学术报告

一、研究作者、单位及发表信息

这篇研究文章名为“Nanocellulose-based polymeric nanozyme as bioinspired spray coating for fruit preservation”，由Lunjie Huang、Da-Wen Sun、Hongbin Pu、Cuiyun Zhang和Daorui Zhang等学者共同完成。作者主要来自华南理工大学食品科学与工程学院、现代食品工程研究院、广东省冷链食品智能感知与过程控制工程技术研究中心，以及爱尔兰国立大学都柏林学院。文章发表于《Food Hydrocolloids》，在2022年9月15日在线发布。

二、研究背景及目标

该研究处于食品包装及保鲜技术领域，其主要科学背景包括： 1. 食品微生物安全与环境污染问题：随着全球化贸易加剧，从收获后处理到市场消费的多个环节中存在食品污染风险，这不仅对公众健康构成威胁，也加剧了环境问题。
2. 塑料包装的局限性：现有食品包装大多依赖石化资源，但这种方式带来的塑料污染问题引发广泛争议。
3. 绿色包装材料的兴起：近年来，随着可再生资源和生物基多功能复合材料的发展，更多可持续、功能性包装材料被引入。

纳米纤维素是一种来自自然界的材料，因其低密度、生物降解性、丰富的可修饰表面化学性质，以及卓越的机械性能，被认为是食品包装领域的重要候选材料。然而，传统抗菌物质（如植物提取物和精油）或天然酶往往成本较高且性能不稳定。因此，纳米酶（nanozyme）作为一种具有酶模拟特性的纳米材料，因其低成本、抗复杂环境能力强、多功能性和易于合成等特点成为研究热点。

本研究首次提出将纳米纤维素与模拟酶（金属有机框架-MOF）结合，制备具有双重酶活性质的复合纳米酶（CNF@Ce-MOF），探索其作为果蔬喷涂保鲜涂层的潜力。研究目标在于： 1. 开发CNF@Ce-MOF复合纳米酶，并验证其酶模拟特性和抗菌性能； 2. 将其应用于香蕉和芒果涂层实验，研究其延缓果蔬腐败的效果； 3. 探讨其作为食品活性包装材料的实际应用潜力。

三、研究流程

该研究整体可分为以下几个步骤，包含材料制备、性能测试和应用实验：

1. CNF@Ce-MOF制备

• Ce-UIO-66的合成：首先，通过溶剂热法利用Ce（IV）和1,4-苯二甲酸（H2BDC）实现Ce-UIO-66晶体的合成。通过沉淀洗涤和干燥，得到Ce-UIO-66白色粉末。
• CNF@Ce-MOF的制备：采用一步生物矿化技术，通过将Cerium（IV）离子与羧甲基纤维素纳米纤维（CNF）表面羧基和羟基进行吸附和配位，再加入H2BDC配体形成MOF结构，最终得到蜘蛛网状的CNF@Ce-MOF纳米纤维。

2. 物理和化学表征

• 采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射分析（PXRD）、红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）以及紫外-可见光谱仪（UV-Vis）对材料的结构、形貌、化学键和热稳定性进行表征。
• SEM显示Ce-MOF在CNF表面形成均匀分布的纳米点；PXRD和FT-IR证实复合材料中MOF为无定形态。

3. 酶模拟活性评估

• 过氧化物酶样活性（Oxd-like activity）：通过3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）的氧化实验显示CNF@Ce-MOF能在催化反应中生成具有杀菌能力的活性氧（ROS）。
• 三磷酸腺苷酶样活性（Apyrase-like activity）：通过色谱分析发现，CNF@Ce-MOF可高效水解三磷酸腺苷（ATP），破坏细菌能量代谢。

4. 抗菌性能测试

• 选取三种常见食源性致病菌（大肠杆菌O157:H7、金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）进行抗菌测试。结果显示CNF@Ce-MOF对这三种菌株的杀菌率分别高达90.46%、86.91%和82.9%，显著优于单一的Ce-MOF。

5. 果蔬保鲜实验

• 使用喷涂方法将CNF@Ce-MOF水溶液均匀涂覆于香蕉和芒果表面，与未涂覆、单一纳米纤维素（CNF）和Ce-MOF涂层样品进行对比，观察存储过程中水果的外观、失水率和硬度变化。

四、研究结果解析

1. 物理和化学特性
   SEM和XPS表明，CNF@Ce-MOF为一种纤维状复合材料，其MOF结构为无定形态。TGA测试证实其热稳定性良好。

2. 酶模拟性能
   CNF@Ce-MOF表现出优异的双重酶模拟活性，可通过ROS生成和ATP水解实现细菌的高效杀灭。

3. 抗菌效果
   抗菌实验表明，CNF@Ce-MOF对广谱细菌具有优异的灭菌效果，并通过破坏细胞能量代谢及诱导程序性细胞死亡实现高效杀菌。

4. 果蔬保鲜
   涂覆CNF@Ce-MOF的香蕉和芒果在存储过程中表现出显著的抗腐败能力，果实的失水率降低，硬度保持良好，腐败和变色现象明显延缓。

五、研究结论及意义

该研究通过基于纳米纤维素与MOF的生物矿化技术，成功开发了双酶活复合纳米酶涂层材料。研究成果表明，CNF@Ce-MOF不仅可提升食品包装的抗菌功能，还具有良好的紫外线阻隔能力和生物相容性，显著延长果蔬的货架期。这些优势为未来食品、农业及生物医学领域的活性包装技术开发提供了新的思路。

六、研究亮点

1. 首次将MOF纳米酶与纳米纤维素结合，用于食品保鲜涂层的开发。
2. 材料同时具备优异的氧化酶和三磷酸腺苷酶模拟活性，杀菌机制新颖。
3. 实验展示了长期稳定的抗菌性能和保鲜效果，尤其适合高附加值果蔬的存储。

七、研究的潜在应用

CNF@Ce-MOF的应用前景包括： 1. 作为果蔬保鲜涂层，延长鲜食品货架期； 2. 用于食品包装薄膜的开发，阻隔氧气与水分； 3. 引入其他功能纳米酶，以进一步提升涂层性能。

该研究开创了基于纳米纤维素与金属有机框架复合材料的纳米酶活性包装技术，为解决食品储存和全球塑料污染问题提供了重要参考。