纳米酶抗菌活性的最新进展及在食品保鲜中的应用
Critical Reviews in Food Science and Nutrition ( IF 11.208 )
Pub Date : 2022-04-22
DOI: 10.1080/10408398.2022.2065660
Yan Fang 1, 2 , Wanfeng Wu 1, 2 , Yanan Qin 1, 2 , Haoqiang Liu 1, 2 , Kang Lu 1, 2 , Liang Wang 1, 2 , Minwei Zhang 1, 2
Affiliation
College of Life Science & Technology, Xinjiang University, Urumqi, China.
The Xinjiang Key laboratory of Biological Resources and Genetic Engineering, Xinjiang University, Urumqi, China.
纳米酶具有良好的广谱抗菌性能，为食品保鲜提供了另一种策略。本文从活性氧(ROS)的产生和生物膜的破坏两个方面综述了纳米酶的抗菌机理，并详细阐述了影响不同类型纳米酶抑菌活性的主要因素(尺寸、形态、杂交、光照等)，为设计高效抗菌纳米酶提供了有效指导。从纳米酶负载基质的选择、纳米酶抗菌膜/涂层的制备技术以及纳米酶抗菌膜/涂层在食品保鲜中的应用研究进展等方面阐述了纳米酶在食品保鲜中的独特应用。最后，还提到了纳米酶的安全性问题。总之，该综述为食品保鲜领域提供了新的途径，具有广阔的发展前景。新鲜水果、蔬菜和肉类在采收、运输和储存过程中极易受到微生物污染，严重威胁公众健康，污染环境，造成经济损失。食品微生物污染是食品变质的重要原因之一，而由食物变质引起的食物资源短缺是全球面临的重大挑战之一。天然防腐剂(精油、抗菌肽等)由于性质不稳定或抗菌效果差，在降低微生物负荷和维持食品质量方面存在一些缺点和局限性。此外，化学食品防腐剂，包括氯基化合物(次氯酸盐、二氧化氯、酸化的亚氯酸钠等)、过氧化氢(H2O2)、抑菌唑、双胍、三唑杀菌剂等，也被广泛使用。然而，防腐剂的非法使用、过度使用和反复滥用，以及化学防腐剂的毒副作用和残留问题，对公众健康构成潜在的危险。更重要的是，耐多药(MDR)菌株的出现和细菌形成保护性生物膜的趋势加速了先进杀菌剂和抗菌技术的探索。因此，迫切需要新的抗菌剂和/或策略来解决问题的时刻。近年来，纳米材料因其独特的特性，包括低成本、高稳定性、易功能化以及光学、电子和磁性，特别是酶样特性而受到越来越多的关注，研究人员将具有酶活性的纳米材料命名为纳米酶。此后，大量纳米材料被报道具有类酶活性，近几十年来，由于纳米酶固有的理化性质，对其抗菌应用进行了大量研究。一般来说，纳米酶的杀菌作用是通过破坏细菌生物膜或诱导细菌细胞中活性氧(ROS)的积累来实现的。有趣的是，纳米酶不会诱导细菌产生耐药性。目前，用于抗菌的纳米酶包括基于金属的纳米酶、基于金属氧化物或硫化物(MOx/MSx)的纳米酶、基于碳的纳米酶以及基于金属有机框架(MOFs)的纳米酶。纳米酶的抗菌性能与其表面化学性质密切相关，包括表面电荷、表面疏水性和表面催化活性位点。大量关于纳米酶抗菌性能的报道证明，纳米酶的大小、形态、表面修饰基团以及光照、pH和温度等外界环境会影响纳米酶的表面化学特性，从而调控其抗菌性能。纳米酶的抗菌活性为食品保藏技术提供了新的思路。特别是，纳米技术的发展促进了基于纳米酶的抗菌涂层/膜的设计及其在食品保存中的应用探索。许多基于纳米酶的抗菌涂层/膜广泛应用于草莓、芒果、橘子、鸡柳等保鲜中，对延长食品的保质期，特别是保障微生物食品的安全和质量起到了积极的作用。然而，由于纳米酶的毒性，其直接应用于食品工业具有挑战性，设计低毒性和高抗菌性能的纳米酶仍然是食品保藏应用的巨大挑战。到目前为止，已经发表了大量优秀的综述，其中绝大多数都与特定的纳米材料(如石墨烯)特别相关，贵金属，金属氧化物，或对纳米酶在生物传感器和生物医学中的应用进行全面总结。目前，纳米酶在食品保藏中的应用也很有前景，然而，关于抗菌纳米酶在食品保藏中的应用还没有进行全面的探讨。本文对纳米酶的抗菌机制及影响酶样纳米材料抗菌活性的因素进行了综述，重点讨论了纳米酶在食品保藏中的独特应用前景。具有抗菌活性的纳米酶的概述将有助于食品保鲜新技术的应用(图1)。方案1：基于抗菌纳米酶的食品保存。(A)纳米酶的抗菌机制。(B)影响纳米酶抗菌活性的因素。(C)纳米酶在食品保存中的应用。本文对纳米酶的抗菌机制进行了全面的综述，为设计高效抗菌的纳米酶提供了有效的指导。此外，还对纳米酶抗菌膜/涂层在食品保藏中的应用进行了综述。基于纳米酶的抗菌涂层/膜的快速发展为开发新的食品保存技术提供了鼓舞人心的途径，可以克服食品工业中现有的挑战，提高食品的微生物安全性，减少浪费，延长保质期。它在食品工业中显示出巨大的潜力，食品微生物安全和质量保证正进入一个新的时代。然而，纳米酶的安全性问题是其在食品工业中应用的主要挑战。世界各国的科学家和政府监管机构已经认识到纳米酶毒性评估和监管的重要性，需要进行广泛的研究来克服与毒性相关的挑战和获得更安全的剂量限制。向绿色技术的转变表明，在食品保存中以纳米酶为基础的抗菌涂层/膜的安全应用前景乐观。