納米銀的抑菌機理及其在食品儲藏方面的研究進展

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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],是人們研究的熱點方向,于近十年來得以迅速發(fā)展。自18世紀以來,銀便用于傷口的處理,納米銀作為特殊形態(tài)的銀,抑菌性能更強且穩(wěn)定。在20世紀20年代,美國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細菌、霉菌起到良好且持久的抑制作用。同時,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)境因素對食品質(zhì)量造成的影響。這些讓納米銀在食品儲藏方面有了更好的應(yīng)用[3]。

1 納米銀的抑菌機理

目前關(guān)于納米銀的抑菌機理已有較多的研究報道,普遍認為,納米銀通過以下幾個方面起到抑菌作用,如圖1所示(修改自Durán et al[4]):

圖1 納米銀抑菌機理圖示Fig.1 Figure of nano silver inhibition mechanism注:1-通過靜電吸引,納米銀附著到細胞表面,破壞細胞壁,與細胞膜相互作用;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 破壞細胞壁正常功能

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

1.2 與細胞膜成分相互作用

納米銀在細菌細胞膜上的累積與細胞膜結(jié)構(gòu)的異常有關(guān),其特征在于使細胞表面上“形成凹坑”[8-12]。納米銀能與細菌膜的脂質(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,膜的流動性改變,誘導(dǎo)滲透性增加,進一步破壞細胞膜的完整性并阻礙細胞膜功能的正常發(fā)揮[13-14]。在亞毫摩爾濃度的銀處理條件下,真菌、革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌中都觀察到了膜的不穩(wěn)定性[15]。細胞膜的損傷可以使納米銀到達細胞質(zhì)并與含硫蛋白質(zhì)、酶以及DNA互相作用[16-18]。王靜等[19]認為納米銀對細胞膜的損害是納米銀抗菌的主要機制,納米銀破壞磷脂膜,然后進入細胞,并且會影響膜電勢,抑制細胞對一些重要物質(zhì)的吸收,進而影響細菌的生長。同時,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,增加細菌細胞膜的滲透性,進而抑制細菌生長。

1.3 誘導(dǎo)自由基生成

ROS(需氧細胞在代謝過程中產(chǎn)生一系列活性氧簇)的產(chǎn)生是納米銀對細菌毒性的關(guān)鍵機制[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菌的細胞膜,進而抑制了細菌的生長。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]進一步證實了這些結(jié)果,通過研究納米銀對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性及機理,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,進而引起蛋白質(zhì)的斷裂。Kora等[25]的研究證實了ROS對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胞內(nèi)產(chǎn)生ROS。而納米粒子可以通過擾亂氧化劑和抗氧化過程之間的平衡來加速細胞內(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,進而導(dǎo)致細胞死亡[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對于生物遺傳信息的傳遞,實現(xiàn)生命的結(jié)構(gòu)和功能都具有重要作用。納米銀會損傷細菌DNA的結(jié)構(gòu)并且抑制其功能[28]。Vishnupriya等[29]通過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大腸桿菌的抑制機理,研究發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的DNA在納米銀處理的1 h后開始降解,導(dǎo)致細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菌的DNA。Ouda等[30]研究了納米銀對變形桿菌以及克雷伯氏菌屬的抗菌活性和機制,結(jié)果顯示這兩種細菌都被抑制,同時細胞壁破裂,細胞組分變得紊亂,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,從而抑制細菌的生長。

1.5 蛋白質(zhì)失活

納米銀體積很小,能夠進入細胞,然后作用于菌細胞內(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),納米銀可通過破壞煙曲霉孢子的蛋白質(zhì),導(dǎo)致其變性,從而影響了細胞膜和細胞壁的結(jié)構(gòu)及功能,達到抑制作用。Hwang等[34]用納米銀對大腸桿菌進行一系列的研究,發(fā)現(xiàn)納米銀會阻礙其內(nèi)部中一些蛋白質(zhì)的正常表達,通過影響蛋白質(zhì)功能的正常發(fā)揮,來達到抑菌的效果。

2 納米銀在食品儲藏及保鮮方面的應(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]。納米銀在食品儲藏方面應(yīng)用廣泛,主要是通過納米銀包裝材料和納米銀涂膜2種形式來達到保鮮和延長貨架期的目的(表1)。

2.1 納米銀包裝材料

食品包裝使食品流通更加方便,在儲藏過程中達到保護食品和延長食品保存時間的作用。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,保護環(huán)境。在包裝材料中加入納米銀,還可以同時利用納米銀抗菌及氧化乙烯的作用,達到更好的保鮮效果。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存及保藏時的保鮮質(zhì)量和時間,減少因病蟲或霉變所引起的損失[48]。史君彥等[38]以黃瓜為實驗對象,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,增強黃瓜中過氧化氫酶以及過氧化物酶的活性,并使黃瓜具有良好的外觀指數(shù)。這些感官指標和生理指標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,實驗表明其能夠有效延長雙孢蘑菇的儲藏時間,降低雙孢蘑菇儲藏期間的營養(yǎng)損失,保護雙孢蘑菇的感官品質(zhì)。羅晨等[50]研制出用于水產(chǎn)食品儲藏時使用的納米銀保鮮薄膜,研究得出其對蝦仁的冷藏具有良好的作用,可有效延長蝦仁的保質(zhì)期。

表1 各種形式納米銀的儲藏方面特點及實例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度和儲藏特性,更好的保護食品。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 ℃的條件下進行儲藏,且每過7 d對醬鴨進行一次指標評價,共儲藏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,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納米包裝袋對蘋果進行儲藏時,對果實的感官特性、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(相對濕度85%)和高溫(37 ℃)環(huán)境下對淮稻5號大米保鮮品質(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氧化氫酶活力的下降,減少過氧化物的產(chǎn)生,抑制霉菌的生長,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,并對楊梅進行儲藏。結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米銀包裝對楊梅果實呼吸并無抑制作用且能減少楊梅儲藏過程中的酸敗,提高好果率,保護楊梅中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藏過程中營養(yǎng)物質(zhì)如VC的損失,增加櫻桃在常溫下儲藏的時間。

2.2 納米銀涂膜

納米銀涂膜技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品保鮮與儲藏方面,具有成本低、快捷方便,且保鮮效果明顯的優(yōu)點。使用納米銀涂膜,一般不會對食品品質(zhì)造成不良影響,且能明顯抑制細菌生長。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,隨著儲藏天數(shù)的變化檢測樣品的理化及感官指標。結(jié)果表明納米銀涂膜能夠改善圣女果的感官品質(zhì),對圣女果的營養(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]將鮑魚和海參用納米銀淀粉膜溶液涂膜,進行冷凍干燥,對樣品失水率變化以及微生物的總數(shù)進行檢測,結(jié)果表明納米銀涂膜不會影響產(chǎn)品冷凍干燥的速率,且會大幅度地減少產(chǎn)品儲藏過程中產(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,對葡萄和草莓進行涂膜,結(jié)果表明兩種水果在儲藏期間新鮮度的各項指標如失重率、好果率、總酸含量和還原糖含量等都優(yōu)于空白組(無菌水浸泡處理的水果)。

3 結(jié)語與展望

納米銀制備簡單,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菌、真菌和藻類的生長,據(jù)統(tǒng)計,在2015年全球每年生產(chǎn)的納米銀已達到約500噸,并有上升的趨勢[53]。但是由于納米銀具有潛在的細胞毒性[54],擴大生產(chǎn)和廣泛使用納米銀,可能會對生物體和生態(tài)系統(tǒng)造成影響。目前為止,納米銀對生物體的毒性影響尚未得到很好的證實[55],對納米銀的抑菌機制也并沒有定論。為了更好地發(fā)揮利用納米銀的優(yōu)勢,將納米銀應(yīng)用到食品儲藏保鮮領(lǐng)域,對于納米銀的生物安全性以及其抑菌機理依舊是研究人員需要深入了解和研究的課題。