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J. Future Foods | 巨峰葡萄保鲜新方案：海藻酸钠光热膜研究全解析
发布时间：
2026-08-07
来源：
Journal of Future Foods未来食品学报
Introduction
食品包装中使用的塑料对全球污染贡献显著，2022年全球塑料产量达到4亿 t。每年有800万 t塑料垃圾（主要来自包装）进入海洋。源自石油化工的非生物降解塑料威胁生态系统和人类健康，凸显了对可持续替代品的迫切需求。
光热效应是指某些材料吸收光（通常在近红外光谱范围内）并通过非辐射衰变将其转化为热量的过程。这种局部热量生成在纳米尺度上可以达到高温，使其成为多种应用的有力工具，包括抗菌处理、抗肿瘤治疗和环境保护。近年来，光热效应在食品保鲜领域受到关注，因为它能够提供非接触式的定向加热，这对于灭活易腐产品表面的微生物特别有效。光热材料，如聚多巴胺（PDA）、金纳米颗粒、氧化石墨烯和碳纳米管，因其在增强食品安全方面的潜力而被广泛研究。这些光热材料在食品保鲜中的作用机制涉及局部热量的生成，这种热量可以破坏细菌的细胞结构，如细胞膜和蛋白质，导致细菌细胞死亡。升高的温度会导致细菌代谢所必需的酶和蛋白质发生热变性，从而破坏细胞功能和复制。
沈阳药科大学硕士研究生侯子涵（第一作者）、沈阳药科大学功能食品与葡萄酒学院赵旭副教授（通信作者）
等在本研究中致力于开发一种基于海藻酸钠的聚多巴胺-盐酸小檗碱纳米颗粒（PDA-BBR-NPs）光热膜，以应对塑料污染和食品保鲜的双重挑战。研究旨在评估该薄膜在保鲜巨峰葡萄方面的有效性。巨峰葡萄因其大颗粒、甜味和多汁而广受欢迎，但由于易受微生物腐败和降解的影响，其保质期较短。通过将PDA-BBR-NPs的光热和抗菌特性整合到可生物降解的海藻酸钠基质中，本研究旨在开发一种有效的保鲜方法，抑制微生物生长，并在储存和运输过程中保持巨峰葡萄的品质。
Results
在近红外光（NIR）照射下对聚多巴胺-黄连素纳米粒子（PDA-BBR-NPs）的光热性能进行了测试。结果如图1A、B所示，这些图展示了PDA和PDA-BBR-NPs在近红外光照射12 min内的实时红外热图像。温度随着照射时间逐渐升高，呈现出时间-温度依赖关系，其中PDA-BBR20组的温度变化最为显著。不同配方的PDA-BBR-NPs表现出不同的升温幅度，且其升温效率均高于单独的PDA。这表明PDA和BBR之间的共价键增强了光热效应，这种增强在PDA-BBR20中尤为明显。图1C、D展示了不同浓度的PDA水溶液的温度变化情况，这表明温度与浓度之间存在依赖关系。此外，通过五个激光开/关循环评估了PDA-BBR-NPs的光热稳定性（图1E），在此过程中仅观察到轻微的实时温度波动，这表明其具有良好的光热稳定性以及重复使用的潜力。从PDA和PDA-BBR-NPs的加热和冷却曲线（图1F）计算出时间常数（τs）和光热转换效率（η）如表1所示。PDA中BBR负载量越高，τs越大，这可能是由于BBR的加入降低了热导率，减缓了热传递并延长了热平衡时间。PDA-BBR20的η比单独的PDA高1.38 倍，这表明用BBR对PDA进行功能改性可显著提高纳米复合材料的光热效率和协同效应。
图1 PDA和PDA-BBR-NPs升温过程的光学图像（A）和升温过程的温度曲线（B）、不同浓度聚多巴胺的光学图像（C）和温度曲线（D）、PDA-BBR-NPs在5 个激光开/关循环中的光热稳定性（E）、加热和冷却曲线（F）
表1 PDA和PDA-BBR-NPs的光热转换效率和时间常数
图2A展示了4 组葡萄在不同贮藏时间的数码照片。在室温贮藏至第6天时，空白对照组的葡萄上出现了褐斑；未涂膜组在第9天开始出现腐烂和发霉迹象。到第12天，除2% PDA-BBR20＋NIR组外，所有组的葡萄都出现了明显的腐烂，有可见的黑白霉斑。这些观察结果表明，PDA-BBR20与近红外复合处理能在室温条件下将巨峰葡萄的保质期有效延长至12 d。如图3B所示，葡萄的质量损失率随着贮藏时间的延长而增加。到第12天，未包装组的质量损失率最高，达到8.65%。空白对照组、2% PDA-BBR20组和2% PDA-BBR20＋NIR组的质量损失率分别为6.85%、5.90%和2.56%。这些结果表明，PDA-BBR-NPs与近红外处理相结合能够有效降低葡萄在贮藏过程中的质量损失率。在整个贮藏期间，葡萄的pH值总体呈下降趋势。未包装组的pH值下降最快，到第12天降至3.94，而2% PDA-BBR20＋NIR组则保持在较高的4.12（图2C）。
图2 不同处理对巨峰葡萄外观（A）、质量损失率（B）、pH值（C）、TSS（D）和TA含量（E）影响
在贮藏过程中，水果中的淀粉等物质会分解为单糖，导致水果甜度增加。葡萄的可溶性固形物（TSS）变化如图2D所示。在葡萄开始腐烂的早期，TSS可能会略有增加。这种初期的上升可归因于某些微生物对葡萄中的糖类进行分解，释放出更多的糖，导致TSS暂时升高。然而，随着腐烂的加剧，葡萄中的糖分被进一步消耗，尤其是微生物活动增强，持续分解糖类。最终，由于糖分被消耗或转化为其他物质，TSS逐渐降低。图3D中的数据表明，虽然TSS随时间增加，但2% PDA-BBR20＋NIR组的TSS水平低于未包装组、空白对照组和2% PDA-BBR20组。这表明复合膜处理在贮藏过程中有效抑制了水果的生理活动。
图2E展示了2% PDA-BBR20与近红外复合处理对巨峰葡萄贮藏期间总酸（TA）含量的影响。在整个贮藏期间，4 组葡萄的TA含量总体呈上升趋势。在腐烂过程中，葡萄中的糖分被微生物发酵成有机酸，如乙酸、乳酸和酒石酸，这些酸增加了葡萄的总酸度。空白对照组和2% PDA-BBR20组的TA含量没有显著差异。然而，到贮藏第12天，2% PDA-BBR20＋NIR组的TA含量低于其他组，为0.337%。这表明2% PDA-BBR20 + NIR处理能够部分减缓葡萄的腐烂过程，从而保持水果的品质。
结果表明，与其他组相比，PDA-BBR和近红外的联合处理具有更优的保鲜效果。近红外照射增强了PDA-BBR的光热和抗菌性能，这可能在抑制微生物生长和延缓腐烂方面发挥了关键作用。使用海藻酸钠作为天然可生物降解的基质材料是一项重要进展。这表明，PDA-BBR20，尤其是与近红外处理相结合，可能是一种在新鲜农产品贮藏和运输过程中延长保质期的有前景的策略。
Conclusion
本研究成功合成并表征了PDA-BBR-NPs，展现出其强大的抗菌和光热性能。这些纳米粒子表现出优异的生物相容性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有高效的抗菌效果。当将其添加到海藻酸钠薄膜中时，在贮藏过程中，它们通过减少质量损失、维持pH值、TA含量和TSS，有效地对巨峰葡萄起到了保鲜作用。其兼具的抗菌和光热特性突显了它们在延长新鲜农产品保质期方面的潜力，为提高食品安全和质量提供了一种前景可观的双功能解决方案。
第一作者
侯子涵，沈阳药科大学硕士研究生。主要研究方向为光热材料的应用。在国内外期刊公开发表学术论文4 篇，其中SCI收录3 篇，第一或共一作者论文2 篇。
通信作者
赵旭，沈阳药科大学功能食品与葡萄酒学院副教授，硕士生导师。辽宁省食品科学技术学会监事，辽宁省第十二批“百千万人才工程”万人层次人才。Journal of Future Foods、Food&Medicine Homology等期刊青年编委。主要研究方向：药食同源品中功效因子评价与递送系统构建、新型功能性食品包装材料的研究与性能评价等。作为课题负责人主持国家自然科学基金青年基金项目1项，主持其他省市级课题5 项。近年在International Journal of Food Microbiology、Food & Function、Food Bioscience等杂志上发表SCI论文30余篇。授权国家发明专利1项，获沈阳市学术成果奖2 项。
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