pH响应型壳聚糖基薄膜负载ZIF-8@二氢杨梅素纳米粒子用于增强葡萄保鲜

《LWT》：pH-Responsive Chitosan-based Films Incorporated with ZIF-8@ Dihydromyricetin Nanoparticles for Enhanced Grape Preservation

　　

开发具有持续抗菌和抗氧化功能的活性包装对于延长高易腐水果的货架期至关重要。在本研究中，研究人员通过将负载二氢杨梅素（Dihydromyricetin, DMY）的ZIF-8（Zeolitic imidazolate framework-8）纳米粒子掺入壳聚糖（Chitosan, CS）基质中，开发了一种新型复合薄膜。扫描电子显微镜（SEM）证实，在最佳负载量（2.5–15 wt%）下，ZIF-8@DMY与壳聚糖基质之间具有良好的相容性。重要的是，ZIF-8@DMY的掺入显著增强了复合薄膜的机械性能，使其拉伸强度增加了约4.8倍（从1.77 MPa增加到8.50 MPa）。同时，关键物理性能，包括水蒸气透过率、亲水性和紫外-可见光透过率也得到了改善。复合薄膜表现出智能的pH响应型DMY释放特性。此外，ZIF-8@DMY/CS薄膜对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）表现出强大的体外抗菌活性，其中5% ZIF-8@DMY/CS薄膜使大肠杆菌数量减少了5.38 log CFU/mL。在葡萄保鲜测试中，5% ZIF-8@DMY/CS薄膜在10天的冷藏期内有效减轻了重量损失，并保持了更高的总可溶性固形物（Total soluble solids, TSS）和抗坏血酸（Vitamin C, VC）含量。这些发现突显了ZIF-8@DMY/CS复合薄膜是一种有前途的智能活性包装材料，可用于保持新鲜农产品的采后品质。

研究背景、问题与动机

高水分含量、质地娇嫩的新鲜水果，特别是巨峰葡萄，在采后极易发生品质劣变，造成巨大的经济损失和食品浪费。每年约有20%的水果蔬菜因腐败而损失。传统包装方法仅提供被动的物理屏障，缺乏动态能力来主动应对不断演变的腐败微环境，特别是微生物增殖和氧化的双重威胁。基于天然生物聚合物壳聚糖（CS）的活性包装系统因其优异的生物降解性、成膜性和强抗菌活性而受到广泛关注，但纯CS薄膜存在机械强度差、亲水性高、阻隔性能不足等固有局限性。集成纳米材料为克服这些缺点，乃至赋予主动功能提供了一种引人注目的策略。沸石咪唑酯框架-8（ZIF-8）作为金属有机框架（MOFs）的一个子类，因其高且稳定的孔隙率、优异的生物相容性和pH响应降解行为，成为封装和保护生物活性化合物的理想候选载体。其固有的pH敏感性使其成为构建智能包装材料的理想选择，能够积极应对通常与微生物腐败和水果衰老相关的酸性微气候。

二氢杨梅素（DMY）是一种存在于藤茶中的天然黄酮类化合物，具有良好的广谱抗菌和抗氧化活性，作为活性包装的功能性添加剂前景广阔。但其实际应用受到水溶性差、生物利用度低和化学不稳定性的限制。将DMY封装在ZIF-8等纳米载体中是增强其稳定性、赋予智能释放行为，并最终提高其在包装系统中功效的有效策略。更重要的是，ZIF-8的pH不稳定配位键使其能够在中性条件下封装DMY，并在因微生物生长或代谢活动导致水果表面酸化时触发其快速释放。然而，尽管基于MOF的智能活性包装取得了进展，但利用ZIF-8特异性封装和递送DMY的研究仍然匮乏。本研究旨在通过一锅法合成ZIF-8@DMY纳米颗粒，并制备pH响应型壳聚糖基复合薄膜，以填补这一知识空白，为智能食品包装提供新方案。

关键技术方法

研究人员采用一锅法合成了负载DMY的ZIF-8（ZIF-8@DMY）纳米颗粒。通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、氮气吸附-脱附等温线、Zeta电位和载药量测定等方法对合成的纳米颗粒进行了全面的结构表征。复合薄膜的制备是将不同质量分数（2.5%、5%、10%、15%）的ZIF-8@DMY纳米颗粒超声分散后加入壳聚糖（CS）醋酸溶液中，以甘油为增塑剂，混合均匀后浇铸干燥成膜。对所得薄膜进行了外观、微观形貌、机械性能、水接触角、水蒸气透过率、透光率、热稳定性等物理性能表征。薄膜的抗菌活性通过最小抑菌浓度（MIC）测定和对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌实验进行评估。薄膜的pH响应释放特性在不同pH（3.0, 5.0, 7.0, 8.0）缓冲液中进行测定。最后，选取5%负载量的ZIF-8@DMY/CS薄膜用于巨峰葡萄的保鲜应用实验，在4±1°C下储存10天，以商用聚乙烯（PE）薄膜和不包装（CK）为对照，评估了葡萄的感官品质、硬度、重量损失、总可溶性固形物（TSS）和抗坏血酸（V_C）含量。所用巨峰葡萄购自中国成都本地超市。

研究结果

ZIF-8@DMY的表征

SEM显示ZIF-8@DMY保持了ZIF-8的特征性菱形十二面体结构，但平均粒径有所减小。Zeta电位从ZIF-8的正电位转变为ZIF-8@DMY的负电位，证实了DMY的成功掺入。FT-IR、XRD和TGA结果进一步证实DMY被成功封装在ZIF-8框架内，且未破坏其晶体结构。氮气吸附-脱附等温线显示封装后比表面积急剧下降，证实DMY填充了ZIF-8的孔隙。载药量测定结果为31.8 ± 3.6%。

ZIF-8@DMY的抗菌活性

MIC测定显示，与ZIF-8（500 μg/mL）相比，ZIF-8@DMY对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的MIC均降至125 μg/mL，抗菌活性增强，但未超过等效剂量的纯DMY。

ZIF-8@DMY/CS薄膜的结构表征

外观：所有复合薄膜均平整均匀，随着ZIF-8@DMY负载量的增加，薄膜呈现黄色且颜色加深。

形貌分析：SEM显示，在较低负载量下，纳米颗粒在CS基质中分散均匀。当负载量达到10%和15%时，薄膜表面出现颗粒团聚和褶皱。

FT-IR分析：复合薄膜的FT-IR光谱与纯CS薄膜相似，但O?H伸缩振动带向低波数移动，表明ZIF-8@DMY与CS基质之间形成了氢键。

ZIF-8@DMY/CS薄膜的物理性能

透明度：ZIF-8@DMY的加入显著增加了薄膜的不透明度，增强了其遮光性能。

水接触角：复合薄膜的水接触角显著提高，在5%负载量时达到最大值88.20°，表明其表面疏水性增强。更高负载量时，由于表面粗糙度增加导致水接触角略有下降。

水蒸气透过率：与纯CS薄膜相比，所有复合薄膜的WVP均显著降低，表明其水蒸气阻隔性能得到改善。这归因于纳米颗粒填充、氢键形成以及纳米颗粒自身的疏水性。

厚度和机械性能：ZIF-8@DMY的加入显著提高了薄膜的拉伸强度（TS），最高可达纯CS薄膜的4.8倍。然而，薄膜的断裂伸长率（EB）则有所下降。这归因于纳米颗粒的增强作用以及界面氢键限制了CS分子链的滑动。

TGA分析：适当的ZIF-8@DMY负载量（≤10%）可提高复合薄膜的热稳定性，但过量负载（15%）可能导致热稳定性略有下降。

ZIF-8@DMY/CS薄膜的pH响应释放行为

复合薄膜表现出明显的pH响应释放行为。在酸性条件（pH 3.0和5.0）下，60小时内DMY的累积释放率分别达到87.4%和80.8%；而在中性和碱性条件（pH 7.0和8.0）下，释放率仅为21.6%和13.3%。这表明酸性环境会导致ZIF-8框架解离，从而快速释放DMY。

ZIF-8@DMY/CS薄膜的抗菌活性

所有复合薄膜对两种细菌均表现出显著的抗菌活性。特别是对大肠杆菌，5% ZIF-8@DMY/CS薄膜的抗菌效果最强，可使菌落数减少5.38 log CFU/mL。这归因于带正电的CS基质与带负电的革兰氏阴性菌更强的静电相互作用。

ZIF-8@DMY/CS薄膜在葡萄保鲜中的应用

视觉品质：经5% ZIF-8@DMY/CS薄膜包装的葡萄在储存10天后，保持了更明亮、均匀的表面颜色和更少的皱缩，有效延缓了色泽劣变。

硬度和重量损失：复合薄膜包装的葡萄在储存末期硬度显著高于对照组。其重量损失率（0.60%）也低于未包装对照组（0.75%），与PE薄膜组（0.55%）相当。这表明薄膜能有效减少水分蒸发和微生物侵害。

生化品质：复合薄膜包装的葡萄在储存期间保持了更高的总可溶性固形物（TSS）和抗坏血酸（V_C）含量。TSS的保持可能归因于薄膜对呼吸作用的抑制和对水分流失的有限控制。V_C含量的有效保持则得益于CS基质的气调作用和DMY的pH响应、持续释放所提供的抗氧化保护。

讨论与结论总结

在讨论部分，研究人员对各项结果进行了深入分析。他们指出，ZIF-8@DMY纳米颗粒与CS基质间的氢键相互作用是改善薄膜物理性能的关键因素。纳米颗粒的掺入增强了薄膜的机械强度和水蒸气阻隔性，但也降低了其断裂伸长率。薄膜的pH响应释放机制源于酸性条件下ZIF-8框架的配位键断裂。在葡萄保鲜应用中，复合薄膜通过其致密的结构、低水蒸气透过率、持续的抗菌活性，特别是智能的pH响应释放功能，有效对抗了由微生物生长和水果代谢引起的表面酸化和品质劣变。薄膜营造的微气调环境和抗氧化剂DMY的按需释放，共同延缓了葡萄的呼吸消耗、重量损失以及V_C等营养成分的降解。

研究结论（翻译自原文）

本研究通过将负载DMY的ZIF-8纳米颗粒掺入壳聚糖基质中，成功开发了一种智能pH响应型活性包装薄膜。ZIF-8@DMY纳米颗粒表现出比ZIF-8更强的抗菌活性。ZIF-8@DMY纳米颗粒与CS薄膜的集成显著提高了其拉伸强度、水蒸气阻隔性能和表面疏水性，这主要归因于界面氢键作用和纳米颗粒的疏水特性。值得注意的是，该复合薄膜表现出智能的pH响应释放行为，能够在模拟水果腐败微环境的酸性条件下快速释放DMY。这种按需释放机制，结合薄膜固有的物理和抗菌性能，通过减少重量损失、延缓硬度下降以及保留总可溶性固形物和V_C含量，有效维持了葡萄的品质。本研究提出了一种通过将生物活性物质负载的ZIF-8集成到壳聚糖基质中来开发智能功能包装的可行且创新的策略，在食品保鲜领域具有广阔的应用潜力。