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(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院,河南鄭州 450000;2.河南省生物技術(shù)開(kāi)發(fā)中心,河南鄭州 450000;3.河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司,河南鄭州 450000)

納米技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1～100 nm范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù),納米材料具有較高的表面能、較大的比表面積和獨(dú)特的小尺寸效應(yīng),表現(xiàn)出宏觀傳統(tǒng)材料所不具備的物理、化學(xué)和生物方面的特性[1],是人們研究的熱點(diǎn)方向,于近十年來(lái)得以迅速發(fā)展。自18世紀(jì)以來(lái),銀便用于傷口的處理,納米銀作為特殊形態(tài)的銀,抑菌性能更強(qiáng)且穩(wěn)定。在20世紀(jì)20年代,美國(guó)食品和藥品管理局正式指出納米銀材料可用于傷口消毒處理[2]。納米銀對(duì)多種致病菌都具有高效的抗菌作用,且不易產(chǎn)生耐藥性,這些特性使納米銀在抗菌方面具有廣闊的前景。納米銀能夠催化加速乙烯的分解,加入包裝材料中可以對(duì)細(xì)菌、霉菌起到良好且持久的抑制作用。同時(shí),納米銀性質(zhì)較穩(wěn)定,耐光及耐熱性能好,能夠一定程度減少光照等外界環(huán)境因素對(duì)食品質(zhì)量造成的影響。這些讓納米銀在食品儲(chǔ)藏方面有了更好的應(yīng)用[3]。

1 納米銀的抑菌機(jī)理

目前關(guān)于納米銀的抑菌機(jī)理已有較多的研究報(bào)道,普遍認(rèn)為,納米銀通過(guò)以下幾個(gè)方面起到抑菌作用,如圖1所示(修改自Durán et al[4]):

圖1 納米銀抑菌機(jī)理圖示Fig.1 Figure of nano silver inhibition mechanism注:1-通過(guò)靜電吸引,納米銀附著到細(xì)胞表面,破壞細(xì)胞壁,與細(xì)胞膜相互作用;2-誘導(dǎo)自由基的產(chǎn)生,滲透性發(fā)生變化,細(xì)胞內(nèi)容物泄漏;3-與DNA相互作用,破壞DNA結(jié)構(gòu);4-抑制蛋白質(zhì)合成和功能。

1.1 破壞細(xì)胞壁正常功能

納米銀會(huì)破壞細(xì)胞壁并且影響細(xì)胞壁的正常功能[5]。謝小保等[6]以大腸桿菌為對(duì)象研究了納米銀的抑制機(jī)理,利用電鏡觀察到納米銀首先作用于大腸桿菌的細(xì)胞壁,使其產(chǎn)生諸多小孔,并且通過(guò)這些小孔進(jìn)入大腸桿菌的周質(zhì)空間,進(jìn)而與細(xì)胞膜作用并破壞其完整性,然后納米銀會(huì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,影響DNA,使其與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)聚集并流失。Matsumura等[7]研究表明,納米銀會(huì)與細(xì)菌的細(xì)胞壁發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng),并且破壞菌體的細(xì)胞壁。

1.2 與細(xì)胞膜成分相互作用

納米銀在細(xì)菌細(xì)胞膜上的累積與細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的異常有關(guān),其特征在于使細(xì)胞表面上“形成凹坑”[8-12]。納米銀能與細(xì)菌膜的脂質(zhì)部分作用,以增加不飽和膜脂肪酸的反式/順式比值,并且引起脂肪酸組成的改變,膜的流動(dòng)性改變,誘導(dǎo)滲透性增加,進(jìn)一步破壞細(xì)胞膜的完整性并阻礙細(xì)胞膜功能的正常發(fā)揮[13-14]。在亞毫摩爾濃度的銀處理?xiàng)l件下,真菌、革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性菌中都觀察到了膜的不穩(wěn)定性[15]。細(xì)胞膜的損傷可以使納米銀到達(dá)細(xì)胞質(zhì)并與含硫蛋白質(zhì)、酶以及DNA互相作用[16-18]。王靜等[19]認(rèn)為納米銀對(duì)細(xì)胞膜的損害是納米銀抗菌的主要機(jī)制,納米銀破壞磷脂膜,然后進(jìn)入細(xì)胞,并且會(huì)影響膜電勢(shì),抑制細(xì)胞對(duì)一些重要物質(zhì)的吸收,進(jìn)而影響細(xì)菌的生長(zhǎng)。同時(shí),薛海燕等[20]研究表明,使用安石榴苷制成的納米銀溶膠可以破壞膜的完整性,增加細(xì)菌細(xì)胞膜的滲透性,進(jìn)而抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。

1.3 誘導(dǎo)自由基生成

ROS(需氧細(xì)胞在代謝過(guò)程中產(chǎn)生一系列活性氧簇)的產(chǎn)生是納米銀對(duì)細(xì)菌毒性的關(guān)鍵機(jī)制[21]。Kim等[22]使用電子自旋光譜研究納米銀誘導(dǎo)產(chǎn)生的自由基與觀察到的抗菌作用的關(guān)系,結(jié)果表明這些自由基損傷了細(xì)菌的細(xì)胞膜,進(jìn)而抑制了細(xì)菌的生長(zhǎng)。類似地,Danilczuk等[23]在ESR研究中發(fā)現(xiàn)納米銀誘導(dǎo)了自由基的產(chǎn)生。Soo-Hwan等[24]進(jìn)一步證實(shí)了這些結(jié)果,通過(guò)研究納米銀對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性及機(jī)理,表明產(chǎn)生自由基導(dǎo)致了膜滲透性增加和乳酸脫氫酶失活,進(jìn)而引起蛋白質(zhì)的斷裂。Kora等[25]的研究證實(shí)了ROS對(duì)納米銀的抗菌作用與膜損傷是具有關(guān)聯(lián)的,并證明了是納米銀使細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS。而納米粒子可以通過(guò)擾亂氧化劑和抗氧化過(guò)程之間的平衡來(lái)加速細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激,造成致病菌體內(nèi)ROS的積累量超出正常水平,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[26]。董耀華等[27]也證明了納米銀被氧化的速率與抑菌效果是正相關(guān)的關(guān)系。

1.4 破壞DNA結(jié)構(gòu)

DNA對(duì)于生物遺傳信息的傳遞,實(shí)現(xiàn)生命的結(jié)構(gòu)和功能都具有重要作用。納米銀會(huì)損傷細(xì)菌DNA的結(jié)構(gòu)并且抑制其功能[28]。Vishnupriya等[29]通過(guò)拉曼光譜和等離子體共振成像技術(shù)研究了由檸檬酸鹽還原制得的納米銀對(duì)大腸桿菌的抑制機(jī)理,研究發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的DNA在納米銀處理的1 h后開(kāi)始降解,導(dǎo)致細(xì)菌核苷酸特異性下降,這一研究結(jié)果表明納米銀可以損傷細(xì)菌的DNA。Ouda等[30]研究了納米銀對(duì)變形桿菌以及克雷伯氏菌屬的抗菌活性和機(jī)制,結(jié)果顯示這兩種細(xì)菌都被抑制,同時(shí)細(xì)胞壁破裂,細(xì)胞組分變得紊亂,基因組被破壞。這種破壞性作用加速DNA的降解并導(dǎo)致DNA復(fù)制缺失,從而抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。

1.5 蛋白質(zhì)失活

納米銀體積很小,能夠進(jìn)入細(xì)胞,然后作用于菌細(xì)胞內(nèi)部的酶蛋白中的巰基,與其結(jié)合并使其失去活性[31]。Li等[32]發(fā)現(xiàn)納米銀會(huì)抑制大腸桿菌的呼吸鏈中脫氫酶的活性,并且納米銀的濃度與大腸桿菌中脫氫酶的活性呈負(fù)相關(guān)。方婷[33]用納米銀處理煙曲霉孢子發(fā)現(xiàn),納米銀可通過(guò)破壞煙曲霉孢子的蛋白質(zhì),導(dǎo)致其變性,從而影響了細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)及功能,達(dá)到抑制作用。Hwang等[34]用納米銀對(duì)大腸桿菌進(jìn)行一系列的研究,發(fā)現(xiàn)納米銀會(huì)阻礙其內(nèi)部中一些蛋白質(zhì)的正常表達(dá),通過(guò)影響蛋白質(zhì)功能的正常發(fā)揮,來(lái)達(dá)到抑菌的效果。

2 納米銀在食品儲(chǔ)藏及保鮮方面的應(yīng)用

納米銀物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,將納米銀加入其它材料中,能夠提高其力學(xué)性能、殺菌特性、阻隔特性等[35]。納米銀在食品儲(chǔ)藏方面應(yīng)用廣泛,主要是通過(guò)納米銀包裝材料和納米銀涂膜2種形式來(lái)達(dá)到保鮮和延長(zhǎng)貨架期的目的(表1)。

2.1 納米銀包裝材料

食品包裝使食品流通更加方便,在儲(chǔ)藏過(guò)程中達(dá)到保護(hù)食品和延長(zhǎng)食品保存時(shí)間的作用。納米銀具有特殊的比表面積及尺寸,具有傳統(tǒng)材料不具備的物理性質(zhì),且易降解,保護(hù)環(huán)境。在包裝材料中加入納米銀,還可以同時(shí)利用納米銀抗菌及氧化乙烯的作用,達(dá)到更好的保鮮效果。納米銀在包裝材料方面的用途廣泛,形式多樣,有保鮮膜、包裝袋等。

2.1.1 納米銀保鮮膜 使用納米銀保鮮膜,可以提升瓜果蔬菜在儲(chǔ)存及保藏時(shí)的保鮮質(zhì)量和時(shí)間,減少因病蟲(chóng)或霉變所引起的損失[48]。史君彥等[38]以黃瓜為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,發(fā)現(xiàn)使用含有納米銀的保鮮膜包裝可以減少黃瓜水分的散失和硬度的下降,有效延緩黃瓜中葉綠素、可溶性蛋白、可溶性固形物、VC含量的降低,增強(qiáng)黃瓜中過(guò)氧化氫酶以及過(guò)氧化物酶的活性,并使黃瓜具有良好的外觀指數(shù)。這些感官指標(biāo)和生理指標(biāo)證明在保鮮材料中加入納米銀,可以有效提高黃瓜的保鮮效果。楊文建等[49]用納米銀、納米二氧化鈦等材料制備了包裝薄膜,實(shí)驗(yàn)表明其能夠有效延長(zhǎng)雙孢蘑菇的儲(chǔ)藏時(shí)間,降低雙孢蘑菇儲(chǔ)藏期間的營(yíng)養(yǎng)損失,保護(hù)雙孢蘑菇的感官品質(zhì)。羅晨等[50]研制出用于水產(chǎn)食品儲(chǔ)藏時(shí)使用的納米銀保鮮薄膜,研究得出其對(duì)蝦仁的冷藏具有良好的作用,可有效延長(zhǎng)蝦仁的保質(zhì)期。

表1 各種形式納米銀的儲(chǔ)藏方面特點(diǎn)及實(shí)例Table 1 Storage characteristics and examples of various forms of nano-silver

2.1.2 納米銀包裝袋 納米銀包裝袋可以增加食品包裝的拉伸強(qiáng)度和儲(chǔ)藏特性,更好的保護(hù)食品。宋益娟等[40]分別采用普通聚乙烯包裝袋和納米銀聚乙烯包裝袋包裝新鮮醬鴨,在4、25 ℃的條件下進(jìn)行儲(chǔ)藏,且每過(guò)7 d對(duì)醬鴨進(jìn)行一次指標(biāo)評(píng)價(jià),共儲(chǔ)藏28 d。結(jié)果發(fā)現(xiàn):納米銀聚乙烯包裝袋能夠更好的降低鴨肉中的揮發(fā)性鹽基氮的含量,有效抑制鴨肉中微生物生長(zhǎng),并且能更好的保持鴨肉原本的風(fēng)味。周玲等[51]研制出了一種PE/Ag2O納米包裝袋,發(fā)現(xiàn)與PE保鮮袋相比,使用PE/Ag2O納米包裝袋對(duì)蘋果進(jìn)行儲(chǔ)藏時(shí),對(duì)果實(shí)的感官特性、失重率、抑菌性有更好的正面效果。王凡等[41]研究了含納米二氧化鈦、納米凹凸棒土、納米二氧化硅和納米銀的納米聚乙烯包裝袋在高濕(相對(duì)濕度85%)和高溫(37 ℃)環(huán)境下對(duì)淮稻5號(hào)大米保鮮品質(zhì)的影響,結(jié)果表明相比于普通包裝材料,納米銀復(fù)合包裝材料可以有效減緩過(guò)氧化氫酶活力的下降,減少過(guò)氧化物的產(chǎn)生,抑制霉菌的生長(zhǎng),從而更好地保持了大米的色澤和風(fēng)味。

2.1.3 其他形式包裝 除納米銀保鮮膜和納米銀包裝袋外,納米銀還有一些其他形式的包裝。張瑤等[42]將納米銀材料加入聚乙烯材料,制成納米銀塑料盒子和納米銀塑料袋,并對(duì)楊梅進(jìn)行儲(chǔ)藏。結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米銀包裝對(duì)楊梅果實(shí)呼吸并無(wú)抑制作用且能減少楊梅儲(chǔ)藏過(guò)程中的酸敗,提高好果率,保護(hù)楊梅中VC含量。王忠良等[43]研制出載銀殼聚糖涂布紙,發(fā)現(xiàn)這種納米銀和殼聚糖配合物制成的包裝有利于減少櫻桃儲(chǔ)藏過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如VC的損失,增加櫻桃在常溫下儲(chǔ)藏的時(shí)間。

2.2 納米銀涂膜

納米銀涂膜技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品保鮮與儲(chǔ)藏方面,具有成本低、快捷方便,且保鮮效果明顯的優(yōu)點(diǎn)。使用納米銀涂膜,一般不會(huì)對(duì)食品品質(zhì)造成不良影響,且能明顯抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。劉麗萍等[52]將圣女果浸入納米銀溶膠后,使其表面覆蓋一層納米銀涂膜,隨著儲(chǔ)藏天數(shù)的變化檢測(cè)樣品的理化及感官指標(biāo)。結(jié)果表明納米銀涂膜能夠改善圣女果的感官品質(zhì),對(duì)圣女果的營(yíng)養(yǎng)成分和水分損失影響不明顯,具有良好的保鮮效果。一些常用冷凍干燥處理的海產(chǎn)食品,在冷凍干燥前使用納米銀涂膜處理產(chǎn)品具有更顯著的防腐效果。如李新林等[44-45]將鮑魚(yú)和海參用納米銀淀粉膜溶液涂膜,進(jìn)行冷凍干燥,對(duì)樣品失水率變化以及微生物的總數(shù)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明納米銀涂膜不會(huì)影響產(chǎn)品冷凍干燥的速率,且會(huì)大幅度地減少產(chǎn)品儲(chǔ)藏過(guò)程中產(chǎn)生的微生物數(shù)量。曹雪玲等[46-47]采用微波加熱法得到納米銀膠,對(duì)葡萄和草莓進(jìn)行涂膜,結(jié)果表明兩種水果在儲(chǔ)藏期間新鮮度的各項(xiàng)指標(biāo)如失重率、好果率、總酸含量和還原糖含量等都優(yōu)于空白組(無(wú)菌水浸泡處理的水果)。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

納米銀制備簡(jiǎn)單,具有優(yōu)良的抑菌性能,不易產(chǎn)生耐藥性,如今已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)和日常生活中。納米銀能廣泛抑制細(xì)菌、真菌和藻類的生長(zhǎng),據(jù)統(tǒng)計(jì),在2015年全球每年生產(chǎn)的納米銀已達(dá)到約500噸,并有上升的趨勢(shì)[53]。但是由于納米銀具有潛在的細(xì)胞毒性[54],擴(kuò)大生產(chǎn)和廣泛使用納米銀,可能會(huì)對(duì)生物體和生態(tài)系統(tǒng)造成影響。目前為止,納米銀對(duì)生物體的毒性影響尚未得到很好的證實(shí)[55],對(duì)納米銀的抑菌機(jī)制也并沒(méi)有定論。為了更好地發(fā)揮利用納米銀的優(yōu)勢(shì),將納米銀應(yīng)用到食品儲(chǔ)藏保鮮領(lǐng)域,對(duì)于納米銀的生物安全性以及其抑菌機(jī)理依舊是研究人員需要深入了解和研究的課題。