《Food Packaging and Shelf Life》：Engineering a high-performance, sustainable food packaging film: Zinc-doped carbon dots reinforced konjac glucomannan nanocomposite
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生物基包装膜开发：研究将锌掺杂碳点（Zn-CDs）、季铵化壳聚糖（QCS）和鞣酸（TA）复合加入konjac葡聚糖（KGM）基膜中，通过氢键和配位键增强界面结合，显著提升薄膜的机械性能（拉伸强度69.73MPa，断裂伸长率15.88%，拉伸模量19.79GPa）、抗菌性（杀菌率99%）和阻水阻氧性能（阻水37g·m/(m2·h·Pa)，阻氧12.29g·m/(m2·h·Pa)），同时增强自由基清除能力（90%）。经plum保鲜实验验证，保鲜期达9天，且薄膜在水、生理盐水及土壤中降解加速，兼具环保与高效保鲜特性。
吴丽军|李家成|张茵|张明|韩晓丽|梁天|刘健|张庆发|王璐|郑磊
安徽工业大学食品与生物工程学院，中国合肥230009
摘要
开发具有优异机械性能、保鲜性能和降解性能的生物基食品包装膜是食品包装领域的一项迫切需求。本研究通过将掺锌碳点（Zn-CDs）、季铵化壳聚糖（QCS）和单宁酸（TA）引入魔芋葡甘露聚糖（KGM）中，制备了一种多功能食品包装膜，以应对这一挑战。KGM-QCS-TA-ZnCDs薄膜（KQTZF）表现出优异的机械性能：拉伸强度为69.73 MPa，断裂伸长率为15.88%，拉伸模量为19.79 GPa，这得益于氢键和配位键作用带来的更好界面结合。对李子的保鲜实验表明，其保鲜期为9天，显示出优异的保鲜效果，这归因于Zn-CDs、QCS和TA的协同作用，使KQTZF具有99%的杀菌率、37 g·m/(m2·h·Pa的阻水性能、12.29 g·m/(m2·h·Pa的氧气分子渗透率以及90%的自由基清除率。此外，Zn-CDs、QCS和TA的协同作用还加速了KQTZF在水、PBS和土壤中的降解速率，体现了其良好的环境友好性和可持续性。本研究同时改善了食品包装膜的机械性能、生物降解性和保鲜性能，为多功能水果保鲜包装材料的发展提供了新的思路。
引言
传统食品包装膜因其优异的延展性、低生产成本和便利性而在水果保鲜领域得到广泛应用。然而，食品包装膜会释放有害物质并转移到食品中，从而对人类健康构成威胁（Xie等人，2023年）。同样，传统食品包装膜不可降解造成的环境污染也不容忽视（Wang等人，2023年）。用生物基食品包装膜替代传统包装膜日益成为食品包装行业的焦点，因为生物基材料具有可降解性、安全性和环境友好性（Chirilli & Torri，2023年）。研究表明，蛋黄衍生的碳点@白蛋白生物纳米复合材料具有优异的柔韧性、抗菌性、抗氧化性和紫外线阻隔性能，可作为多功能保鲜涂层有效保持荔枝的品质（Su等人，2023年）。作为典型的生物基食品包装膜之一，基于天然多糖的薄膜因其优异的可持续性和保鲜性能而受到关注。其中，魔芋葡甘露聚糖（KGM）由β-1,4-糖苷键连接的D-甘露糖和D-葡萄糖组成，是一种水溶性天然多糖（Du等人，2024年）。KGM因其优异的成膜性和保水性在食品和医药等行业得到广泛应用。然而，纯KGM的机械性能、阻隔性能和抗菌性能较差，难以满足食品包装应用中的基本要求（Romulo等人，2025年）。壳聚糖（CS）是一种具有良好成膜性和生物相容性的天然多糖，但由于其分子内氢键和空间结构限制，功能较为单一，通常需要化学改性（Huang等人，2023年）。研究发现，含有季铵化壳聚糖（QCS）的淀粉基薄膜具有优异的机械性能和抗菌性能，对肉类保鲜效果良好（Deng等人，2024年）。然而，QCS在复合体系中的抗氧化能力不足，难以有效抑制食品储存过程中由自由基反应引起的品质下降。单宁酸（TA）作为一种天然多酚化合物，因其富含酚羟基而具有优异的自由基清除能力和抗氧化活性。研究表明，在KGM体系中添加QCS和TA可以获得具有平衡抗氧化活性、抗菌性能和机械强度的三元复合涂层，有效延长水果的保质期（Deng等人，2024年）。尽管上述对KGM的改性可以解决其功能单一的问题，但其长期抗菌和动态抗氧化性能仍存在局限性。
碳点（CDs）由于具有优异的抗菌潜力、水溶性和良好的生物相容性（得益于其纳米效应），在药物输送、生物成像、环境等领域具有巨大的应用潜力（Fan等人，2022年）。
研究发现，将CDs引入明胶/壳聚糖基质中制备的复合膜具有优异的抗菌、抗氧化和紫外线防护性能，可显著减少鱼肉在储存过程中的营养损失（Fu等人，2022年）。金属离子掺杂可以显著改善碳点的整体性能（Li等人，2022年）。锌是一种重要的工业材料，因其良好的安全性和强抗菌性能，常用于合成稳定且多功能的CDs（Deng等人，2024年）。研究表明，Zn-CQDs/绿原酸复合防腐剂可以显著减少龙眼储存过程中的霉斑、果肉内皮变褐和质量指标的下降（Du & He，2024年）。这一结果表明，锌和CDs的结合在食品包装材料中具有优异的抗菌性能和广阔的应用前景。
总之，本研究提出通过掺锌碳点制备KGM食品包装膜。首先对食品包装膜的微观结构、机械性能、疏水性和生物降解性进行了表征，然后通过自由基清除试验和平板计数法评估了其抗菌和抗氧化性能，最后通过保鲜实验评估了其对李子的保鲜效果。本研究为新型可降解食品包装材料的发展提供了理论基础和技术支持，对推动食品包装膜的产业化应用具有重要意义。
材料
来自安徽省安庆市的玉米秸秆被研磨成粉末并过75-μm筛网。醋酸锌（C?H?O?Zn，纯度约99%，分子量183.48 Da）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。KGM（纯度≥95%）购自上海艳恩化学科技有限公司。季铵化壳聚糖铵盐（QCS，BR）、单宁酸（TA，分子量1701.2 Da）、磷酸盐缓冲盐水（PBS）和2,2-二苯基-1-吡啶肼（DPPH，纯度约96%，分子量394.32 Da）也用于实验。
碳点的表征
CDs和Zn-CDs的微观结构如图1B所示。可以看出，CDs和Zn-CDs以球形颗粒形式分散，具有清晰的晶格结构（Ren等人，2025年），证实了它们的纳米级特性。CDs和Zn-CDs的FTIR光谱如图1C所示。CDs在1415 cm?1、1644 cm?1和3308 cm?1处的特征吸收峰分别对应于C-H变形振动、C-N拉伸振动和-OH伸缩振动（Hu等人）。
结论
本研究提出采用溶液浇铸法制备基于KGM的食品包装膜，并系统研究了Zn-CDs、QCS和TA对食品包装膜的机械性能、保鲜性能和降解性能的影响。结果表明，通过配位键和氢键作用，食品包装膜的界面结合得到改善，使其结构更加均匀致密。
作者贡献声明
王璐：撰写——审稿与编辑、资源协调、项目管理、方法论设计、资金筹集、数据分析、概念构建。张庆发：撰写——审稿与编辑、资源协调、项目管理、方法论设计、资金筹集、数据分析、概念构建。郑磊：监督工作、资源协调。梁天：数据验证、实验研究、数据分析、数据管理。韩晓丽：数据验证、实验研究、数据分析、数据管理。刘健：监督工作、资源协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了安徽省自然科学基金（2408085MC072、2308085QC89）、国家自然科学基金（32301722）、高等学校自然科学研究项目（2023AH051022）以及安徽省科学技术协会青年人才促进项目（RCTJ202424）和安徽省高等学校自然科学研究项目（2025AHGXZK40168）的财政支持。
