作者：朱梅燕、沙佳、朱亮、肖开军、周思健、魏健
广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室，华南理工大学食品科学与工程学院，中国广东省广州市，510641
摘要
在当代食品保存技术背景下，消除食源性致病细菌非常重要。本研究报道了一种光热抗菌材料的制备及其在草莓包装中的应用。通过 Schiff 基反应或 Michael 加成反应，利用多酚中的儿茶酚结构与多巴胺（DA）中的氨基结构，合成了百香果皮提取物/多巴胺（PFPE/PDA）纳米颗粒。结果表明，在近红外（NIR）光照射下，PFPE/PDA 纳米颗粒表现出优异的光热转换效率（41.79%），对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌率超过 99%。细胞毒性实验表明该材料是安全的。将 PFPE/PDA 添加到羟丙基甲基纤维素（HPMC）基膜中后，发现在大肠杆菌中的存活率仅为 21.33% ± 0.73%，而在金黄色葡萄球菌中的存活率仅为 7.71% ± 0.16%。这有效延长了草莓的保质期，从而凸显了该薄膜出色的保鲜能力。优异的光热性能为抗菌食品包装薄膜的应用提供了新的解决方案。
引言
食源性疾病是全球日益严重的公共卫生问题，无论是在发达国家还是发展中国家，其发病率都在上升。这些病原体不仅是导致食品变质的主要原因，造成巨大经济损失，还对人体健康构成严重威胁[1]。草莓作为全球广泛消费的新鲜水果之一，由于缺乏保护性果皮，极易受到污染，且对可能留下有害残留物的化学防腐剂（如次氯酸钠和过氧乙酸）特别敏感，从而带来潜在的健康风险[2][3]。因此，开发环保、安全且高效的抗菌食品保存策略至关重要。
近年来，天然来源的抗菌剂和抗氧化剂因其安全性和环保性而受到越来越多的关注[4]。例如，有研究开发了一种可持续的抗氧化和抗菌电纺水凝胶生物材料，其中含有柠檬汁浸渍的 PVA 纳米纤维，柠檬汁的抗氧化和抗菌性能归因于其中所含的成分[5]。本研究使用了富含酚类化合物的百香果皮提取物（PFPE），其多酚具有多种生物活性[6][7]。研究表明，PFPE 可用作天然食品防腐剂，在琼脂板上对 2,2′-Azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)（ABTS）的清除活性表现出显著的抗菌能力[8]。然而，在百香果加工过程中，果皮通常被丢弃，导致资源浪费和环境污染[9]。从果皮中提取酚类化合物并用于制造光热材料是一种有效利用废弃物的方法，符合循环经济的原则，突显了将废物转化为宝贵资源的重要性[10]。此外，关于利用百香果皮多酚制备包装材料的研究仍然有限。我们之前的工作使用了 PFPE 制备薄膜，对其机械性能、抗氧化活性和光学特性进行了表征，但缺乏抗菌性能的研究[11]。这些研究为薄膜在食品保存中的应用奠定了基础。然而，在保存过程中，抗菌性能对于控制微生物至关重要。
随着抗菌素耐药性的日益严重，需要多种多样的抗菌策略来降低细菌适应风险，而光热杀菌正是满足这一需求的方法之一，它通过局部加热杀死细菌，从而减少耐药性发展的风险[12]。多巴胺（DA）是一种环保材料，具有光热转换性能和生物相容性，在碱性和有氧条件下可自聚合形成多巴胺[13]。在近红外（NIR）光照射下，PDA 可将光能转化为热能，产生局部热效应，破坏细菌细胞膜和蛋白质，从而实现广谱抗菌效果[14][15]。然而，PDA 的自聚合可能导致大颗粒的形成，影响其性能的均匀性和稳定性。Ruppel 等人发现，硼砂可以与多巴胺结合，防止其自聚合[16]。在低浓度硼砂下，这会减缓聚合过程；在高浓度硼砂下则可能完全阻止聚合。由于多酚及其衍生物中的儿茶酚成分在弱碱性或紫外线照射条件下会发生氧化自聚合，生成邻苯醌，而邻苯醌是一种高反应性的亲电分子，同时也是不稳定的中间体，它可以进一步与多巴胺发生 Michael 加成和 Schiff 基反应，在基底上形成强而稳定的交联层[17]。因此，可以尝试将 PDA 与其他植物抗菌剂结合，制备新型光热抗菌剂，这也有助于抑制 PDA 颗粒的聚集，从而获得更均匀和稳定的材料。目前，酚类化合物在光热材料制备中的应用主要集中在构建金属酚类网络作为多功能平台上，利用金属的高光热转换效率和天然多酚的优异粘合性能。例如，Gao 等人开发了 Fe3+ 与天然酚类化合物之间的配位复合物作为光热材料，表现出宽光谱光吸收和高转换效率，并在不同 pH 条件下保持稳定[18]。Huo 等人在 Ti 表面构建了 TiO2 纳米尖刺结构，然后组装了金属-多酚网络并沉积了抗菌肽，在 NIR 光照射下表现出优异的光热稳定性和转换性能[19]。目前，关于将酚类化合物与有机材料结合制备光热材料的研究相对较少，因此探索酚类化合物与有机材料的组合以开发环保且安全的新型光热复合材料具有重要的科学意义和应用前景。
光热材料在食品包装领域的应用也受到了关注。例如，Sheng 等人将铜单宁酸（Cu-TA）纳米颗粒掺入薄膜中，显著延长了草莓的保质期[20]。Yang 等人制备了鱼鳞明胶-多巴胺光热抗菌薄膜，有效保存了樱桃番茄[21]。Wang 等人将铁-姜黄素复合纳米颗粒掺入壳聚糖薄膜中，用于猪肉保存，表现出优异的保鲜效果[22]。近红外（NIR）光的波长为 780–2526 nm，属于生物透明窗口范围。水和生物分子对 NIR 光的吸收非常少，这减少了对食品基质的损伤，并允许光热剂（PTAs）深入食品组织，从而实现更高的光热转换率和非常有效的抗菌效果，不受细菌种类的影响[14][15]。因此，将光热纳米颗粒掺入薄膜中具有重要意义，为开发绿色食品包装材料提供了新的策略。
本研究的目的是制备 PFPE/PDA 纳米颗粒，并系统研究其光热和抗菌性能。将通过稀释平板涂布法评估 PFPE/PDA 对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抗菌效果。此外，还将 PFPE/PDA 纳米颗粒掺入羟丙基甲基纤维素（HPMC）薄膜中，并进一步探讨薄膜的光热和光热抗菌性能，并以草莓为模型评估其抗菌和防腐性能。
材料
百香果（Passiflora edulis Sims）采自中国广西壮族自治区玉林市。薄膜的主要成分是羟丙基甲基纤维素（HPMC），由上海 Macklin 生化技术有限公司生产。甘油（广州珠峰进出口贸易有限公司提供）作为增塑剂。无水乙醇（天津富宇精细化工有限公司）、Folin-Phenol 试剂（山东科源生化有限公司）、碳酸钠（广东广东试剂技术有限公司）也用于制备过程。
PFPE/PDA 纳米颗粒结构分析
图 1(a,b) 中的 PDA 和 PFPE/PDA 颗粒的 SEM 图像是在相同放大倍数（50kX）下拍摄的，显示颗粒大小发生了一些变化。在 PDA 样品中，颗粒较大；加入 PFPE 后，颗粒变小，这一结果与颗粒大小测试的结果一致。使用纳米颗粒测量仪对纳米颗粒的大小进行了检测。如图 1(c) 所示
结论
本研究探讨了 PFPE/PDA 纳米颗粒及其制备薄膜的光热抗菌性能。结果表明，PFPE 和 PDA 的结合提高了 PDA 的光热转换效率，并增强了杀菌效果。该薄膜能够延缓草莓的成熟，并发挥有效的抗菌作用。
作者贡献声明
朱梅燕：撰写初稿、数据可视化、验证、软件应用、方法学设计、数据管理、概念构思。
沙佳：正式数据分析、数据管理。
朱亮：方法学设计、资金筹集。
肖开军：数据验证、资金筹集。
周思健：数据验证。
魏健：数据可视化。
未引用的参考文献
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利益冲突声明
作者声明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，且对任何产品、服务或公司不存在可能影响本文观点的专业或其他个人利益。
致谢
作者感谢 广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室开放基金支持项目（202508）和 广州市科技计划项目（2024B03J1312）的财政支持。
