咖啡酸修饰壳聚糖固定纳米银体系的构建及其在草莓保鲜中的应用

《Materials Today Nano》：Construction of caffeic acid-modified chitosan immobilized nanosilver system and its application in strawberry preservation

　　

肖叶霞|郭旭新|王炳阳|赵永东|王慧芳|高向华|牛宝龙|李文峰

太原理工大学材料科学与工程学院，中国太原030024

摘要

大量银纳米粒子的释放对环境和生物体构成了累积性毒性威胁。在这项研究中，我们首次利用咖啡酸修饰壳聚糖（CCS）中的儿茶酚基团的强螯合作用，通过绿色合成方法实现了银纳米粒子（AgNPs@CCS）的固定和还原。这种方法能够控制银离子（Ag⁺的释放，并提高AgNPs@CCS的生物相容性：72小时后，Ag⁺的释放量仅为0.298±0.004 μg/mL。在1024 μg/mL浓度下，溶血率低于5%；而在250 μg/mL浓度下，细胞存活率超过80%。此外，为了探讨AgNPs@CCS在水果保鲜中的应用，我们将其作为抗菌填料掺入CCS和聚乙烯醇基质中，制备出具有优异抗菌和保鲜性能的复合薄膜。结果表明，添加AgNPs@CCS显著提升了复合薄膜的机械性能、抗氧化能力和阻隔性能。APCCS-2复合薄膜对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制率超过97%，有效抑制细菌生长长达60小时。最后，APCCS复合薄膜将4°C储存的草莓的保质期延长至9天。所有APCCS复合薄膜在第28天的重量损失率均超过19%，表明它们具有优异的降解性能。这是一种非常有前景的保鲜包装材料。

引言

目前市场上大多数食品包装都由耐热、耐腐蚀且价格低廉的石油基塑料制成[1]。然而，由于这些塑料难以降解，大规模使用会导致严重的环境污染和生态问题[2]。因此，开发和探索抗菌及可生物降解的包装材料是未来食品包装的主要方向[3]。

壳聚糖（CS）作为一种生物基功能性材料，因其优异的生物相容性、强大的抗菌活性和良好的生物降解性而受到广泛关注。这些优势使其成为替代传统塑料包装材料的有希望的候选材料[4]。然而，其实际应用受到一些固有缺点的限制，包括水溶性差、抗菌活性较弱以及制成薄膜时的机械性能不佳。这些限制阻碍了壳聚糖在先进包装系统中的广泛应用[5]。咖啡酸（CA）是一种常见的酚类化合物，广泛存在于咖啡、谷物、水果和蔬菜中，具有抗氧化、抗菌和抗病毒作用[6]。将咖啡酸接枝到壳聚糖上不仅破坏了壳聚糖的晶体结构，提高了其水溶性，还赋予其优异的还原能力，进一步拓展了其在食品包装领域的应用潜力。

聚乙烯醇（PVA）是一种水溶性聚合物材料，在食品包装中得到广泛应用，这归功于其出色的气体阻隔性能、优异的机械强度和高透明度[7]。PVA分子链中的大量羟基可以与壳聚糖中的羟基和氨基形成氢键，使两种材料具有高度相容性[8]。尽管用PVA改性壳聚糖显著提高了复合薄膜的机械性能和阻隔性能，但其抗菌活性仍不足以满足食品保鲜的要求。因此，研究人员开始关注无机纳米粒子以进一步增强这些材料的性能[9]。其中，银纳米粒子（AgNPs）因具有广谱、高效且无抗性的抗菌特性而在日常生活中得到广泛应用[10]。然而，传统的AgNPs在生产过程中容易聚集并产生有毒物质，对环境和人类健康构成严重风险。采用绿色合成方法可以有效解决这一问题。例如，陈等人[11]使用山药黏液提取物合成了平均粒径为16.02 ± 7.39 nm的AgNPs；孙等人[12]从药用植物三七中分离出一种内生真菌，该真菌能将银离子还原为金属银纳米粒子，其粒径范围为2.92至31.34 nm。然而，AgNPs在抗菌过程中的不可控释放行为无法满足食品包装材料对持续抗菌性能的要求。此外，其大量释放会对环境和生物体造成累积性毒性威胁，严重限制了AgNPs在食品领域的应用[13]。目前，低毒性的AgNPs的研发仍面临很大挑战。

本研究旨在开发一种超低毒性和长效抗菌的AgNPs，用于草莓的采后保鲜。为此，我们创新性地使用咖啡酸修饰壳聚糖（CCS）作为AgNPs的还原剂和分散剂。CA分子中的酚基团与共轭的丙烯酸侧链协同作用，增强了电子离域效应，不仅加速了Ag⁺的还原，还精确调控了反应动力学，生成了粒径小且分布均匀的AgNPs。此外，CCS独特的三维网络结构不仅促进了AgNPs的原位合成，还起到了天然屏障作用，防止了颗粒聚集。该系统通过调控Ag⁺的释放，维持了持久的抗菌效果，同时显著提高了生物相容性。

节选内容

材料

壳聚糖（CS，分子量=30,000）、咖啡酸（CA，C₉H₈O₄）、蒙脱石（MMT，Al₂O₉Si₃）、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC，C₈H₁₈ClN₃）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS，C₄H₅NO₃）均购自上海麦克莱恩化学试剂公司。硝酸银（AgNO₃购自天津丰川化学试剂公司。聚乙烯醇（PVA，(C₂H₄O)_X，醇溶性：99.0-99.4%）购自上海阿拉丁生物科技有限公司。E. coli（ATCC）

CCS的表征与性能测试

CCS的合成机理如图1(a)所示。CA中的-COOH基团与EDC反应生成高活性且易水解的O-酰脲中间体，随后加入NHS对其进行亲核攻击，生成更稳定的CA-NHS酯。最后，CA-NHS酯与CS中的-NH₂基团发生酰胺化反应，生成酰基CCS[16]。制备的CCS的接枝度为150.59 ± 5.63 mg·g^-1，水溶性为27.63 ± 1.54 mg·mL^-1。

结论

我们成功合成了一种具有优异抗菌性能和极高生物安全性的AgNPs。这一突破为解决传统AgNPs的一系列问题提供了新方法，包括其易聚集、快速释放和强毒性等问题。当将其作为抗菌填料掺入可生物降解的PVA和基于CCS的保鲜薄膜中时，该材料能有效防止食品受到病原体的污染。

CRediT作者贡献声明

肖叶霞：概念设计、方法论、软件开发、初稿撰写、审稿与编辑。郭旭新：软件开发、方法论、实验研究、数据分析。王炳阳：软件开发、方法论、实验研究、数据分析。赵永东：软件开发、方法论、实验研究、数据分析。王慧芳：数据可视化、结果验证、实验监督与资源协调。高向华：方法论、撰写、审稿与编辑。牛宝龙：

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

本工作得到了山西省自然科学基金（编号：202203021221093、202403021211161）、中国山西省奖学金委员会（编号：2024-055）以及刘伟斋食品研究所（编号：213020310-J）的支持。