中国药科大学研究生，中国药科大学研究生院
果蔬因含有丰富的营养物质而容易滋生细菌，腐烂变质，从而丧失食用和商品价值，造成巨大的经济损失。因此，为延长果蔬货架期，开发新型抗菌保鲜包装材料具有重要意义。目前，普遍使用的抗菌包装材料带来较多白色污染。为迎合我国绿色可持续发展理念，开发环境友好且抗菌性能良好的包装材料是目前主要的研究方向。
壳聚糖具有良好的生物相容性、抗微生物活性、成膜性等特点，且安全无毒，广泛应用于食品保鲜领域。无机纳米材料由于具有较大的特异性表面积和较高的生物活性，被认为是抗菌剂的良好候选材料。量子点多应用于生物医学领域，例如光热疗法治疗肿瘤、体内荧光成像等。量子点在光的激发下可以产生活性氧，而活性氧过度累积引起的氧化应激则被认为是量子点发挥抗菌活性的主要机制。
来自南京财经大学食品科学与工程学院的周 游和中国药科大学工学院的王梦军、曹崇江*以壳聚糖为成膜基材，以ZAISe/ZnS量子点为光敏材料，制备量子点/壳聚糖抗菌复合膜。壳聚糖和过渡金属离子具有良好的螯合能力，壳聚糖上的氨基和羟基是量子点优良的封头基团，且壳聚糖的高粘性还可以防止量子点团聚。此外，壳聚糖和量子点都有一定抑菌作用，两者复合将会发挥协同抑菌效果。鉴于量子点在光照条件下优异的抑菌效果，该复合膜有望成为超市等光照环境下的果蔬保鲜新材料。
一、量子点表征及毒性分析结果
量子点表征
由图1A可知，水溶性量子点的紫外-可见吸收光谱和初始的油溶性量子点的基本一致，而水溶性量子点的荧光强度与油溶性量子点相比较弱（图1B）。水溶性量子点的发射峰（700 nm）较初始量子点的发射峰（690 nm）发生轻微红移。通过透射电子显微镜对量子点的形貌进行分析，由图1C可知，油溶性量子点的尺寸在10 nm左右，均匀分散，而转水相后的量子点发生聚集，这是因为MPA分子链段短，并且没有去质子化，容易在两个-COOH之间产生氢键（图1D）。
量子点的细胞毒性分析结果
食品包装的安全性是开发新型食品包装的首要前提，因此必须保证食品包装材料安全无毒。通过MTT法测定了MPA@ZAISe/ZnS量子点对HCT116人结肠癌细胞的毒性作用，细胞活力与吸光度成正相关。如图2所示，MPA@ZAISe/ZnS量子点的质量浓度为500 μg/mL时，细胞活力仍可达87.11%，根据细胞毒性反应分级，80%～99%样品毒性分级为1级，细胞毒性反应极轻微，表明该量子点安全无毒，具有良好的生物安全性。因此，该量子点可以作为抑菌剂与壳聚糖混合，制备安全无毒的复合膜。
膜的表征及抑菌效果
膜的物理性能
壳聚糖膜和量子点/壳聚糖复合膜的理化性质如表1所示。复合膜的拉伸强度相对有所提高。壳聚糖膜的断裂伸长率有一定程度的增加。量子点的加入相对降低了壳聚糖膜水蒸气的透过能力。
膜的色差和透光度
由表2可知，量子点/壳聚糖复合膜L*值极显著下降，a*值极显著上升；b*值则由壳聚糖膜的偏蓝变为复合膜的偏黄。由于量子点本身呈棕褐色，因此复合膜的颜色发生了改变，而量子点/壳聚糖复合膜的透光率与壳聚糖膜相比也显著降低。量子点的加入使壳聚糖膜的颜色加深，深色膜可能会影响感官评价效果，但是有研究报道，深色膜能够提高马铃薯和洋葱等农产品的贮藏品质。
膜的傅里叶变换红外光谱分析结果
通过傅里叶变换红外光谱对膜的官能团进行分析，从图3中可以看出，两种膜在3 400 cm-1处都有一个较明显的峰，这是-OH和-NH的伸缩振动吸收峰。2 900 cm-1附近是C-H的两个伸缩振动峰，复合膜在3 000 cm-1处有一个峰，这是由于量子点的加入导致C-H的伸缩振动峰发生偏移。复合膜在2 560 cm-1的峰是-SH的伸缩振动峰，这个特征峰在MPA@ZAISe/ZnS量子点中同样存在，因为MPA中有-SH的存在。1 650 cm-1和1 590 cm-1分别是酰胺I带吸收峰和酰胺II带吸收峰，复合膜中酰胺I带吸收峰消失，酰胺II带吸收峰加强，归因于MPA中羰基的作用。
膜的扫描电子显微镜观察结果
如图4A所示，纯壳聚糖膜分子内和分子间氢键较多，所以结构相对规整，其表面均匀光滑没有杂质。量子点/壳聚糖复合膜的扫描电子显微镜图像（图4B）中白色部分为量子点，可以看出量子点在膜上分布较为均匀。这归因于壳聚糖网状分子结构上含有大量-NH3和-OH，可以和量子点表面的-SH相互作用，从而改变量子点的表面性质，最终改善了其在壳聚糖溶液中的分散效果。
膜溶液的抑菌性能
从图5A可以看出，在黑暗条件下，壳聚糖膜溶液和量子点/壳聚糖复合膜溶液均对金黄色葡萄球菌有一定的抑制效果。从图5C中也可以明显看到，在黑暗条件下壳聚糖膜溶液和量子点/壳聚糖复合膜溶液对大肠杆菌的抑菌效果较差。从图5B、D中可以看出，在光照条件下量子点/壳聚糖复合膜溶液对两种菌的抑菌圈都要大于壳聚糖膜溶液的抑菌圈，并且对大肠杆菌的抑制效果更加明显。这是由于壳聚糖本身对革兰氏阴性菌的抑菌效果一般，而量子点是一种光敏材料，在光的激发下产生活性氧，活性氧可以氧化生物底物，从而导致不可逆的细胞损伤和酶失活，最终导致细胞死亡，发挥抑菌作用。因此，复合膜在光照条件下表现出更显著的抑菌效果。总之，光照条件下的量子点/壳聚糖复合膜溶液与壳聚糖膜溶液相比，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌都有极显著的抑菌效果（图5E）。活性氧还会破坏霉菌的孢子质膜的完整性，从而抑制霉菌的生长。因此，量子点可以作为一种广谱抗菌材料，量子点/壳聚糖复合膜对果蔬表面的霉菌有潜在的抑制作用，预期该复合膜可以达到保鲜果蔬的目的。
结 论
将光敏材料ZAISe/ZnS量子点与壳聚糖复合制备成抑菌膜，通过对膜的物理性能测定发现，量子点的加入降低了壳聚糖膜的透光性；并且该复合膜在光照条件下对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都表现出显著的抑菌效果，而在黑暗条件下的抑菌效果不显著。若要将该复合膜实际应用于果蔬的抗菌保鲜，其保鲜性能还有待进一步验证。总之，由于该量子点在光照条件下具有显著抑菌效果，并且这种量子点安全无毒，因此将ZAISe/ZnS量子点光敏材料加入壳聚糖等成膜基质中，有望成为果蔬保鲜方面新的发展方向。
通信作者简介
曹崇江 教授
曹崇江，中国药科大学工学院食品质量与安全教研室主任，国家中药材加工研发专业中心主任，教授，博士生导师。美国UIC与Argonne国家实验室博士后，中国食品科学技术学会青年委员。主持“十三五”国家重点研发计划课题、国家自然基金面上项目、江苏省科技厅自然基金面上项目、江苏省重点研发计划项目、江苏省农业自主创新资金项目等10余项，在国际杂志Applied Catalysis B: Environmental、ChemicalEngineering Journal、Food Chemistry、Food Hydrocolloids和Journal of Agricultural and Food Chemistry等发表论文60余篇；申请国家发明专利30余件，其中授权10余件；获中国商业联合会服务业科技创新奖一等奖（2016），江苏省科学技术二等奖（2019）。执行主编参编专著一部，副主编参编教材多部。
本文《ZAISe/ZnS量子点/壳聚糖复合包装的抑菌性能》来源于《食品科学》2022年43卷1期171-176页，作者：周 游，王梦军，曹崇江*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20201207-074。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
修改：南京财经大学食品科学与工程学院 周 游；编辑/责任编辑：张睿梅
图片来源于文章原文。
为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社在宁波和西宁成功召开前两届“动物源食品科学与人类健康国际研讨会”的基础上，将与郑州轻工业大学、河南农业大学、河南工业大学、河南科技学院、许昌学院于2022年5月7-8日在河南郑州共同举办“2022年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。欢迎相关专家、学者、企业家参加此次国际研讨会。
中国药科大学研究生(中国药科大学研究生院)
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