报告：基于蛋白的抗菌抗氧化纳米酶用于水果保鲜

研究作者与机构

本文由 Chaoqun Zhang, Haoqian Chen, Jianxing Feng, Tianyu Wang, Yanmin Liang, Ting Du, Zhenqing Guo, Yinqiang Xia, Jianlong Wang 和 Wentao Zhang 等专家完成，主要隶属于 Northwest A&F University 的食品科学与工程学院。研究发表在《Chemical Engineering Journal》，具体刊登在其2024年第489期，编号为151515，于2024年4月21日在线发布。

研究背景

随着现代消费者对健康、环保和便利生活的需求不断增加，食品包装材料的功能化变得愈发重要。特别是在新鲜切水果领域，酶促褐变和微生物污染是主要的质量问题，但现有的低温存储或化学保鲜技术成本高昂，且可能带来环境或食品安全问题。此外，单一功能的传统包装材料逐渐不能满足需求，因此开发具有生物降解性、抗氧化性和抗菌性能的新型包装材料成为研究热点。

本研究结合了天然多糖材料（如卡拉胶）和人工纳米酶的特性，通过模拟天然超氧化物歧化酶（SOD）的活性中心，设计了一种基于牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）和铜离子（Cu²⁺）的仿生纳米酶CuBSA（Cu-Bovine-Serum-Albumin）。该纳米酶被用于开发一种低成本且易于大规模应用的功能化食品包装膜，以解决水果保鲜领域中酶促褐变与微生物污染两大难题。

研究工作流程

1. CuBSA 纳米酶的合成与表征

研究通过自组装的方法，将铜离子（Cu²⁺）与 Bovine Serum Albumin (BSA) 相结合，成功制备了 CuBSA 纳米酶。具体流程如下： - 将 25 mg/mL 的BSA水溶液与 100 mg/mL 的CuSO₄溶液混合，调节 pH 值为 7.3-7.4，并在60℃条件下搅拌反应3小时。 - 通过三次离心和蒸馏水清洗后，冻干12小时以获得 CuBSA 纳米酶粉末。

CuBSA 的形貌和化学结构被多种方法表征，包括： - 低倍透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）分析显示CuBSA由纳米片堆叠而成。 - X射线光电子能谱（XPS）及X射线衍射（XRD）分析进一步说明了Cu²⁺与BSA中的功能基团（氨基、羧基等）有效结合，形成了具有独特晶体结构的纳米酶。

2. CuBSA Sod-like 活性和抗氧化能力验证

采用NBT（Nitrotetrazolium Blue Chloride）探针实验检测CuBSA清除超氧阴离子（⋅O₂⁻）的能力。结果显示： - CuBSA 在 150 ng/mL 浓度下能够清除超过80%的超氧阴离子，在300 ng/mL 时清除率可达90%。 - 同时，CuBSA 表现出优异的热稳定性及宽pH范围活性，其性能在20℃-100℃之间几乎保持稳定。

3. 抗菌性能测试

研究分别选择革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）作为模型菌株，评估了CuBSA 的杀菌效果： - 在2小时的共培养后，大肠杆菌和葡萄球菌的存活率显著下降，200 μg/mL 浓度的CuBSA 可杀死超过95%的细菌。 - 结果表明，CuBSA 具有显著的抗菌与杀菌效果。

4. 安全性评估

为了验证CuBSA用于食品领域的安全性，研究进行了溶血实验和细胞毒性测试： - 高浓度（100 μg/mL）的CuBSA的溶血率低于5%，符合食品材料的安全标准。 - MTT实验显示，即使在高浓度条件下（100 μg/mL），细胞存活率仍超过90%，表明 CuBSA 具有良好的生物相容性。

5. CuBSA-C 复合胶膜的制备与表征

研究将CuBSA 纳米酶均匀掺入卡拉胶（Carrageenan, CR）溶液中，以3%的卡拉胶和30%的甘油为基质，制备了多种不同浓度的CuBSA-C 纳米复合膜（命名为CuBSA0.2-C至CuBSA0.8-C）。 - SEM显微图显示膜的表面和截面均呈现致密、均匀的结构，纳米酶颗粒分布均匀。 - 水接触角（WCA）测试表明，随着CuBSA的含量增加，复合膜的疏水性增强。

用于评估复合膜性能的实验包括： - 机械性能：拉伸强度（Tensile strength, TS）随CuBSA含量增加而提高，膜的伸展性（Elongation at break, EB）略有降低。 - 热稳定性：CuBSA的加入未显著改变膜的热分解温度。 - 光学性质：尽管CuBSA略微降低了透明度（从>80%降至约75%），但显著增强了膜的抗紫外性能。 - 水蒸气渗透性（Water Vapor Permeability, WVP）：CuBSA的加入降低了复合膜的 WVP，从而提高了其抗水性能。

6. 保鲜性能测试

以新鲜切片苹果和无花果为模型，验证 CuBSA-C膜的实际保鲜效果： - 外观维持：未处理组和传统PE膜包装组的样品在储存6天后发生显著变色和微生物污染，而CuBSA-C膜组的水果保持了鲜亮的颜色和良好的外观。 - 抗氧化效果：通过比色仪分析，CuBSA-C膜有效延缓了苹果的酶促褐变过程。 - 物理参数变化：CuBSA-C膜组的水果失重率和硬度变化均明显小于对照组，其优异的气体透过性和抗菌性表现出延长水果货架期的潜力。

研究结论

本研究通过结合CuBSA人工纳米酶与卡拉胶，成功研制了一种性能优异的多功能食品包装膜。该复合膜具有良好的抗氧化（SOD-like酶活性）、抗菌、机械、光学和保鲜性能。研究不仅验证了CuBSA在解决水果保鲜难题中的广泛应用潜力，还为未来可持续食品包装材料的开发提供了创新的方向。

研究亮点

1. 创新性材料：CuBSA-C是一种基于仿生设计的蛋白衍生人工纳米酶复合膜，具有天然与人工材料的优点。
2. 综合性能优越：膜材料在功能化方面（抗氧化、抗菌）以及技术指标（机械性能、热稳定性、光学性能）均表现出色。
3. 高应用价值：CuBSA-C膜低成本、易合成且环保，为解决酶促褐变与微生物污染问题提供可行的解决方案。

意义与展望

本文研究为食品行业绿色、功能化包装材料的开发提供了理论支持与技术参考。这种新型膜在食品保鲜领域的成功应用不仅响应了消费者对健康与环保的诉求，也为天然多糖与纳米酶结合的跨学科研究开辟了新路径。未来，CuBSA-C膜的规模化生产及广泛应用将进一步推动绿色食品包装技术的发展与实践。