综述：用于光动力食品包装的聚集诱导发光光敏剂：抗菌机制、材料创新及应用

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Aggregation-Induced Emission Photosensitizers for Photodynamic Food Packaging: Antibacterial Mechanisms, Material Innovations, and Applications

　　王文欣|孙书田|范思敏|杨庆峰|张德全|侯成利
中国农业科学院食品科学研究所，农业农村部农产品贮藏运输过程质量安全控制重点实验室，北京，100193，中国

**摘要**
**背景**
食品安全仍是全球关注的焦点，这推动了创新包装技术的发展，以保持食品品质并延长保质期。虽然主动型抗菌包装比传统的被动屏障更有效，但光动力抗菌技术通过光敏剂产生活性氧来发挥强大作用。然而，传统光敏剂在固体食品包装应用中常常因聚集导致的淬灭效应而受限。聚集诱导发光光敏剂则克服了这一限制，能够在聚集状态下显著增强活性氧的产生。

**研究范围与方法**
本综述全面分析了基于聚集诱导发光光敏剂的光动力抗菌机制，重点介绍了旨在增强活性氧生成、实现针对病原体的精准输送以及提升协同抗菌效果的高级材料设计策略。此外，还系统评估了将聚集诱导发光光敏剂整合到不同食品包装系统中的表现。

**主要发现与结论**
最新研究表明，含有聚集诱导发光光敏剂的包装系统能够通过光触发机制有效控制微生物，从而保持食品品质。尽管取得了这些成果，但要将基于该技术的包装从实验室研究转化为实际应用，仍面临监管审批和成本效益等挑战。本综述指出了关键的研究缺口，并提出了未来发展方向，以加速将这项技术转化为商业化的抗菌食品包装解决方案。

**引言**
2022年全球食物浪费量高达10.5亿吨，这一严峻现实凸显出在食品保存技术方面进行创新的迫切需求（Forbes等人，2024）。这一问题源于食品本身的易腐性以及现有包装系统的局限性，这些因素增加了微生物污染和食源性疾病的风险（He等人，2025）。世界卫生组织的数据显示，全球每年有超过200万例食源性疾病与包装污染有关。这进一步强调了开发先进食品保存技术的重要性。传统被动包装虽能提供物理屏障，但在抑制包装内部或开启后的微生物繁殖方面能力有限，无法满足日益增长的食品安全需求（Khezerlou等人，2025）。因此，开发能够主动控制微生物生长的主动型包装材料已成为食品科学和材料工程领域的研究重点（Babu，2022）。为实现主动保存，研究人员采用了多种抗菌剂，包括无机纳米粒子（如ZnO、Ag）和天然有机化合物（如精油、多酚）。虽然这些抗菌剂具有广谱杀菌效果（Rong等人，2025），但其应用往往受到一些固有缺陷的制约：可能渗入食品中、生产成本高，以及可能影响食品感官品质的非特异性相互作用（Dang等人，2024）。这些限制使得人们需要探索不会迁移、高效且能响应刺激的抗菌策略。

光动力抗菌技术作为一种非热杀菌方法，因其能在光照下产生活性氧（如单线态氧），从而对微生物造成无差别氧化损伤且不会导致其产生抗性而备受关注（Li等人，2024；Li等人，2020；Wang等人，2021）。然而，将光动力抗菌技术应用于固体食品包装薄膜时，存在一个根本性的化学难题。传统光敏剂，如卟啉和姜黄素，会受到聚集导致的淬灭效应的影响。当以高浓度掺入固体包装材料中时，这些分子容易聚集，从而导致非辐射能量耗散，活性氧生成效率大幅下降（Ni等人，2021；Wang等人，2021）。传统光敏剂的这种特性与包装材料的固态要求之间存在矛盾，这是目前的主要瓶颈。

在此背景下，具有光敏特性的聚集诱导发光分子为解决这一问题提供了理想方案。与传统光敏剂不同，聚集诱导发光光敏剂在稀释溶液中不发光，但在聚集或固态状态下由于分子内运动受限，其荧光强度会增强，同时活性氧生成效率也会显著提高（Kumari等人，2022）（表1）。这些独特的“发光”和“活化”特性使得聚集诱导发光光敏剂非常适合用于包装薄膜。自2001年诞生以来，聚集诱导发光领域发展迅速，已从基础化学扩展到材料科学、物理学、生物科学，以及越来越多的食品科学领域，显示出其广泛的应用潜力（Fang等人，2024；Hu等人，2016；Thomas等人，2014；Wu等人，2024）。

将聚集诱导发光光敏剂整合到食品包装系统中，可以带来一系列协同优势，从而克服以往的局限性。首先，由于避免了聚集导致的淬灭效应，聚集诱导发光光敏剂能够在固体包装材料中持续高效地生成活性氧。其次，其光触发机制可实现“按需”杀菌——在运输或储存过程中有效控制病原体，而在食用时则保持inactive状态（Chen等人，2025；Sun等人，2025）。第三，光动力抗菌技术的多靶点氧化机制可降低细菌产生抗性的风险，这一优势优于基于抗生素的方法。此外，聚集诱导发光光敏剂的高荧光量子产率使其有望用于多功能“诊疗一体化”包装：这类包装不仅能实现杀菌功能，还能通过视觉检测食品是否变质或包装完整性是否发生变化，从而实现实时安全监测。最后，当这些材料通过共价固定或结构封装后，其安全性极高，且几乎不会发生迁移现象（Chen等人，2025；Sun等人，2025）。

尽管具有巨大潜力，但聚集诱导发光光敏剂在食品包装中的应用仍处于起步阶段，仍有许多科学和技术难题需要进一步研究。具体而言，要从描述性研究转向严格的机制分析以及符合监管要求的设计，对于实现工业化应用至关重要。因此，本综述旨在全面介绍基于聚集诱导发光光敏剂的光动力抗菌技术的最新进展。本综述不仅对相关材料进行了分类整理，还系统分析了激发态能量管理问题，并指出共价固定是实现零迁移安全性的必要条件。通过结合全球安全标准（如欧盟第10/2011号法规），并基于单线态氧短寿命的特点提出安全分离模型，本综述旨在为将聚集诱导发光光敏剂技术从实验室概念转化为具有商业价值的新一代抗菌包装提供发展路线图。

**章节要点**
- **光动力抗菌作用下聚集诱导发光光敏剂的作用机制**：阐明聚集诱导发光光敏剂的作用机制对于充分发挥其光动力抗菌性能至关重要，尤其是在食品包装这样的复杂环境中。如图2所示，本部分系统阐述了聚集诱导发光光敏剂在光动力抗菌过程中发挥抗菌作用的核心机制，重点包括：（i）活性氧生成的原理；（ii）聚集诱导发光光敏剂与微生物结构的相互作用；（iii）增强抗菌效果的策略。
- **分子工程与协同策略**：虽然第二部分阐述了基本机制，但本部分重点介绍通过分子工程和协同策略来优化聚集诱导发光光敏剂在食品包装中的应用性能。鉴于传统光敏剂的固有局限性，本文采用分层策略：（i）通过分子内工程提高活性氧的量子产率；（ii）通过表面功能化增强对微生物的靶向性；（iii）通过分子间协同作用实现广谱杀菌效果。
- **材料创新与制备策略**：将聚集诱导发光光敏剂转化为功能性食品包装材料，需要对宏观组装和材料性能进行精确控制。本部分评估了将聚集诱导发光光敏剂嵌入功能性材料中的整合策略，以及这些策略对包装系统的结构和理化性质的影响。
- **聚集诱导发光光敏剂在食品包装中的应用**：凭借其独特的光动力抗菌和荧光特性，聚集诱导发光光敏剂在主动抗菌食品保存方面展现出巨大潜力，尤其适用于肉类、水产品、水果和果汁等食品。目前已有多种制备方法被成功应用于开发高效的基于聚集诱导发光光敏剂的包装系统，其抗菌性能十分出色（表2）。在制备基于聚集诱导发光光敏剂的抗菌薄膜方面，主要有三种核心策略。
- **关键挑战与工程前沿：迈向工业化应用**：将基于聚集诱导发光光敏剂的光动力包装从实验室创新成果转化为商业产品，是一个需要多方面优化的过程。本部分分析了抗菌效果、材料完整性和生物安全性之间的内在权衡，同时介绍了为克服这些瓶颈而开发的工程策略。
- **实际应用面临的经济与工业挑战**：将基于聚集诱导发光光敏剂的主动型包装从实验室规模的原型产品转化为商业产品，取决于其经济可行性以及能否顺利融入现有的工业体系。目前，高性能聚集诱导发光光敏剂的原材料成本相对较高，高于传统的无机抗菌剂。不过，由于在实际应用中所需的添加量极低（通常为百万分之一级别），这一初始成本可以被有效控制。

**结论与展望**
将聚集诱导发光光敏剂整合到光动力食品包装中，代表了从传统的被动屏障向主动、智能的抗菌系统的重大转变。本综述系统阐述了这一新兴领域的核心机制、材料创新以及实际应用中的挑战。为了加快从实验室创新到工业化应用的进程，我们提出了针对性的设计指南、核心性能指标以及可规模化的转化路径。

**未引用参考文献**
Chen等人，2025；Chen等人，2025；EUR-Lex；EUR-Lex；Liao等人，2020；MFDS第2020-43号通知；Wang等人，2024；Wu等人，2023；Yao等人，2024；Zhang等人，2025；Zhang等人，2025；Zhang等人，2025；Zhu等人，2025。

**CRediT作者贡献说明**
王文欣：概念构思、研究实施、正式分析、初稿撰写。孙书田：研究实施、审稿与编辑。范思敏：研究实施、审稿与编辑。杨庆峰：项目管理、资源协调。张德全：项目管理、监督、审稿与编辑。侯成利：概念构思、资金获取、监督、审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明不存在利益冲突。

**数据可用性**
数据将应要求提供。

**致谢**
本研究得到了中国国家重点研发计划的支持，项目编号为2024YFD2101600。