光催化氢气熏蒸技术增强型用于香蕉包装的鱼鳞明胶/壳聚糖纳米复合薄膜

研究亮点

- 设计了光催化氢气熏蒸结合鱼鳞明胶/壳聚糖-3%纳米粒子（FSG/CS-3% NPs）薄膜的保鲜策略。

- 掺杂铂/二氧化钛纳米粒子（Pt/TiO₂ NPs）增强了鱼鳞明胶/壳聚糖（FSG/CS）薄膜的抗菌、阻隔和机械性能。

- FSG/CS-3% NPs薄膜具有生物安全性，并能在12天内降解。

- 对香蕉进行光催化氢气熏蒸可提高其抗氧化能力。

摘要

农产品的浪费催生了对改进食品保鲜技术的需求。在此，我们提出一种创新的双重保鲜策略，将铂/二氧化钛光催化氢气熏蒸与鱼鳞明胶/壳聚糖（FSG/CS）纳米复合薄膜包装相结合，以延长香蕉的保鲜期。通过将铂/二氧化钛纳米粒子（NPs）掺入FSG/CS基质中，制备出了FSG/CS-3% NPs薄膜，显著增强了其抗菌、机械、阻隔和疏水性能。该薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性超过99%，拉伸强度提高了49.1%，水蒸气透过率（WVTR）和氧气透过率（OP）降低，水接触角（WCA）达到117.4°，展现出优异的疏水性。该薄膜还具有高生物安全性（细胞存活率>99.3%），并能在12天内完全生物降解。光催化产氢仅需水，在氙灯（300瓦）照射下3分钟内可产生4.5ppm的氢气。这种策略使香蕉的储存期延长了8天以上，因为光催化氢气处理增强了抗氧化酶活性，减少了脂质过氧化和活性氧（ROS）的产生，并减缓了生理代谢，而FSG/CS-3% NPs薄膜包装则抑制了微生物的生长。这种光催化氢气增强的FSG/CS纳米复合薄膜为水果保鲜提供了一个很有前景的解决方案。

引言

食物浪费是一个全球性的重大挑战，近40%的易腐水果和蔬菜在到达消费者手中之前就损失掉了，主要原因是收获后的快速变质[1,2]。这一危机与联合国可持续发展目标（SDG 12.3）中到2030年将食物浪费减半的目标直接相悖[3]，而据联合国粮农组织（FAO）的报告，传统塑料包装占全球聚合物废弃物的36%，这加剧了环境负担[4]。香蕉是热带地区富含营养的主食，体现了这一双重挑战：它们的保质期短（室温下为3至7天），这是由生理腐烂和微生物生长导致的[5,6]，然而目前的保鲜方法往往依赖于不可回收的材料或具有生态毒性的化学物质[7,8]。这些局限性凸显了迫切需要创新的、可持续的保鲜技术，以同时解决减少食物浪费和环境保护的问题。

新兴的绿色技术显示出解决这些相互关联问题的潜力。分子氢（H₂）已被证明在减轻生物系统中的氧化应激方面具有独特的能力[[9], [10], [11]]，但传统的氢气输送方法（如压缩气瓶）面临着规模化的限制。最近，使用铂掺杂的二氧化钛纳米粒子（Pt/TiO₂ NPs）进行光催化产氢的进展提供了一种可持续的解决方案，它利用太阳能按需产生氢气[[12], [13], [14]]。然而，光催化产氢在食品保鲜中的应用仍未被探索，这是一个具有巨大潜力的关键研究空白，有望减少收获后的损失。与此同时，全球向循环包装经济的转变推动了可生物降解薄膜的创新，鱼鳞明胶（FSG）/壳聚糖（CS）复合材料作为石油基塑料的可持续替代品应运而生[15,16,17]。然而，它们有限的机械强度和抗菌效果需要进一步优化。

在此，我们提出一种双效策略，将光催化氢气处理与纳米复合薄膜相结合（示意图1）。通过将Pt/TiO₂ NPs嵌入FSG/CS基质中，成功制备出了FSG/CS-NPs薄膜。本研究实现了以下目标：（1）将纳米复合薄膜介导的代谢抑制与氢气熏蒸增强的抗氧化酶活性（超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX））相结合的协同保鲜作用，使香蕉的保鲜期延长了8天以上；（2）制备出一种多功能纳米复合薄膜，具有超高的抗菌活性（>99%）、优异的阻隔性能、快速的生物降解性以及经证实的生物安全性。我们的方法通过将废弃物增值利用（利用鱼类加工副产品）与节能保鲜相结合，直接响应了可持续发展目标12，同时消除了传统方法中与微塑料相关的风险[]。据我们所知，这项研究首次展示了使用Pt/TiO₂ NPs光催化产氢用于水果保鲜，为下一代食品保鲜技术提供了有价值的见解。