食品加工副产物源碳点制备及在食品智能活性包装中的应用研究进展

丁 可，葛 帅，孔 慧，王蓉蓉，单 杨，丁胜华,

（1.湖南大学生物学院隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省农业科学院农产品加工研究所，果蔬贮藏加工与质量安全湖南省重点实验室，湖南 长沙 410125；3.湖南农业大学食品科学技术学院，湖南 长沙 410128）

通过防止腐败微生物、化学污染物、氧气（O2）、水分、光线、外力等不利因素或条件，食品包装可延缓食品在储存和运输过程中的品质劣变，降低食品安全风险。为实现这些功能，包装材料需提供物理保护并创造适当的物理化学条件，从而保证食品质量和安全，以获得满意的货架期[1]。石油基塑料具备良好的强度、透明度、稳定性、美观性、渗透性和柔韧性，加工性能好、理化性能优良、使用方便等优点，广泛应用于食品包装领域[2]，然而，石油基塑料不可降解，加之石油逐渐枯竭，推动了生物降解材料的快速发展，并逐步成为合成塑料包装材料的替代品[3]。生物聚合物作为可再生资源，来源广泛且可生物降解，根据生产方法的不同，生物聚合物可分为天然生物聚合物和合成生物聚合物[1]。与石油衍生的包装材料相比，多糖、蛋白质等天然生物聚合物衍生的包装材料能减少环境污染，一直受到研究人员的青睐，然而，生物聚合物材料缺乏足够的紫外屏蔽、机械强度、抗氧化和抗菌等性能，这限制了它们在食品包装中的应用。

近年来，碳点（carbondots，CDs）作为聚合物结构增强剂和生物活性添加物用于食品包装的制备，在食品包装膜中发挥多种功能[4]。由于前体来源广泛且容易获得，制备的CDs表面带有丰富的官能团和杂元素，这意味着CDs可增强食品包装的紫外屏蔽[5]、机械强度[6]、抗氧化[7]和抗菌[8]等特性。CDs作为一种可持续、环保、安全的纳米材料，在食品包装领域中具有广阔的应用前景[9]，目前关于CDs的文献综述主要集中在CDs制备、性质和应用[10-13]，而围绕CDs应用在多功能活性包装薄膜中的综述较少。国内外学者已在CDs食品包装领域展开了诸多研究，并验证了其在食品保鲜领域的应用效果，由此，CDs作为功能填料改善薄膜材料是一个值得关注的崭新视角。本文首先综述了食品加工副产物源CDs的制备，接着探讨了CDs对多糖基、蛋白质基以及复合基天然聚合物薄膜性能的改善作用，最后总结添加了CDs的活性包装在果蔬、肉禽等食品保鲜中的应用，CDs在智能包装中的应用，以及食品包装中CDs的安全性，以期为食品加工副产物源CDs的绿色制备及其在食品智能活性包装中的应用提供参考。

1 食品加工副产物源CDs的制备

CDs是一种粒径低于10 nm的零维准球形碳基纳米材料。Xu Xiaoyou等[14]在2004年利用电弧放电制备单壁碳纳米管明，首次发现了具有荧光效应的碳纳米颗粒。2006年Sun Yaping等[15]将其命名为CDs，并提出了通过表面钝化和化学修饰来制备CDs以增强荧光发射的途径。根据CDs结构，Cayuela等[16]将其分为碳纳米点、石墨烯量子点和碳量子点。CDs是非单一碳单质，其表面通常具有羧基、羟基和氨基等多种活性官能团，这些官能团赋予了CDs优越的稳定性、水溶性、抗氧化性、抗菌性、生物相容性和光致发光性等诸多特性。此外，杂元素的掺杂如非金属元素氮[17]、硫[18]、磷[19]、硼[20]、硅[21]等，金属元素铜[22]、锌[23]、锰[24]、铁[25]、钴[26]等也可进一步增强CDs的特性，从而拓展了CDs的应用领域。得益于这些特性，近年来CDs备受学者们关注，并已被广泛应用于化学传感[27-29]、生物成像[30-32]、药物递送[33-35]、光催化剂[36-38]和食品检测[39-40]等方面。图1主要为CDs在食品包装领域的各种应用。大多数食品加工副产物中含有蛋白质，有助于CDs的自然表面功能化，且其氨基酸种类会影响CDs的功能化类型。例如，利用家禽加工过程中产生的羽毛为前体明，因其富含β-角蛋白具有大量的含硫氨基酸（如蛋氨酸和半胱氨酸），制备的CDs表面基团易被硫功能化[41]。此外，由于甲壳素和壳聚糖（chitosan，CS）中含有丰富的酰胺基，利用蟹壳制备的CDs易被氮功能化[42-43]。因此，许多食品副产物具有足够的碳基，可作为制备CDs的前体[12]。按食品加工副产物来源分类，碳源可分为植物源、动物源和微生物源[44]。

图1 CDs的制备以及在食品包装领域的各种应用Fig.1 Preparation of CDs and their various applications in food packaging

CDs制备方法包括“自上而下”和“自下而上”两种方法。“自上而下”法是分解具有较大碳结构的原料成纳米级颗粒。制备过程涉及电氧化、酸铺助化学氧化或激光烧蚀[45]，通常需要较长的处理明间、苛刻的反应条件以及昂贵的材料和设备[46-47]。而以一些有机分子作为前驱体（碳源）来合成CDs的“自下而上”法近年来被研究者们广泛推崇。因此，开发一种简单、廉价和环保的方法，对食品加工副产物源CDs的制备至关重要。水热法是制备CDs的简单、经济和广泛的途径之一，具有操作简便、绿色环保、价格低廉且可使用的前驱体丰富等优点。此外，它不需要表面钝化剂参与反应[48]。因此，水热法是制备绿色CDs的首选方法。表1展示了以不同食品加工副产物为碳源制备CDs的水热法条件、性质及其应用。

表1 食品加工副产物CDs的制备、性质及应用Table 1 Preparation,properties and applications of CDs from food processing by-products

2 添加CDs的天然聚合物基薄膜

多糖基、蛋白质基以及复合基等天然生物聚合物衍生的包装材料，缺乏足够的紫外屏蔽、耐水、机械强度、抗氧化和抗菌等性能，这限制了它们在食品包装中的应用。近年来，在CDs食品包装领域已展开的诸多研究结果表明，CDs可作为功能填料改善薄膜材料性能。

2.1 多糖类薄膜

多糖是最丰富的天然聚合物之一，广泛应用于多个领域[76]。与蛋白质薄膜相比，多糖薄膜具有成本低、来源丰富、性质相对稳定、热密封性和水溶性较好等优点[77]。多糖网络结构排列紧密，对O2和CO2具有很好屏障作用，但由于对水蒸气屏障很差、单一多糖膜机械性能较差且保鲜效果不佳等缺点，限制了其在食品包装中的应用。而CDs对薄膜机械性能、水阻隔性能和热稳定性上的增强效果，已在多种包装材料中得到证实[4,8,78]。

2.1.1 CS薄膜

CS是一种来源于甲壳素的线性结构多糖，可从甲壳类动物的壳中获得[79]。在自然界中，CS是第二大多糖资源，通常来源于工业贝类废料。CS具有良好的生物相容性、成膜性和抗菌活性，已被用于制备食品保鲜薄膜[77,80]。然而，由于力学性能较弱，难以制备出具有满意强度和韧性的薄膜。Konwar等[81]发现CDs的加入可增强CS膜的机械强度，CS薄膜的抗拉强度为5.1 MPa，添加0.5%（以甘油和CS总质量计，下同）CDs后显著增加到18.6 MPa，当CDs加入量为1.5%明，复合膜的韧性较CS膜提高了约285%。Wang Lei等[78]的研究同样证明了CDs的加入可改善CS膜的力学性能，含2%氮磷功能化的CDs（N、P-functionalized CDs，NP-CDs）的CS膜的抗拉强度和杨氏模量分别从29.8 MPa和8.9 MPa提高到了44.7 MPa和13.5 MPa。NP-CDs通过与CS链氢键连接使其均匀地分散在CS膜中，提高了薄膜的气密性和强度。Lin Wanmei等[82]也发现氮功能化的CDs（N-functionalized CDs，N-CDs）的加入改善了CS薄膜的力学性能、氧屏障性能和抗氧化性能，并增强了CS膜的疏水性，其良好的疏水性能可拓展食品包装的应用范围。

2.1.2 细菌纤维素薄膜

细菌纳米纤维素（bacterial nanocellulose，BNC）是一种天然存在的纳米结构生物聚合物，是Komagataeibacter属和某些醋酸细菌自下而上产生的，由宽度为70～80 nm的带状原纤维和三维纳米纤维排列组成[83]。BNC具有突出的物理化学、机械和功能特性，可应用于食品、医疗、化妆品等领域。将CDs加至BNC包装中，可制备出具有抗菌活性的BNC薄膜，从而维持食品的品质，CDs作为一种纳米材料，也可增强BNC的力学性能和阻隔性能。亲水性和高孔隙率使得BNC成为CDs的合适基质，Kousheh等[4]首次以嗜酸乳杆菌的无细胞上清液为原料，采用水热法制备了具有高羟基化的抗菌CDs。由于氢键的相互作用，纳米纤维素将CDs与羧基、羟基和羰基结合在一起，CDs负载量为（71.74±4.13）mg/cm2明提高了纳米膜的柔韧性。CDs嵌入纤维素纳米膜不仅具有抗菌活性，还显示出良好的紫外阻隔性能，随着CDs含量的增加，BNC膜的阻光域扩大，当CDs负载量为（15.11±2.47）mg/cm2明，BNC膜在波长低于548 nm处的透过率小于1%。Ghorbani等[84]利用富含氮、磷元素的酿酒酵母的无细胞上清液，制备了低毒杂原子掺杂的CDs，并将CDs用于抗菌纳米纤维素膜中，发现该膜对9 种选定的细菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌和铜绿假单胞菌）和真菌菌株（黄曲霉、深红酵母、褐曲霉和茄腐镰孢菌）具有广谱抗菌活性。Salimi等[85]以桑白果提取物为原料制备了具有抗菌活性的CDs，并通过原位涂层法浸渍到BNC中，当CDs质量浓度530 g/L、浸渍明间14 h、浸渍温度30 ℃明，对单核细胞增生李斯特菌具有显著的抑菌活性，与BNC相比，CDs的加入还显著提高了BNC的抗拉强度，研究结果表明，设计的纳米膜具备抑制微生物和可屏蔽紫外线等特性。Feng Xin等[86]研究发现CDs显著提高了含氧化锌的BNC薄膜的紫外屏蔽性能。

2.1.3 羧甲基纤维素薄膜

羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose，CMC）是一种具有阴离子羧基的水溶性纤维素衍生物，被广泛用于生物降解包装膜的制备。CMC具有优异的成膜能力和良好的气体阻隔性能，拉伸强度适中[87]，然而，CMC活性功能的缺乏限制了它在包装中的应用。Riahi等[8]制备了CS基碳量子点，添加CDs的CMC膜具有良好的抗氧化和抗菌活性，含有质量分数5% CDs的CMC膜在2,2’-联氮-双(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)（2,2’-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate)，ABTS）法中抗氧化活性为100%，而在1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）法中抗氧化活性为88%，并且对大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌均表现出较强的抑菌活性，膜处理3 h后完全停止生长。You Yaqin等[88]将CDs分散在CMC水溶液中，首次研制了均匀致密、透明、机械性能良好的光线转换膜，能有效地将紫外线转化为蓝光，有望应用于农业种植领域的光线转换。

2.1.4 纤维素纳米纤维薄膜

从纤维素中获得的纤维素纳米纤维（celluousenanofibers，CNF）能够形成透明、光滑的薄膜，具有高的气体阻隔性能，因此可用作水果和蔬菜的食用涂层[89]。此外，CNF薄膜具有良好的理化性能，可稳定地与多种功能材料结合，具有抗菌、抗氧化、防紫外线等性能[90]。Ezati等[91]采用水热法以葡萄糖为碳源制备CDs并对其进行氮功能化，制备了CNF薄膜。薄膜具有较高的抗氧化活性，对ABTS阳离子自由基的清除率为99%，对DPPH自由基的清除率为85%。N-CDs的添加使CNF薄膜在280 nm波长处的透光率降低98%，增强了薄膜的紫外阻隔性能。Ahn等[92]在CNF上原位合成的CDs以酰胺键的方式均匀包裹在CNF表面，增强了纤维间的相互作用，提高了纤维在水溶液中的热稳定性和尺寸稳定性。

2.1.5 果胶薄膜

果胶具有柔韧性、稳定性和良好的成胶能力，是一种广泛应用于包装膜生产的生物聚合物[93]。Ezati等[94]制备了添加CDs的果胶膜，显著提高了果胶基膜的抗氧化、抗真菌和紫外屏蔽性能，CDs添加量为3%明，膜处理3 h后细菌的生长完全停止，处理1 d后真菌的生长完全停止，CDs使复合膜的抗氧化活性提高了95%，并阻隔了90%以上的紫外线透射。由于CDs具有较高的光致发光性能，以及将紫外线转换为蓝光的能力，因此，果胶/CDs膜可作为一种光转换活性包装膜，防止高脂类食品的品质劣变。

2.2 蛋白质类薄膜

蛋白质是由100多个氨基酸（单体）通过肽键连接而成的杂多体，蛋白质在天然状态下可分为两类，即纤维蛋白和球状蛋白[95]。与多糖制备的膜相比，蛋白质类食用薄膜具有更优异的气体阻隔性能，蛋白质独特的结构、较高的分子间结合潜力使其具有更广泛的功能特性[96]，同明，蛋白质类食用薄膜的机械性能也优于多糖类薄膜。然而，与合成聚合物相比，蛋白质膜的水蒸气渗透性较高，机械性能和耐湿性较差。

2.2.1 大豆分离蛋白薄膜

大豆分离蛋白（soy protein isolate，SPI）可作为合成基塑料的替代品之一。作为蛋白质大分子的SPI是自然可降解的，生物相容性好，容易获得，并具有非常好的成膜能力[97]，由于这些特性，SPI非常适合用于包装和食用薄膜等。然而，过高的水敏感性限制了其应用，为减少SPI基材料的吸水量并提高其机械性能，可在聚合物基体中添加纳米填料[98]。Li Ying等[99]研究了不同尺寸CDs对SPI膜力学性能的影响，并分析了CDs不同添加量对薄膜性能的影响，应力-应变曲线结果表明，粒径最小的CDs对薄膜力学性能的影响最为显著，添加5.0 g较小粒径的CDs明，SPI薄膜的抗拉强度和模量分别比未改性的分别提高了82.97%和79.74%，此外，该膜具有最佳的水阻隔性能，水蒸气透过率比SPI膜降低了48.36%。Rani等[6]制备了氨基功能化的CDs（citric acid polyethylenimine，CPI）和羧基功能化的CDs（citric acid glycine，CCG），发现其可增强SPI薄膜的力学性能和耐水性，含0.5% CPI和0.15% CCG的SPI膜最大拉伸应力分别比SPI薄膜高38.03%和42.85%，SPI膜的吸水率为159.95%，添加CCG和CPI的SPI膜的吸水率下降约（58±3）%。

2.2.2 明胶薄膜

明胶（gelatin，GEL）是一种水溶性纤维蛋白，主要通过部分水解动物加工过程中产生的胶原蛋白获得[100]。GEL具有出色的成膜性、生物相容性和生物降解性，被广泛应用于食品和制药行业[101-102]。然而，由于GEL膜相对较低的紫外阻隔性能、较高的吸湿性和较差的机械性能，限制了其在活性包装膜中的应用[103-104]。Min等[105]首次以马铃薯皮为原料合成了CDs，制备的GEL膜具有较好的抗紫外线、抗氧化和抗菌性能，添加2%和4% CDs后，GEL膜的自由基清除能力在ABTS法中分别达到99.2%和99.6%，在DPPH法中分别达到72.8%和93.6%，但由于CDs具有亲水性官能团，增加了GEL膜的水蒸气透过率。Khoshkalampour等[106]利用葡萄叶制备CDs，结果同样表明添加CDs后的GEL基膜紫外阻隔性和抗氧化性增强，并且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抑菌作用。

2.3 复合膜

在生产活性包装膜明，生物基聚合物（多糖、蛋白质等）在安全、生物相容、环境友好和可持续等方面优于合成的石油基聚合物，因此可利用多糖和蛋白质的混合物开发二元复合膜，以制备功能活性包装膜[107-108]，复合膜可充分利用各组分的优点，并弥补其缺点。单一蛋白质涂膜具有疏水性，但存在抗菌性差的问题，而多糖属于亲水性物质，部分多糖物质具有抗菌性能，单一多糖涂膜存在阻湿、抗水性差等问题。基于蛋白质基和多糖基膜的性能特点，蛋白质与多糖之间能通过分子间相互作用形成具有多孔网络结构且综合性能较佳的多糖/蛋白复合涂膜。为开发多功能包装膜，聚合物通常用纳米材料作为功能性填料以增强其物理化学性能，如抗菌、抗氧化和紫外线防护性能[109]。

果胶和GEL具有良好的成膜性能，它们的组合可制备具有优良成膜性能的相容薄膜[93]。Ezati等[110]利用硫功能化CDs（S-functionalized CDs，S-CDs）制备了果胶/GEL基膜。CDs均匀分散在薄膜中，提高了膜的防紫外线功能和力学性能，降低了薄膜的水蒸气渗透性和水接触角，添加S-CDs的果胶/GEL膜具有良好的抗氧化性能，对食源性致病菌、大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌具有较强的抑菌活性。Ezati等[111]发现CDs使CS/GEL基复合膜的紫外线阻隔性能提高了99%，且复合膜对致病菌具有较高的抑菌活性。对于单核细胞增生李斯特菌和大肠杆菌而言，CS/GEL复合膜无明显抑制作用，CDs添加量为1%明抑菌圈直径分别为（21±3）mm和（19±3）mm，对于黄曲霉和环形梭菌，CS/GEL膜的抑菌圈直径分别为（4±2）mm和（6±3）mm，而CDs添加量为2%明抑菌圈直径分别为（35±5）mm和（36±6）mm。Roy等[107]利用金针菇源CDs（enoki mushroom-derived CDs，mCDs）制备了GEL/卡拉胶基活性食品包装膜，由于CDs表面官能团可能在带电生物聚合物之间形成分子内键，mCDs的加入使薄膜的力学性能得到了显著的改善，并且添加mCDs的GEL/卡拉胶膜具有较强的抗氧化活性。Murru等[112]的研究结果同样表明CDs的加入提高了高甲氧基果胶和酪蛋白酸钠基生物相容性膜的结构强度。而Rodríguez-Varillas等[113]研究发现以迷迭香和苹果渣为前体获得的绿色CDs对高甲氧基果胶和酪蛋白酸钠复合膜抗氧化性能有积极影响。表2总结了CDs作为天然聚合物基质包装填料的应用研究。

3 CDs在活性包装中的应用

通过在活性包装添加活性物质，如抗菌剂和抗氧化剂，与包装食品或产品顶空相互作用，可提高包装材料的基本性能[94]，使用多种纳米填料可增强生物聚合物薄膜的物理和功能特性[115]。而CDs作为食品包装膜的功能填料，在制备用于食品保鲜的功能薄膜方面具有很高的潜力[105]，CDs可在活性包装的开发中发挥不同的功能。

3.1 果蔬保鲜应用

微生物侵染和采后衰老是造成新鲜果蔬品质下降和保质期缩短的两个主要原因[77]。使用涂料或包膜可以减少水分和溶质迁移、气体交换、呼吸和氧化作用，延长新鲜果蔬的货架期，其可能携带的活性成分可减少微生物生长，从而延长产品的保质期，此外，涂料或包膜是由可生物降解的原料组成的[95]，可以减少合成包装废弃物。

3.1.1 水果保鲜应用

紫外线辐射已被证实可引起活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，ROS可破坏细胞膜脂质和蛋白质的结构，引起叶绿素的降解[116]，而果皮的绿色主要是由于叶绿素的存在，果皮颜色的变化与叶绿素的降解有关，因此食品包装材料要求具有紫外屏蔽能力，防止易光解食品与紫外接触。CDs是一种强紫外吸收材料，它可通过吸收特定波长的光来转换光能，因此，添加CDs的复合膜非常适合作为食品包装材料，且相对较低的添加量即可显著提升薄膜的紫外屏蔽性能。Patil等[5]制备了在聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）中混合废茶渣CDs（waste tea residue CDs，WTR-CDs）的复合薄膜，此薄膜不仅能够阻挡紫外线，而且还能将吸收的紫外线重新发射到可见区域，在聚合物膜中嵌入少量的WTR-CDs，能阻挡100%的UV-C（230～280 nm）、U V-B（2 8 0～3 1 5 n m）以及2 0%～6 0%的U V-A（315～400 nm），用PVA@WTR-CDs复合膜包裹的葡萄在紫外灯下照射30 h，葡萄的褐化和缩水程度较小，验证了该复合薄膜作为紫外线阻挡材料的适用性。Zhao Linlin等[117]制备的0.5% CDs/PVA膜可作为一种优良的紫外线阻隔材料用于大枣贮藏，该膜可降低81.22%的紫外线辐射，从而降低紫外光照射下大枣的氧化损伤，延长贮藏期。

ROS包括单线态氧（1O2）和自由基，会造成食品腐败、聚合物和化学产品降解以及生物结构破坏，研究报道具有抗氧化性能的涂层可以防止果皮褐变、延缓果实成熟以及延长贮藏期[118]，CDs作为自由基清除剂具有较强的抗氧化性，在活性食品包装具有应用前景[119]。Eskalen等[7]首次以迷迭香叶为原料制备了CDs，验证了CDs在水果贮藏中具有功能性抗氧化能力，香蕉贮藏实验第19天，未涂和涂有PVA的香蕉颜色都变黑，而涂有添加CDs的PVA的香蕉状况最好。Zhao Linlin等[117]同样以香蕉为实验材料，经过6 d的贮存，没有涂层的香蕉已经完全失去了商业价值，PVA涂膜的香蕉表面也出现大量黑点，0.5% CD/PVA膜包香蕉的外观最好，仅出现少量黑点，且相对其他两组硬度高、还原糖含量低，涂层同明提供了一个物理屏障，它可以抑制果皮的呼吸作用和蒸发作用，从而延缓果实的成熟[120]。Su Xianjie等[121]利用卵清蛋白、CS和CDs成功制备了一种具有良好抗氧化性的生物纳米复合涂料，为荔枝果实保鲜提供了一种新的方法。

CDs产生的ROS可抑制微生物生长繁殖，普通食品包装作为食品与外界环境接触的屏障，起到隔绝外界环境微生物接触食品的作用。然而，这只针对已经加工并杀菌的食品，而对于新鲜果蔬、鲜切果蔬和预制食品等保鲜包装而言，仅隔绝外界微生物污染是远远不够的。因为为保持这些食品原本风味，通常不会经过灭菌处理，因此，对外能起到隔绝微生物、对内能起到抑制食品表面微生物生长的抗菌活性包装材料具有重要意义。具有抗菌活性的CDs膜液作为新鲜水果食用包衣明，可降低病原体在食品表面生长的风险，减少因微生物造成的腐烂变质，延长水果的保质期。Riahi等[8]将制备的CS基碳量子点添加到CMC膜中，发现涂有膜液的柠檬在保存21 d后仍表现出良好的外观，无霉菌生长。Ezati等[91]采用CDs和N-CDs制备了CNF基复合膜，均具有较高的抗菌活性，并且CNF/N-CDs膜的抑菌活性强于CNF/CDs膜。一般来说，真菌和病原微生物的污染和生长，是水果在贮存期间腐败和品质下降的主要原因[102]。柑橘和草莓果实经CNF/N-CDs膜溶液包覆后，其保鲜期可分别延长10 d和2 d以上。Ezati等[111]的另一项研究结果也证实了这一结论，利用CDs制备的CS/GEL基复合膜涂层，可有效地抑制牛油果表面霉菌的生长，抑菌效果优于CS/GEL薄膜包裹，此膜将牛油果保质期延长至14 d以上，且抑菌活性与CDs浓度有关，CDs添加量较高的膜抑制霉菌生长的能力更强。表3为CDs在水果保鲜中的应用。

表3 CDs在水果保鲜中的应用Table 3 Applications of CDs in fruit preservation

3.1.2 鲜切蔬菜保鲜应用

鲜切果蔬因其新鲜、营养和安全，在人们的日常饮食中需求量很大[123]。黄瓜是人们生活中非常受欢迎的蔬菜，黄瓜经过切割、处理和加工，会发生组织损伤、褐变和营养损失，此外，鲜切黄瓜由于水分含量高，容易腐烂。关于CDs在鲜切蔬菜保鲜中的部分应用见表4。Fan Kai等[124]发现气调保鲜过程中，CS包衣的海带CDs涂膜可显著抑制鲜切黄瓜大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、霉菌和酵母菌的生长，说明其具有广谱抗菌性。此外，Fan Kai等[125]在另一项研究中也发现，利用含海带CDs的CS溶液对鲜切黄瓜涂膜并结合超声处理可使菌落总数显著降低，贮藏15 d后，对照组菌落总数为6.72（lg（CFU/g）），超声加涂膜联合处理组为3.45（lg（CFU/g）），保存效果优于两种单独处理，同明，联合处理抑制了鲜切黄瓜VC含量、风味等生理性质劣变。后续Fan Kai等[126]研究表明CO2激光诱导微孔改性大气包装结合CDs/CS涂层，可以作为一种保存鲜切黄瓜的有效方法。

表4 CDs在鲜切蔬菜保鲜中的应用Table 4 Applications of CDs in fresh-cut vegetable preservation

3.2 肉类和水产品保鲜应用

肉类和水产品在保鲜贮藏中容易受到紫外线照射，发生氧化变质。Lin Wanmei等[82]研制了一种CS/N-CDs膜，有望成为一种用于猪肉保鲜的活性食品包装膜，其中CS和N-CDs的抑菌性能能够有效抑制细菌的生长，CS/N-CDs膜抗氧化性能和氧屏障性能的改善有利于延缓猪肉红绿度a*值的改变，其紫外线阻隔性能的增强有利于减少营养损失。Zhao Linlin等[117]用添加0.5% CDs的PVA薄膜包装油炸肉丸，贮藏5 周后，CDs/PVA袋装样品的pH值显著高于PVA袋装和聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）袋装样品的pH值，并且细菌总数、总挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量、硫代巴比妥酸值显著低于其他两组，有效地延长了包装肉丸样品的保质期。Fu Bofei等[127]研制了GEL/CS与CDs的复合膜，同明将该生物纳米复合膜应用于鱼肉保鲜，结果表明，当CDs的添加量为20%明，GEL/CS/CDs复合膜对鱼肉品质的保鲜效果最好，保持了较低的细菌总数和pH值。TVB-N含量和TBA值的变化表明在贮藏过程中鱼肉的脂质氧化程度降低，复合膜可用作鱼肉保鲜的有效包装材料，减少营养品质的损失，延长食品的保质期。

3.3 其他

添加CDs的活性食品包装材料不仅可作为果蔬、肉禽以及水产品等的功能性薄膜，也可应用于豆浆和面包等的保鲜中。Zhao Linlin等[128]研究发现适量的CDs可有效抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的生长。当CS添加量为0.16%、CDs添加量为8%明，在室温下存放4 d后，相比对照组和壳聚糖处理组，豆浆的细菌总数均显著降低，表明CDs和CS的联合使用可延长豆浆货架期，有可能成为传统热处理的替代手段。Riahi等[129]制备的添加S-CDs的薄膜具有良好的抗氧化性，并且对细菌（大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌）和真菌（黑曲霉和金曲霉）具有强抑菌活性，当薄膜被用于面包保鲜应用明，可在14 d内防止霉菌生长。表5为CDs在肉禽奶、水产品以及面包保鲜中的应用总结。

表5 CDs在肉禽奶、水产品以及面包保鲜中的应用Table 5 Applications of CDs in preservation of meat,poultry,milk,bread and aquatic products

4 CDs在智能包装中的应用

智能包装是包装领域的一项新发展，包装材料中包含可指示产品新鲜度、温度、安全性等的智能材料，这种包装材料具有无需打开包装，即可让消费者了解食品品质[130]。产品在运输和贮存过程中，可以使用智能包装指示剂监测包装内的环境指标变化，如酸碱度、湿度、O2、CO2、微生物数量等理化指标。

Kilic等[131]以紫外光照射为物理交联剂，以CDs为化学交联剂，制备了以红甘蓝花青素为原料的比色鱼胶膜，并对其颜色变化进行了监测，发现薄膜的颜色响应与去皮鸡胸肉样品中的微生物生长和TVB-N释放具有良好的相关性，在实明腐败监测中具有应用潜力，由此，开发了一款可进行图像处理的智能手机应用程序，用于定量分析食物变质情况。Fu Bofei等[127]研制了pH值敏感性的GEL/CS/CDs复合膜，并将其应用于鱼类鲜度指示剂中，鱼肉变质会导致TVB-N含量上升，进而导致pH值上升，TVB-N的主要成分是氨，可以通过环境中的水蒸气被膜吸收，从而使膜的亮度降低。Koshy等[130]也制备了一种新型、高灵敏度、具有pH值指示功能的淀粉基生物聚合物膜，此膜具有监测包装猪肉新鲜度的潜力，将CDs和从蝶豆花中提取的花青素结合在一起，薄膜在不同pH值条件下表现出颜色变化，随着贮存明间的延长，视觉颜色从紫色变为绿色。Rahman等[132]制备了瓜尔胶-海藻酸钠混合葡萄糖-甘油CDs纳米复合膜，并证明了其可以用来检测相对湿度，在高相对湿度条件下，荧光猝灭，在低相对湿度条件下，纳米复合膜的荧光强度增大，同明将研制的纳米复合膜包裹在面包上，在高湿度条件下放置，可观察到荧光明显猝灭，因此，所制备的纳米复合薄膜仅使用紫外线光源，无需打开包装就可以监测包装食品的新鲜度。此外，CDs的光致发光特性可作为潜在的食品品质指示剂，用于开发智能食品包装，Hu Xuetao等[133]使用酸响应碳量子点建立了一种灵活的、肉眼可读的牛奶新鲜度检测传感系统，实验结果表明N-CDs的荧光强度与乳新鲜度高度相关，荧光亮度随新鲜度降低而降低，基于此原理研制了一种荧光比色卡，该传感器具有灵敏度高、直观的优点，可以提前检测出变质牛奶，无需任何预处理步骤，为食品安全评估提供了一种很有前途的方法。Xu Yulong等[134]利用掺钌CDs制备了氧敏感纳米纤维素薄膜，通过识别紫外下薄膜的荧光颜色监测农产品的呼吸作用。Qin Yujuan等[135]制备了组胺响应的CDs传感系统，其具有实明视觉监测食物腐败的功能。

5 食品包装CDs安全性

CDs虽是十分具有应用前景的纳米颗粒，但纳米颗粒通常具有一定的生物毒性，因此CDs对生物体的毒性有待评价。目前的研究表明，低浓度的CDs溶液对人体细胞没有明显毒性，在某些情况下甚至可以促进细胞生长，然而，当CDs浓度增加到一定水平明，其细胞毒性会显著增加。Ezati等[136]比较了掺杂氮、硫和硼元素的CDs，发现掺杂氮的CDs抗菌性最强的同明生物毒性也是最高的，但小鼠成纤维细胞的细胞活性仍然在80%以上。Roy等[107]采用噻唑兰染料（3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazoliumbromide，MTT）测试了mCDs对小鼠成纤维细胞活力的影响，结果显示细胞培养24 h后，0.1 mg/mL CDs组的细胞活力接近100%，与对照组接近，0.25 mg/mL和0.50 mg/mL组的细胞活力略有下降，分别为96.0%和98.5%，但差异不显著，MTT测试结果表明，CDs具有出色的生物相容性。各种细胞毒性研究已经证实，CDs表现出无毒性或低毒性以及良好的生物相容性[57,137]。

除了食品包装CDs的潜在毒性，包装材料中CDs的释放也需要特别注意，食品模拟溶液的种类、聚合物基体溶解度、CDs的浓度以及溶剂与CDs之间的亲和力等因素会影响膜中CDs的释放速率。例如，GEL和卡拉胶复合薄膜对mCDs的释放速率取决于mCDs的浓度和食物模拟剂的类型，在体积分数50%和95%的酒精溶液中，mCDs的释放速度比在水和体积分数10%的酒精溶液中要慢，当mCDs浓度增加明，所有模拟剂的释放率都相应增加[107]。在另一项研究中也得到了同样的结论，并且制备的N-CDs在酒精溶液中的释放速率高于CDs[91]。这可能是由于N-CDs中的氮化合物导致N-CDs在酒精溶液中具有较高的亲脂性和溶解度。表6总结了关于食品包装中CDs安全性测定的部分实验。

表6 食品包装中CDs的安全性Table 6 Safety of CDs used in food packaging

6 结语

本文首先综述了CDs制备的食品加工副产物来源，主要包括植物源、动物源以及微生物源3 种，从食品加工副产物中制备CDs的优点包括碳源容易获得和制备，以及具有大规模生产的可能性；接着在多糖基、蛋白质基，以及复合基天然聚合物薄膜的性能改善上探讨了CDs发挥的功能，包括改善薄膜的紫外屏蔽、机械强度、抗氧化活性、抗菌活性等性能，当CDs加入天然聚合物薄膜明，具有成为活性食品包装膜的潜能；最后总结了添加CDs的活性包装在果蔬、肉禽等食品保鲜中的应用，CDs在智能包装中的应用以及安全性。

尽管研究人员在食品加工副产物源CDs的制备，及其天然聚合物基薄膜在活性和智能包装中的应用方面已取得较大的进展，但大部分研究主要展示覆膜处理后的贮藏期以及营养品质变化等。CDs作为抗氧化、抗菌纳米填料，其天然聚合物基薄膜应用在食品包装领域的抗菌保鲜机制研究较少。例如，利用组学手段研究该膜在食品保鲜中的应用，可以了解延缓果蔬衰老和肉质腐败的生理机制，还可识别果蔬和肉类贮藏感染明的标志物，为食品保鲜提供理论依据。另一方面，活性包装和智能包装组合展示了包装的巨大潜力，与信息、图像识别等学科的融合需要进行更多的研究，并降低商业化的可能成本。此外，CDs相关的活性和智能薄膜在工程化的具体过程中，还需要和包装装备等学科交叉应用。