多种机制表现出强抗菌活性，包括细菌表面吸附、结构破坏和活性氧（ROS）生成（Longobardo等人，2025；Romulo等人，2025；Yu等人，2024）。特别是，碳点甚至可以通过绕过外排泵和破坏生物膜等机制来对抗多重耐药（MDR）病原体（Chen等人，2024；He F.等人，2024；Xia等人，2025）。然而，碳点在食品保鲜领域的应用仍处于起步阶段。现有研究表明，碳点能够增强包装屏障、抑制微生物生长并实现实时新鲜度监测（Riahi等人，2025；Zhu等人，2025）。尽管取得了这些进展，但具有强抗菌能力的碳点仍十分有限，亟需开发新的碳点（Gou等人，2024；Wang等人，2025；Ying等人，2024）。
在本研究中，我们假设单硬脂精的碳化可以生成具有增强抗菌性能的水溶性单硬脂精衍生物碳点（MCDs），并且这些碳点可以作为藻酸盐涂层中的活性生物相容成分，用于保鲜草莓和新鲜猪肉（图1）。选择单硬脂精作为前体是因为其成本低廉且安全（Wang等人，2020），同时它具有生成抗菌衍生物的潜力。通过水热法将难溶于水的单硬脂精（pubchem CID：24699）转化为水溶性MCDs，这些MCDs表现出优异的生物相容性。我们使用紫外-可见光谱（UV-Vis spectroscopy）、荧光光谱（fluorescence spectroscopy）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）对MCDs进行了表征。尽管MCDs仅由碳、氧和氢组成，但它们对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）表现出显著的抗菌活性，最低抑菌浓度（MICs）很低。通过扫描电子显微镜（SEM）和逆转录定量实时聚合酶链反应（RT-qPCR）进一步揭示了其抗菌机制。在实际食品保鲜应用中，我们将草莓和猪肉用MCDs-藻酸盐溶液进行涂层处理，有效保持了品质并延长了保质期。本研究的新颖性体现在两个方面：（i）首次通过水热法将防腐潜力有限的单硬脂精转化为抗菌MCDs；（ii）将MCDs整合到藻酸盐涂层中，为新鲜农产品和肉类的保鲜提供了可扩展且实用的解决方案。总体而言，这项工作为开发下一代食品防腐剂提供了一种新颖且可持续的方法。
实验试剂
刘伯兰-伯塔尼（Luria-Bertani）肉汤琼脂、麦康凯（MacConkey）琼脂、氯化钙和氯化钠由上海阿拉丁生化科技有限公司（上海，中国）提供。单硬脂精（甘油单硬脂酸酯，99%，食品级）购自河南君益生物科技有限公司（郑州，中国）。氯霉素（CPL）、藻酸钠、无菌生理盐水（0.9%）、2-(2-甲氧基-4-硝基苯基)-3-(4-硝基苯基)-5-(2,4-苯二磺酸)-2H-四唑单钠盐（CCK-8）、磷酸盐缓冲盐水由其他供应商提供。
MCDs的表征
在本研究中，我们通过水热法将难溶于水的单硬脂精（室温下的溶解度为0.1 mg/mL）转化为MCDs。所得MCDs的溶解度显著提高，达到500 mg/mL（在该浓度下，溶液保持稳定且无沉淀生成）。图1A显示了MCDs水溶液的紫外-可见光谱，其中在267 nm处有一个明显的吸收峰，表明MCDs中的C=C键发生了π-π*跃迁（Fang等人，
结论
本研究通过水热法成功合成了高水溶性的MCDs，这些MCDs具有强抗菌性能，并被用于草莓和猪肉的保鲜。尽管MCDs的组成简单（仅含碳、氧和氢），但它们对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）表现出强烈的抗菌活性，最低抑菌浓度分别为0.01 mg/mL和0.08 mg/mL。MCDs不仅破坏了这两种细菌的细胞结构，还干扰了它们的代谢过程。
作者贡献声明
孟雷：方法学研究。
刘晓波：方法学研究。
文倩：撰写、审稿与编辑、验证。
徐东：撰写、审稿与编辑、初稿撰写。
陈团辉：软件支持。
任家利：软件支持。
陈柳顺豪：资金筹集。
孙静波：撰写、审稿与编辑、初稿撰写。
林玲：撰写、审稿与编辑、监督。
李洪臣：实验研究。
未引用参考文献
Du等人，2024；Hua等人，2023；Sun等人，2025；Wang等人，2024；Wang等人，2025；Yu等人，2024；Zhang等人，2025；Zhang等人，2025；Zhang等人，2024；Zheng等人，2023。
利益冲突声明
本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意发表该手稿。
致谢
本研究得到了木质油资源利用国家重点实验室的自主研究项目、中南林业科技大学（项目编号No SKL-CSUFT202520）、湖南省科学技术创新计划（2024JK2158, 2024JK2159）、国家自然科学基金（21505162）、湖南省粮食-油脂加工与质量控制2011协同创新项目以及湖南省自然科学基金的支持。
