金属有机框架材料在食品包装中的应用

汪明莹，窦西琳，丁兆阳,*，谢 晶,2,3,*

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306；3.食品科学与工程国家级实验教学示范中心（上海海洋大学），上海 201306）

食品可分为植物性食品（如水果和蔬菜、谷物类产品）以及动物性食品（如肉类食品）。由于微生物污染、酶降解、氧化、乙烯过量、水分含量过高等原因，食品会发生腐败变质[1]。其中肉类和鱼类产品因营养丰富且含有较多的微生物，极易发生变质[2]。食品工业中常需采用一些保鲜技术避免食品变质，维持食品贮藏品质[3-4]。但现有技术的保鲜效果有待提高，且可能带来环境污染问题[5]。因此能够抑制微生物生长且延长食品保质期的抗菌材料成为了食品包装中的研究热点，如通过改善食品包装材料的性质，以延缓食品品质的劣变[6]。

金属有机框架（metal-organic frameworks，MOFs）是一类由金属离子和有机配体通过配位组装而成的材料，具有灵活的结构和独特的性能[7-8]。MOFs具有高孔隙率和高比表面积，孔隙形状多样，近年来MOFs相关的文献报道急速增加[9]。选择合适的有机配体结构和形状可以控制孔隙组成和孔体尺寸，从而构建具有一定孔隙率和比表面积的骨架。MOFs早期主要被用于气体的储存、催化和分离[10]。部分MOFs具有抗菌特性，可以作为抗菌剂的储存库。如MOFs被用作银、锌、铜或镍等金属离子的储存库，利用MOF骨架的分解，逐渐释放金属离子，以提供持久的抗菌活性，实现抗菌的持久性[11]。此外，MOFs可以将抗菌物质封装在其结构中。与负载金属离子的天然或合成的传统材料相比，MOFs的优势在于活性金属位点分布均匀[12]。使用生物抗菌剂和防腐剂可以提高食品贮藏品质和安全性。天然食品防腐剂对人体无毒害、对环境影响小，但大多数天然食品添加剂化学性质不稳定。因此，可通过MOFs来封装天然食品防腐剂，以提高异硫氰酸烯丙酯（allyl isothiocyanate，AITC）、百里香酚（thymol，THY）等天然成分的稳定性，所以MOFs可以作为一种新的传递或载体系统，封装和控制挥发性抗菌成分的释放，以达到持久的抗微生物效果。

目前MOFs已被成功用于气体的储存、分离和释放。一般氢气、氧气、二氧化碳和甲烷等气体分子很容易穿过MOFs表面并进入多孔结构的内部[13-17]。乙烯常被用于加速水果和蔬菜的成熟，但乙烯的可燃性和爆炸性限制了其在高剂量下的广泛应用。因此，合成纳米或微米级的乙烯储存和释放剂是食品保鲜的潜在方式[18-19]。此外，去除食品中过多的水分、氧气和二氧化碳一直是食品保鲜研究中的关键。MOFs固体吸附剂的晶体结构和高表面积使其可以去除食品包装顶空中的残留水和氧气。基于此，本综述介绍MOFs抗菌性的应用和基于气体吸附性能的MOFs包装膜，旨在为MOF在食品包装中的应用提供参考。

1 MOFs抗菌的应用

1.1 MOFs抗菌机理

MOFs的结构多样性来自于金属离子或簇的多样性以及不同的有机配体，MOF特定的物理和化学性质（如金属离子或有机物质的缓慢释放、光催化等）使其具有较好的抗菌活性。MOFs的抗菌机制可分为金属离子释放、有机配体释放、抗生素负载、气体负载等[20-21]。

Ln3＋、Al3＋、Zr4＋、Ag＋、Zn2＋、Cu2＋、Ni2＋、Ti3＋等金属离子已广泛应用于抗菌材料中[22-23]。MOFs可以作为金属离子储存库，MOFs骨架逐渐分解并释放金属离子，提供持久的抗菌活性。抗菌分子可以两种方式加入到MOFs中：1）与金属位点配合形成MOF晶体；2）通过后合成方法引入到预先形成的MOFs的有机配体上[24]。MOFs可在框架降解过程中释放具有抗菌作用的有机配体，进而破坏细胞膜，抑制和灭活微生物，也可以通过光催化产生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）来灭活细菌。MOFs的各种抗菌有机配体赋予它们许多不同的抗菌机制。MOF纳米颗粒通过破坏微生物细胞膜、抑制微生物必需酶活性或促进DNA降解使微生物失活，这与MOF纳米颗粒的形状、表面电荷和表面化学性质有关。MOF纳米颗粒的形状可以通过改变金属和配体的类型和比例、其合成中使用的方法以及化学调节剂来改变。孔隙通常被认为是MOFs最独特和最有价值的结构特征。大多数抗菌MOFs利用稳定且规则的孔隙来装载抗菌物质，如气体、抗生素、杀菌剂，随后自发释放，从而通过光催化产生ROS和光热效应[25]。

近年来，在MOFs的应用中，其在食品基质中的稳定性是相关研究的重点之一[26]。因为MOFs的稳定性与键的强度和连接剂的数量有关，通常会利用Ln3＋、Al3＋、Zr4＋、Ti3＋等高价金属离子配羧基配体可以有效提高其稳定性。刘瑶瑶[26]利用锆基卟啉MOFs与聚己内酯（polycaprolactone，PCL）合成了抗菌薄膜PCL/MOF-545分析苹果中是否存在抗菌膜中锆离子的迁移，将每组苹果浆液均质处理后，采用电感耦合等离子体质谱检测锆离子，结果表明包覆有PCL/MOF-545抗菌膜组的苹果与空白组和PCL组的苹果中均无锆离子检出，证明此抗菌薄膜用于鲜切苹果抗菌保鲜时，在7 d内无金属离子释放。由此可知，MOFs材料有很强的稳定性，其在食品中的应用是安全无害的。

1.2 基于MOFs金属离子的抗菌性能

微生物污染是食品贮藏期发生腐败变质的主要原因之一。由于MOFs独特的空间结构，其可以作为金属离子的储存库，MOFs通过其骨架逐渐分解释放金属离子，具有较为持久的抗菌性[11]。金属纳米粒子的抗菌机制在于其释放的金属离子可以穿过细胞膜，造成细胞损伤，而且金属纳米粒子在与细菌细胞壁相互作用时可以不断释放这些金属离子[27]。目前，研究人员普遍认为MOFs的抗菌机制与金属离子相似，如产生ROS、改变离子平衡、破坏细胞壁、与蛋白质巯基相互作用、使基本酶失活等[12,28]。且MOFs可能具有比单一金属离子更好的抗菌性能，通过修饰MOFs可以实现其抗菌性的应用[29]。MOFs是多孔混合材料，可以使用各种化学构件形成具有所需特性的结构，并具有与金属/金属氧化物纳米颗粒类似的持续抗菌效果[30]。基于MOFs金属离子的抗菌性能如表1所示。

表1 基于MOFs金属离子的抗菌性能Table 1 Antibacterial activity of metal ions based on MOFs

1.2.1 Ag-MOFs的抗菌性能

银离子具有抗菌作用。银基抗菌材料可以释放银离子，通过银离子与微生物相互作用达到杀菌效果[44-45]。Duan Chao等[46]合成了一种新型的纤维素基抗菌材料，即银纳米颗粒@铜基金属有机框架HKUST-1@羧甲基化纤维复合材料（silver nanoparticles@metalorganic frameworks HKUST-1@carboxymethylated fibers composites，Ag NPs@HKUST-1@CFs），Ag NPs被固定并很好地分散在HKUST-1空隙或表面，抗菌实验表明，此复合材料比Ag NPs@CFs或HKUST-1@CFs样品具有更高的抗菌活性。

Zhang Yuancheng等[47]开发了一种新型的合成方法，通过Ag-MOFs和CS的交联合成了Ag-MOFs@CS，提高了银基Ag-MOFs的水稳定性和长效抗菌性。在木瓜表面喷洒Ag-MOFs@CS悬浮液可以将其保质期延长至14 d，而未经处理的木瓜在贮藏第7天就发生了霉变。由此可知，Ag-MOFs可应用于水果保鲜，此方法是一种绿色环保的农产品保鲜技术。

Lu Xinyi等[31]合成了两种新型Ag羧基金属有机框架。结果显示，两种银基复合材料都表现出了抗菌活性，其中银基多孔薄膜的抗菌活性高于银基纳米颗粒。该研究团队认为Ag-MOF的抗菌机制可能包括打破离子平衡、破坏离子通道、破坏膜的完整性、细胞内化、DNA断裂以及与蛋白质巯基的相互作用等。

1.2.2 Cu-MOFs的抗菌性能

Jo等[48]合成了4 种3D Cu-MOFs并在生理盐水中测试每种MOFs对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抑制作用，研究结果表明Cu-MOFs通过附着于细菌表面，从而使细菌膜上的蛋白质和脂肪酸被Cu-MOFs活性位点氧化和破坏，该材料具有良好的抗菌性。Neufeld等[43]将Cu-苯-1,3,5-三羧酸金属有机框架（copper(II) benzene-1,3,5-tricarboxylate metal-organic framework，CuBTC）固定在纤维蛋白上，以实现对改性纺织品的洗涤和再利用，形成了一种制造抗菌纺织品的新途径；由于CuBTC在水中不稳定，将在水中较稳定的Cu-BTT与CS混合制备CS/Cu-BTT薄膜，有效抑制了铜绿假单胞菌的生长。

1.2.3 Zn-MOFs的抗菌性能

Zn2＋是一种低毒性的内源性过渡金属阳离子，具有去屑、抗菌和消炎等特性，同时壬二酸也具有抗菌和抗炎特性，常被用于治疗痤疮[28]。Tamamea-Tabar等[38]通过水热法合成了一种新的具有生物活性的MOF，含有锌盐和壬二酸，将其命名为BioMIL-5；结果表明，900 mg/L BioMIL-5可明显抑制表皮葡萄球菌的生长。此外，BioMIL-5在水和细菌培养基中都很稳定，特别是BioMIL-5能够在水中缓释壬二酸和Zn2＋。BioMIL-5的高稳定性和抗菌性使其在生物学、护肤品和化妆品领域具有良好的应用前景。

1.3 包埋天然高分子的MOFs抗菌包装

食源性细菌是造成食源性疾病的主要原因。因此，近年来抗菌食品包装膜的研究受到了广泛关注[49]。抗菌食品包装膜作为一种有效的物理屏障，可以防止细菌的入侵，延长食品的保质期[50]。MOFs可以作为一种添加剂应用到食品包装中，以提高包装食品的保质期、贮藏品质和安全性。现有研究表明，MOFs在食品包装中应用广泛（表2）。将抗菌剂与多孔MOFs材料相结合被认为是制备抗菌食品包装膜的一种有效方法[51]。MOFs还具有选择性地解吸或吸收生物活性化合物的潜力，更适合于轻度加工食品的活性包装。因此，MOFs可作为一种环保的食品包装材料[52-53]。

表2 MOFs在食品包装中的应用Table 2 Application of MOFs in food packaging

万古霉素（vancomycin，VAN）是一种糖肽类抗生素，能用于抑制金黄色葡萄球，但目前已存在对VAN产生耐药性的金黄色葡萄球菌菌株。基于此，Chowdhuri等[60]设计了一种能与VAN共轭的叶酸（folic acid，FA）用于修饰聚合物纳米粒子以抑制耐VAN金黄色葡萄球菌。此外，与对照组相比，MIC（8 μg/mL）和MBC（16 μg/mL）ZIF-8@FA@VAN分别使金黄色葡萄球菌的细胞活力降低38.57%和84.03%。头孢他啶是一种强效抗菌剂，Sava Gallis等[61]将其成功地包封在ZIF-8中并证实该复合材料可以持续释放头孢他啶，同时对大肠杆菌培养物具有良好的抑制效果。

Huang Guohuan等[54]通过多孔纳米MOFs和CMFP的化学组合，构建了复合生物制剂的载体。采用纳米MOFs@CMFP包封姜黄素，结果表明，载有姜黄素的纳米MOFs@CMFP薄膜具有良好的抗氧化和抗菌活性，可以延长火龙果保质期，该复合材料具有用作超长效食品保鲜剂的潜力，并且姜黄素的释放是可控的，在开发长效、稳定的食品保鲜薄膜方面具有良好的应用前景。

1.4 包埋动植物精油的MOFs抗菌包装

食品安全问题是全球性问题，主要挑战之一是减少合成食品防腐剂的使用。天然防腐剂被认为毒性较小，消费者接受程度较高。人们对植物来源的抗菌剂精油或其天然生物活性化合物作为在食品保鲜中的潜在应用[62-64]兴趣浓厚。

天然植物化合物是一个巨大的生物活性化合物宝库，其中一些具有抗菌特性。一些报告显示，天然植物化合物具有多种抗菌机制，包括破坏细胞膜和阻止核酸或细胞壁的合成。AITC是十字花科植物（如芥末、西兰花、辣根和卷心菜）精油的主要成分，被广泛用作天然食品调味剂。AITC在低浓度使用时可以抑制多种食源性病原体和腐败微生物（包括酵母和霉菌）的生长[65]；然而，AITC性质不稳定，可能与一些食品成分（如水和氨基酸）发生反应或结合，因此需要大量使用保证抗菌活性，而这可能对食品的感官特性产生负面影响[66]。而MOFs可作为传递或载体系统封装和控制挥发性AITC的释放。Wang Hao等[55]研究发现，通过控制相对湿度可以有效控制MOFs中AITC的释放。此外，3 种MOFs（HKUST-1、MOF-74(Zn)和R/MIN6-Zn）作为新型传递系统，在有效捕获和控制释放AITC方面具有良好的可行性[67]。吸附-解吸数据的结果表明，在低相对湿度（30%～35%）下，AITC封装并保留在所有3 种MOFs的孔隙中，而高相对湿度（95%～100%）条件则会触发控制释放。因此，AITC-MOF可用于开发食品防腐剂。

采用含有铁离子的MOFs装载Cap，并制作成含有明胶和CS的复合包装膜Cap-FeIII-HMOF-5，将其涂在新鲜苹果果块上观察保鲜效果，结果表明在贮藏第5天苹果果块上仍未出现细菌腐败和以及氧化现象，证明这种复合包装膜可以有效延长鲜切苹果块的保质期[68]。

百里香中的挥发性成分THY具有杀虫、抗菌和抗氧化的活性。由于其具有酚羟基，THY可以破坏革兰氏阴性细菌的细胞膜，并破坏原核细胞细胞质中的无机离子平衡[69-70]。此外，THY可以通过干扰参与腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）合成的酶来破坏柠檬酸盐代谢途径，从而抑制细胞活性，具有作为食品防腐剂的潜力。然而，THY的应用受到其不良气味和低溶解度的限制，因此THY常被开发为含有THY的胶束或纳米颗粒。Min Tiantian等[56]开发了含有THY的THY@PCN-244/PUL/PVA薄膜用作草莓和葡萄的抗菌包装，该薄膜包裹的草莓和葡萄贮藏7 d没有变质，而对照组出现了霉菌生长，由此可知该薄膜具有良好的抗菌性。

2 基于气体吸附性能的MOFs包装膜

2.1 吸附乙烯的MOFs包装膜

乙烯是一种天然的成熟激素，对植物的生长和发育有很大影响[18]。收获后，水果和蔬菜在其新陈代谢中产生内源性乙烯。当乙烯水平增加时，水果和蔬菜将加速成熟，过度软化，使贮藏期缩短。因此，控制水果中乙烯含量具有重要意义。纳米技术的发展及其应用为水果和蔬菜的保存提供了更好的方法。MOFs已经被成功地用于气体的储存、分离和释放。Guan Yongguang等[71]开发了乙烯气体的储存和释放系统。该系统由MOF核心和海藻酸铁外壳Al-MOF@Alginate-Fe组成，以200 mmol/L柠檬酸钠溶液作为加速剂，控制乙烯的释放。Al-MOF@Alginate-Fe(III)被浸入200 mmol/L柠檬酸钠溶液中，在2.5 h内有效解离，Al-MOF晶体几乎完全释放，随后在3 h内逐渐释放乙烯[72]。Al-MOF@Alginate-Fe(III)基质暴露在柠檬酸钠溶液中可以按需释放乙烯。Nian Linyu等[58]将天然锁水因子Cer封装在MHKUST-1中，合成了一种具有乙烯吸附、锁水扩展和杀菌等多种功能的复合防腐材料Cer@MHKUST-1。结果显示，Cer@MHKUST-1表现出很强的乙烯吸附性能，并且在Cer和水之间形成氢键，防止水分渗透到Cer双分子层中。Cer@MHKUST-1对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌显示出良好的抗菌性能，抑制率分别为100.00%和99.96%。此外，Cer@MHKUST-1在草莓和西红柿贮藏过程中均表现出良好的抗菌效果，表明Cer@MHKUST-1可以用于水果保鲜。因此，Cer@MHKUST-1是一种可延长易腐败食品保质期的材料，有广泛的应用前景。这种基质提供了一种潜在水果包装材料，水果中的乙烯可以被精确控制，并在收获和销售后释放，避免了水果等农产品的过熟。

Li Han等[73]研究发现α-环糊精（α-cyclodextrin，α-CD）-MOF-Na和α-CD-MOF-K两种金属有机骨架材料对乙烯气体表现出优异的吸附能力和储存稳定性，其吸附过程如图1A所示。α-CD-MOF-Na和α-CD-MOF-K对乙烯包封率分别达到47.4%和52.9%（质量分数），显著高于α-CD和其他材料。Chopra等[18]研究了Basolite C300对乙烯的吸附和释放性能，Basolite C300具有超细多孔结构，乙烯与Basolite C300的亲和力较高。因此，可将乙烯封装在Basolite C300中用作调控水果和蔬菜采后品质的活性包装，以保持采后水果的贮藏品质。另一方面，控制诸如香蕉等气候性水果的成熟进程减少收获后的损失，还能为消费者提供更高品质的产品。因此，成熟过程开始后减缓熟化或在消费前加速熟化的技术具有广阔的市场前景[44]。Zhang Boce等[13]采用溶热法合成了Cu-TPA用于乙烯的储存和释放，如图1B所示。结果表明，50 mg Cu-TPA可以吸收并释放高达654 μL的乙烯，加速水果的成熟，并保持相对安全的乙烯水平。

图1 α-CD-MOF吸附乙烯（A）[73]和Cu-TPA包封乙烯（B）[13]示意图Fig.1 Schematic diagram of the CD-MOF used for ethylene adsorption (A)[73]and ethylene-loaded Cu-TPA (B)[13]

MOFs因其具有的较大的表面积可以吸附和储存己醛。在这一项研究中，使用蒸气扩散法合成了含有CD的MOFs，并将己醛装载在MOFs中。结果显示，用含有己醛的MOFs处理芒果后芒果保质期可延长至15 d，而对照组的果实在10 d内就会变质[57]。

2.2 吸附氧气和水分的MOFs包装膜

由水分和氧气引起的氧化反应导致食品在短时间内发生变质和酸败。氧气导致脂肪和油的氧化酸败，以及食品的非酶性变色。脂类的氧化还产生导致恶臭和食物异味的化合物。氧气还会促进微生物的生长，传统的食品包装系统和真空包装并不能完全去除氧气，氧气在食品包装顶空体积分数仍有0.5%～2.0%[74]。MOFs的多孔结构具有很强的吸附性能，可以作为吸附剂去除食品包装顶空中的氧分子。此外，食品包装中过多的水分对食品的贮藏品质是不利的，因此在食品包装中加入吸湿剂十分必要[75]。食品包装中涉及的吸湿通常为物理吸附[76]。MOFs经化学改性后可以表现出较高的吸水能力[77-78]。Kim等[79]证明了MOF-801具有较强的吸水能力，即使在相对湿度为20%的情况下也能通过自然光照收集水分。Bae等[59]成功制备了疏水性环烯烃共聚物和基于MOF-801的富水包装膜，MOF-801的添加使薄膜的抗水渗透能力得到增强，这为探索基于MOFs的薄膜在食品包装行业的应用提供了途径。

由于MOFs具有良好的吸附性能和较低的毒性，可以直接应用于食品类油和饮料[80]。在一项研究中，Liu Manshun等[57]使用半胱氨酸功能化的UiO-66(NH2)@Au-Cys复合材料作为吸附剂，去除苹果汁中棒曲霉素（patulin，PAT），结果表明，苹果汁中PAT的最大去除率为87%，这可能是由于UiO-66(NH2)@Au-Cys复合材料表面存在丰富的活性点，包括胺基、羟基和羧基。用这种复合材料处理的苹果汁中PAT的浓度可以达到世界卫生组织推荐的标准。同时，苹果汁中的营养物质，如苯酚和VC，没有表现出明显的损失。

2.3 吸附二氧化碳的MOFs包装膜

高体积分数（约60%～80%）的CO2常被用于气调包装。据报道，高体积分数CO2对食品微生物有害，并延迟水果和蔬菜的呼吸。CO2的体积分数也会因为聚合物薄膜的扩散性而发生变化[81]。然而，并不是所有的食品都可以贮藏在CO2环境中，因为长期贮存会导致产品品质的变化。咖啡和烤坚果等食品会释放CO2，需要引入CO2吸收剂，以防止包装膨胀并最终爆裂。碱性溶液和盐类早期常被用作CO2吸附剂，例如氢氧化钙和碳酸钠[74]。氧化钙也被用于吸收新鲜农产品运输货箱中的CO2。其他物理CO2吸附剂也有报道，如沸石和活性炭。然而，这些物理吸附剂孔隙体积、孔隙表面积有限，在应用中一般会受到影响[82-84]。由于具有超高的孔隙率，MOFs已被应用于CO2吸附[19]。MIL-101是一种具有高孔隙率的典型MOF，Shin等[85]将聚乙烯胺（polyvinylamine，PVAm）负载在MIL-101上，得到的PVAm@MIL-101表现出高选择性（CO2/N2）和在低压下对CO2的吸附能力。此外，PVAm(0.7)@MIL-101（PVAm体积为MIL-101总孔体积的70%）在298 K时的吸附选择性和容量分别是原始MIL-101的11.0、2.5 倍。Kang等[86]通过将聚乙烯亚胺浸渍在锆基金属有机框架NU-1000的孔隙中，可以获得高CO2/N2选择性复合材料。类似地，含有聚醚酰亚胺（polyetherimide，PEI）的吸附剂PEI(50)@NU-1000具有最高的CO2/N2选择性。此外，这种PEI(50)@NU-1000可以动态地有效分离CO2/N2混合物。Park等[87]用乙二胺四乙酸修饰了一种稳定的Zr基材料MOF-808，并进一步与乙二胺反应；最后，通过用铝氢化锂还原，在MOF上引入多个官能团，并将这些MOF应用于低压下的CO2吸附。Mohamedali等[88]研究了1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐对HKUST-1 CO2捕获性能的影响。用质量分数5%的1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐制备的复合吸附剂在303 K和0.015 MPa的低压区表现出最高的CO2吸附能力，几乎是原HKUST-1的2 倍，此外，bmimAc@HKUST-1复合材料也具有优异的吸附性能。CO2释放系统已在食品系统中得到充分研究，已有研究分析了CO2对鳕鱼[89]和鸡肉[90]贮藏品质、保质期和包装尺寸的影响。在后续研究中可将MOFs与柠檬酸或VC等吸附二氧化碳的材料相结合用于食品的包装。MOFs材料对乙烯和CO2的吸附性能如表3所示。

表3 MOFs材料对乙烯和二氧化碳的吸附性能Table 3 Adsorption properties of MOF materials for ethylene and carbon dioxide

3 结语

为了进一步提高食品安全质量，有必要在食品从产地至餐桌的各个阶段做到检测、控制和消除危害和风险。MOFs由于其独特的化学和物理属性而成为潜在的媒介之一。本综述讨论了MOFs的作用，如作为抗菌剂、抗氧化剂、氧气清除剂、乙烯清除剂。但目前MOFs也存在一些缺陷，如制造成本高、回收率较低、低容量等，这些问题限制了MOFs在食品包装中的商业化应用。鉴于MOFs材料良好的抗菌性、吸附性和稳定性，后续的研究可集中在利用静电纺丝、3D打印等技术合成纳米MOFs活性包装材料，将其应用于水果等农产品中，开发商业化活性包装或具有活性功能的薄膜、涂层材料，保持薄膜原有的机械性能和屏障性能，同时确保活性剂在包装材料运输、贮存和处理的整个过程中的活性，以提高食品的安全性、贮藏品质和保质期。