添加了牛皮单宁酸碳点的胶原蛋白薄膜：一种受传统鞣制工艺启发的策略，用于保持炸鸡的酥脆口感

《Food Hydrocolloids》：Collagen films enhanced with bovine hide-tannic acid carbon dots: A traditional tanning-inspired strategy for crispy fried chicken preservation

　　碳点与胶原蛋白复合薄膜的制备及其在食品包装中的应用研究。利用牛hide和单宁酸通过水热法合成BT-CDs，与胶原蛋白形成Schiff碱和氢键增强结构，显著提升薄膜的力学性能、抗菌抗氧化能力及阻水特性，并成功应用于油炸鸡肉保鲜，延长保质期2天。

　　本研究聚焦于开发一种新型的活性食品包装材料，通过将天然和可再生的原料——牛皮和单宁酸——应用于生态友好的水热合成工艺中，制备出牛皮-单宁酸碳点（BT-CDs）。这些碳点随后被引入到胶原蛋白薄膜中，以提升其功能性能。通过结构分析，发现单宁酸中的酚羟基在水热合成过程中被氧化为醌，从而能够与胶原蛋白中的赖氨酸或羟赖氨酸残基中的氨基形成席夫碱键。这种形成的共价键和氢键有助于构建更加致密和整合的薄膜结构，使BT-CDs/胶原蛋白薄膜在拉伸强度、热稳定性、紫外线阻隔能力和水阻性方面显著增强。

在实际应用中，这种新型薄膜展现出卓越的自由基清除能力，对DPPH·和ABTS·+的清除效率分别达到94.3%和93.0%。同时，其抗菌活性也非常突出，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的清除率分别达到97.5%和99.8%。此外，研究还发现，这些薄膜对细胞没有显著的毒性作用，整体迁移量在可接受范围内，具有良好的生物降解性，且具备潜在的成本效益。为了进一步验证其在实际应用中的可行性，研究人员将10%的BT-CDs/胶原蛋白薄膜用于包装脆皮炸鸡，并与未包装组和纯胶原蛋白薄膜组进行比较。结果显示，与对照组相比，使用BT-CDs/胶原蛋白薄膜包装的炸鸡在室温下显著延缓了过氧化值、酸值、硫代巴比妥酸反应物质、总挥发性碱氮和总活菌数的上升，从而延长了微生物保质期2天。这些结果表明，BT-CDs/胶原蛋白薄膜具有作为新型活性食品包装材料的潜力。

食品包装在保障食品安全、延长食品保质期以及减少储存和运输过程中的浪费方面发挥着至关重要的作用。目前，石油基材料因其优异的阻隔性能被广泛应用于食品包装中。然而，这类材料在使用过程中会带来环境污染和高能耗问题，这使得寻找更加自然、可持续的生物聚合物包装材料成为研究热点。胶原蛋白作为一种天然来源的材料，因其良好的成膜能力和生物相容性，逐渐被视为石油基材料的有力替代品。胶原蛋白独特的三螺旋结构使其在拉伸强度方面优于一些多糖类薄膜材料，如壳聚糖和琼脂糖薄膜，这为食品包装提供了良好的物理性能。然而，尽管胶原蛋白薄膜具备诸多优点，其在水阻性、抗菌性和抗氧化性等方面仍存在不足。此外，为了满足更复杂的应用需求，通常还需要进一步增强其机械强度。

为了解决这些问题，研究者们尝试了多种策略，包括引入功能性材料、与其他聚合物共混、进行物理处理以及采用交联技术。例如，通过高压均质化与玉米醇溶蛋白结合，研究人员成功地改善了胶原蛋白薄膜的表面粗糙度和疏水性，从而降低了细菌的附着。在另一项研究中，研究者设计了含有精油的Pickering乳液，用于增强胶原蛋白薄膜的抗菌和抗氧化性能，适用于猪肉的储存。这些方法虽然在一定程度上提升了胶原蛋白薄膜的功能性，但大多数情况下，碳点等材料主要通过氢键与薄膜基质相互作用，这种作用力较弱，难以有效提升薄膜的机械强度、水阻性等关键性能。

碳点（CDs）作为一种零维的碳基纳米材料，因其制备简便、具有紫外线阻隔能力、有效的抗菌和抗氧化性能以及荧光传感特性，被广泛研究用于食品包装领域。碳点可以从多种碳材料、有机分子或聚合物中合成，而与生物材料结合的碳点则更具优势。由于生物材料天然来源、低毒性和良好的生物相容性，其衍生的碳点在食品包装中表现出更高的适用性。目前，大多数通过自下而上方法合成的生物衍生碳点通常经历交联、聚合和逐步碳化等过程，这些过程能够对碳点进行功能化修饰，使其具备特定的应用性能。例如，通过将壳聚糖衍生的碳点引入明胶薄膜中，研究者显著增强了薄膜的抗菌性能，用于活性虾类包装。另一项研究中，利用植酸制备的pH敏感碳点在猪肉储存过程中表现出对pH变化的响应能力，其磷-氧基团的质子化和去质子化过程导致荧光发射峰的位移，从而实现对猪肉新鲜度的监测。

然而，大多数生物衍生碳点与薄膜基质的相互作用主要依赖于弱氢键，这种相互作用难以有效提升薄膜的机械强度、水阻性等关键性能。因此，如何进一步改进碳点的结构和性能，使其能够与薄膜基质形成更稳定的共价键，成为当前研究中的一个关键挑战。针对这一问题，本研究借鉴传统皮革鞣制技术，提出了一种将鞣制化学引入食品包装设计的创新策略。具体而言，牛皮和单宁酸被用作可持续的前驱体，通过水热法合成BT-CDs，并将其引入到胶原蛋白薄膜中。在合成过程中，单宁酸中的酚羟基被氧化为醌，进而与胶原蛋白中的氨基形成席夫碱键，同时与胶原蛋白基质形成共价和氢键相互作用。这种相互作用不仅增强了胶原蛋白薄膜的结构稳定性，还赋予其固有的抗氧化和抗菌性能，与传统鞣制剂在皮革加工中的功能相似。

为了全面评估BT-CDs对胶原蛋白薄膜性能的影响，研究者对不同BT-CDs含量的薄膜进行了系统的性能测试，包括结构特性、机械性能、光学透明度、水阻性、热稳定性、细胞毒性、整体迁移性、生物降解性和经济成本。此外，还评估了BT-CDs对薄膜抗菌和抗氧化性能的增强效果。最终，研究人员将BT-CDs/胶原蛋白薄膜应用于脆皮炸鸡的常温保鲜实验，以验证其在实际应用中的可行性。实验结果显示，与未包装组和纯胶原蛋白薄膜组相比，使用BT-CDs/胶原蛋白薄膜包装的炸鸡在储存过程中表现出更优异的品质保持能力，有效延缓了脂质氧化、酸败、硫代巴比妥酸反应物质的增加、总挥发性碱氮的积累以及微生物数量的上升。这些结果表明，BT-CDs/胶原蛋白薄膜在食品包装领域具有广阔的应用前景。

在材料选择方面，本研究采用了牛皮和单宁酸作为前驱体。牛皮是一种常见的动物源性材料，具有丰富的蛋白质成分，能够为碳点的合成提供必要的原料。单宁酸则是一种天然的多酚化合物，富含酚羟基，具有优异的抗氧化性能，并能够与蛋白质形成广泛的氢键。这种氢键的形成不仅有助于提高薄膜的结构稳定性，还能够增强其抗菌性能。此外，单宁酸的氧化特性使其能够与蛋白质发生席夫碱反应或迈克尔加成反应，从而形成更稳定的共价键，进一步提升薄膜的机械性能和功能性。

在实验过程中，研究人员通过透射电子显微镜（TEM）观察了BT-CDs的形态特征。结果显示，BT-CDs呈现出近似球形的结构，这是碳点的典型形态，平均粒径约为3.93纳米。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究者进一步确认了BT-CDs的表面功能基团。FTIR光谱显示，3461 cm?1处的峰对应于羟基（–OH）的伸缩振动，1681 cm?1处的峰对应于羰基（C=O）或亚胺基（C=N）的振动，而1417 cm?1处的峰则对应于氮碳键（C–N）的振动。这些结果表明，BT-CDs保留了前驱体中的部分功能基团，并且成功地在合成过程中引入了新的化学键，从而提升了其在食品包装中的应用潜力。

为了进一步评估BT-CDs对胶原蛋白薄膜性能的影响，研究者还对薄膜的结构特性进行了详细分析。通过X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）等技术，研究人员发现，引入BT-CDs后，胶原蛋白薄膜的结晶度有所降低，而热稳定性则显著提高。这表明，BT-CDs的引入改变了薄膜的微观结构，使其在高温条件下更不容易分解，从而提升了其在实际应用中的耐用性。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的表面形貌，研究者发现，BT-CDs的加入使薄膜表面更加均匀，孔隙结构更加致密，这有助于提高其水阻性和机械强度。

在光学性能方面，研究人员通过紫外-可见光谱（UV-Vis）和荧光光谱（PL）分析了BT-CDs/胶原蛋白薄膜的透明度和荧光特性。结果显示，BT-CDs的加入并未显著降低薄膜的光学透明度，同时其荧光特性得到了保留。这一结果表明，BT-CDs在提升薄膜功能性的同时，不会影响其作为食品包装材料的视觉透明度，从而满足消费者对食品包装美观性的需求。此外，研究人员还测试了薄膜的抗菌性能，发现其对常见食品腐败菌具有显著的抑制作用，能够有效延长食品的保质期。

在实际应用测试中，研究人员将BT-CDs/胶原蛋白薄膜用于包装脆皮炸鸡，并在常温条件下进行储存实验。实验结果显示，与未包装组和纯胶原蛋白薄膜组相比，使用BT-CDs/胶原蛋白薄膜包装的炸鸡在储存过程中表现出更优异的品质保持能力。具体而言，过氧化值、酸值、硫代巴比妥酸反应物质、总挥发性碱氮和总活菌数的增加均被有效抑制，从而延长了食品的微生物保质期。这一结果表明，BT-CDs/胶原蛋白薄膜不仅能够有效提升食品的物理和化学稳定性，还能够显著改善其微生物安全性，为食品保鲜提供了一种新的解决方案。

本研究的创新点在于，通过借鉴传统皮革鞣制技术，将鞣制化学与食品包装设计相结合，成功开发出一种具有优异性能的活性食品包装材料。这种材料不仅具备良好的机械性能和热稳定性，还能够有效阻隔紫外线、增强抗菌和抗氧化能力，同时保持良好的生物相容性和可降解性。此外，其制备过程相对简单，且原料来源广泛，具有良好的经济可行性。这些优势使得BT-CDs/胶原蛋白薄膜在食品包装领域展现出巨大的应用潜力。

在研究方法上，本研究采用了水热法合成BT-CDs，并将其引入到胶原蛋白薄膜中。水热法是一种常用的纳米材料合成方法，其特点是反应条件温和、操作简便，且能够有效控制产物的形貌和尺寸。通过调整反应温度、时间和前驱体比例，研究人员能够优化BT-CDs的合成条件，使其在薄膜中形成稳定的结构。此外，研究者还对不同含量的BT-CDs对薄膜性能的影响进行了系统评估，以确定最佳的使用比例。这一研究方法不仅有助于深入理解BT-CDs与胶原蛋白薄膜之间的相互作用机制，还为后续的工业化生产和应用提供了理论依据。

在实验设计方面，本研究不仅关注BT-CDs对薄膜性能的提升，还通过实际应用测试验证了其在食品保鲜中的效果。通过将BT-CDs/胶原蛋白薄膜应用于脆皮炸鸡的包装，研究人员能够直观地观察其在实际储存条件下的表现。实验结果表明，这种新型薄膜能够有效延缓食品的氧化和腐败过程，从而延长其保质期。这一结果不仅证明了BT-CDs在食品包装中的实用性，还为开发更多功能性的食品包装材料提供了新的思路。

从应用前景来看，BT-CDs/胶原蛋白薄膜具有广泛的应用潜力。首先，其优异的抗菌性能使其在食品包装中能够有效抑制微生物的生长，从而延长食品的保质期。其次，其良好的抗氧化能力有助于防止食品中的脂质氧化，提高食品的营养价值和安全性。此外，其较高的水阻性和热稳定性使其能够在多种储存条件下保持良好的性能，适用于不同类型的食品包装需求。最后，其良好的生物相容性和可降解性使其符合当前食品包装行业对环保和可持续发展的要求。

综上所述，本研究通过将传统皮革鞣制技术与现代食品包装设计相结合，成功开发出一种具有优异性能的活性食品包装材料。这种材料不仅能够有效提升食品的物理和化学稳定性，还能够显著改善其微生物安全性，同时具备良好的生物相容性和可降解性。这些特性使得BT-CDs/胶原蛋白薄膜在食品包装领域展现出广阔的应用前景。未来，研究者可以进一步探索该材料在不同食品包装场景中的应用，优化其性能，并推动其在实际生产中的应用。此外，还可以结合其他功能性材料，开发出更多具有特殊性能的食品包装材料，以满足日益增长的食品安全和环保需求。