Photocatalytic and antibacterial performance of β-cyclodextrin-TiO₂ nanoparticles loading sorbic and benzoic acids
负载山梨酸与苯甲酸的β-环糊精改性二氧化钛纳米颗粒的光催化及抗菌性能
来源：Colloid and Interface Science Communications, Volume 57, 2023, Article number 100747
《胶体与界面科学通讯》，2023年，第57卷，文章编号 100747
摘要
本研究制备经β-环糊精改性、负载山梨酸与苯甲酸两种食品防腐剂的TiO₂纳米颗粒，探究原料及改性纳米颗粒对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌效果与材料光催化性能。低浓度（0.5 mg/mL）下纯TiO₂纳米颗粒抑菌效果优于改性产物，抑菌率71%；浓度提升至3 mg/mL时所有样品抑菌效果接近，抑菌率可达90%，药剂浓度越高细菌生长速率越缓慢。流式细胞仪结果证实纳米颗粒可与菌体发生作用，纯TiO₂与细菌相互作用更显著；光催化测试中0.600 mW·cm⁻²光照150 min后纯TiO₂可降解95%亚甲基蓝染料，β-环糊精改性TiO₂的光催化速率常数仅为前者1/3。整体表明该改性纳米复合材料具备应用于食品活性包装、抑制食品微生物腐败的潜力。
关键词
β-环糊精改性二氧化钛纳米颗粒；山梨酸；苯甲酸；抗菌活性；光催化活性
研究目的
制备负载山梨酸、苯甲酸的β-环糊精-TiO₂复合纳米材料，探明改性前后纳米颗粒的抗菌与光催化性能差异，验证该复合材料用作食品活性包装原料、延缓食品微生物腐败的应用可行性。
研究思路
1. 制备未改性TiO₂纳米颗粒、βCD-SA-TiO₂、βCD-BA-TiO₂三种纳米材料；
2. 设置多梯度浓度，以大肠杆菌、金黄色葡萄球菌为受试菌，通过细菌生长曲线评价各组材料抗菌能力；
3. 采用流式细胞术检测纳米颗粒对菌体细胞结构、细胞代谢活性的影响，解析抑菌作用机理；
4. 在两种紫外辐照强度下开展亚甲基蓝光催化降解试验，对比改性前后TiO₂光催化降解效率；
5. 综合所有试验数据，评估复合纳米材料在食品防腐包装领域的应用潜力。
研究亮点
1. 利用β-环糊精空腔包合山梨酸、苯甲酸两种常用食品防腐剂，构建可缓释防腐组分的TiO₂基纳米载体；
2. 同步完成材料抗菌性能与光催化性能联合表征，明确环糊精包覆会削弱TiO₂抑菌与光催化活性，但可实现防腐剂长效缓释；
3. 结合生长动力学参数与流式细胞结果，从菌体生长规律、细胞内部结构、代谢水平多维度阐明材料抑菌机制；
4. 证实高光催化活性和优良抗菌性能存在正相关规律。
可延伸的方向
1. 将该复合纳米颗粒添加至不同高分子基材中制备实际食品包装膜，开展真实食品保鲜试验；
2. 拓展受试微生物种类，探究材料对真菌、酵母菌等食品常见腐败微生物的抑菌效果；
3. 通过元素掺杂等改性方式优化βCD-TiO₂结构，在保留缓释优势的同时提升材料光催化与抑菌能力；
4. 探究不同pH环境下复合纳米材料的防腐效果变化，适配不同酸碱度食品体系。
测量的数据及研究意义
1 细菌生长相关数据（迟滞期L、最大生长速率μ、稳定期最大OD值D，不同浓度下大肠杆菌、金黄色葡萄球菌生长曲线），数据来源于图1、图2、表2、表3；该组数据量化不同材料、不同用药浓度对两种致病菌生长的抑制程度，明确低浓度纯TiO₂抑菌更强、高浓度各类材料抑菌效果趋于一致的规律，证明药剂浓度升高可降低细菌生长速率，为材料使用添加剂量选择提供依据。
2 流式细胞检测SSC（细胞内部复杂度）、CDCF（细胞代谢活性）数据，数据来源于图3、图4、图5；SSC数据证明纯TiO₂易进入菌体胞内，环糊精包覆阻碍纳米颗粒内化，仅高浓度改性纳米颗粒可改变金黄色葡萄球菌胞内结构；CDCF数值下降说明纳米颗粒破坏细菌代谢能力，从细胞微观层面解释材料抑菌机理。
3 亚甲基蓝光催化降解动力学数据、染料降解率数据，数据来源于图6；数据表明环糊精包覆降低TiO₂光吸收效率与染料接触概率，使光催化常数下降，同时验证光照强度越高材料降解效率越高，建立光催化性能与抗菌性能的关联依据。
结论
1 TiO₂、βCD-SA-TiO₂、βCD-BA-TiO₂三种纳米材料均可剂量依赖性抑制大肠杆菌与金黄色葡萄球菌增殖，药剂浓度越高抑菌效果越好；未改性TiO₂抑菌性能最优，环糊精包覆会阻碍纳米颗粒与菌体接触，削弱材料即时抑菌能力，但可借助环糊精空腔实现防腐剂缓慢释放，长效维持防腐效果。
2 纳米颗粒可破坏细菌细胞膜结构、降低菌体代谢活性，纯TiO₂易被细菌内化进入胞内，改性纳米颗粒难以进入大肠杆菌胞内，仅高浓度条件下影响金黄色葡萄球菌细胞结构。
3 β-环糊精修饰会降低TiO₂的亚甲基蓝光催化降解能力，材料光催化活性强弱与其抗菌性能呈正相关。
4 该类复合纳米材料适合作为添加剂应用于食品活性包装领域，后续可结合高分子基材开发实际保鲜包装产品。
使用芬兰 Bioscreen仪器测量数据的研究意义
1 Bioscreen仪器测得细菌全周期生长曲线与生长动力学参数（L、μ、D），直观量化不同纳米材料在梯度浓度下对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌生长全过程的抑制作用，区分出纯TiO₂与环糊精改性TiO₂在低、高浓度区间的抑菌效果差异，弥补单一终点抑菌率检测无法反映菌体生长动态变化的缺陷。
2 依托仪器连续实时监测OD值变化得到的动力学参数，明确药物浓度提升会降低细菌最大生长速率，建立剂量-生长抑制的量化关系，为食品包装中纳米填料添加量的工艺设计提供定量实验支撑。
3 结合该仪器生长数据与后续流式、光催化数据，串联宏观抑菌表现与微观细胞损伤、材料光催化特性，完善复合材料抑菌作用的完整证据链。