纳米银的抑菌机理及其在食品储藏方面的研究进展

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(1.郑州轻工业学院,河南郑州 450000;2.河南省生物技术开发中心,河南郑州 450000;3.河南省科学院同位素研究所有限责任公司,河南郑州 450000)

纳米技术是研究结构尺寸在1～100 nm范围内材料的性质和应用的一种技术,纳米材料具有较高的表面能、较大的比表面积和独特的小尺寸效应,表现出宏观传统材料所不具备的物理、化学和生物方面的特性[1],是人们研究的热点方向,于近十年来得以迅速发展。自18世纪以来,银便用于伤口的处理,纳米银作为特殊形态的银,抑菌性能更强且稳定。在20世纪20年代,美国食品和药品管理局正式指出纳米银材料可用于伤口消毒处理[2]。纳米银对多种致病菌都具有高效的抗菌作用,且不易产生耐药性,这些特性使纳米银在抗菌方面具有广阔的前景。纳米银能够催化加速乙烯的分解,加入包装材料中可以对细菌、霉菌起到良好且持久的抑制作用。同时,纳米银性质较稳定,耐光及耐热性能好,能够一定程度减少光照等外界环境因素对食品质量造成的影响。这些让纳米银在食品储藏方面有了更好的应用[3]。

1 纳米银的抑菌机理

目前关于纳米银的抑菌机理已有较多的研究报道,普遍认为,纳米银通过以下几个方面起到抑菌作用,如图1所示(修改自Durán et al[4]):

图1 纳米银抑菌机理图示Fig.1 Figure of nano silver inhibition mechanism注:1-通过静电吸引,纳米银附着到细胞表面,破坏细胞壁,与细胞膜相互作用;2-诱导自由基的产生,渗透性发生变化,细胞内容物泄漏;3-与DNA相互作用,破坏DNA结构;4-抑制蛋白质合成和功能。

1.1 破坏细胞壁正常功能

纳米银会破坏细胞壁并且影响细胞壁的正常功能[5]。谢小保等[6]以大肠杆菌为对象研究了纳米银的抑制机理,利用电镜观察到纳米银首先作用于大肠杆菌的细胞壁,使其产生诸多小孔,并且通过这些小孔进入大肠杆菌的周质空间,进而与细胞膜作用并破坏其完整性,然后纳米银会进入细胞内部,影响DNA,使其与细胞内物质聚集并流失。Matsumura等[7]研究表明,纳米银会与细菌的细胞壁发生一系列的化学反应,并且破坏菌体的细胞壁。

1.2 与细胞膜成分相互作用

纳米银在细菌细胞膜上的累积与细胞膜结构的异常有关,其特征在于使细胞表面上“形成凹坑”[8-12]。纳米银能与细菌膜的脂质部分作用,以增加不饱和膜脂肪酸的反式/顺式比值,并且引起脂肪酸组成的改变,膜的流动性改变,诱导渗透性增加,进一步破坏细胞膜的完整性并阻碍细胞膜功能的正常发挥[13-14]。在亚毫摩尔浓度的银处理条件下,真菌、革兰氏阳性和革兰氏阴性菌中都观察到了膜的不稳定性[15]。细胞膜的损伤可以使纳米银到达细胞质并与含硫蛋白质、酶以及DNA互相作用[16-18]。王静等[19]认为纳米银对细胞膜的损害是纳米银抗菌的主要机制,纳米银破坏磷脂膜,然后进入细胞,并且会影响膜电势,抑制细胞对一些重要物质的吸收,进而影响细菌的生长。同时,薛海燕等[20]研究表明,使用安石榴苷制成的纳米银溶胶可以破坏膜的完整性,增加细菌细胞膜的渗透性,进而抑制细菌生长。

1.3 诱导自由基生成

ROS(需氧细胞在代谢过程中产生一系列活性氧簇)的产生是纳米银对细菌毒性的关键机制[21]。Kim等[22]使用电子自旋光谱研究纳米银诱导产生的自由基与观察到的抗菌作用的关系,结果表明这些自由基损伤了细菌的细胞膜,进而抑制了细菌的生长。类似地,Danilczuk等[23]在ESR研究中发现纳米银诱导了自由基的产生。Soo-Hwan等[24]进一步证实了这些结果,通过研究纳米银对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性及机理,表明产生自由基导致了膜渗透性增加和乳酸脱氢酶失活,进而引起蛋白质的断裂。Kora等[25]的研究证实了ROS对纳米银的抗菌作用与膜损伤是具有关联的,并证明了是纳米银使细胞内产生ROS。而纳米粒子可以通过扰乱氧化剂和抗氧化过程之间的平衡来加速细胞内氧化应激,造成致病菌体内ROS的积累量超出正常水平,进而导致细胞死亡[26]。董耀华等[27]也证明了纳米银被氧化的速率与抑菌效果是正相关的关系。

1.4 破坏DNA结构

DNA对于生物遗传信息的传递,实现生命的结构和功能都具有重要作用。纳米银会损伤细菌DNA的结构并且抑制其功能[28]。Vishnupriya等[29]通过拉曼光谱和等离子体共振成像技术研究了由柠檬酸盐还原制得的纳米银对大肠杆菌的抑制机理,研究发现大肠杆菌的DNA在纳米银处理的1 h后开始降解,导致细菌核苷酸特异性下降,这一研究结果表明纳米银可以损伤细菌的DNA。Ouda等[30]研究了纳米银对变形杆菌以及克雷伯氏菌属的抗菌活性和机制,结果显示这两种细菌都被抑制,同时细胞壁破裂,细胞组分变得紊乱,基因组被破坏。这种破坏性作用加速DNA的降解并导致DNA复制缺失,从而抑制细菌的生长。

1.5 蛋白质失活

纳米银体积很小,能够进入细胞,然后作用于菌细胞内部的酶蛋白中的巯基,与其结合并使其失去活性[31]。Li等[32]发现纳米银会抑制大肠杆菌的呼吸链中脱氢酶的活性,并且纳米银的浓度与大肠杆菌中脱氢酶的活性呈负相关。方婷[33]用纳米银处理烟曲霉孢子发现,纳米银可通过破坏烟曲霉孢子的蛋白质,导致其变性,从而影响了细胞膜和细胞壁的结构及功能,达到抑制作用。Hwang等[34]用纳米银对大肠杆菌进行一系列的研究,发现纳米银会阻碍其内部中一些蛋白质的正常表达,通过影响蛋白质功能的正常发挥,来达到抑菌的效果。

2 纳米银在食品储藏及保鲜方面的应用

纳米银物理和化学性质稳定,将纳米银加入其它材料中,能够提高其力学性能、杀菌特性、阻隔特性等[35]。纳米银在食品储藏方面应用广泛,主要是通过纳米银包装材料和纳米银涂膜2种形式来达到保鲜和延长货架期的目的(表1)。

2.1 纳米银包装材料

食品包装使食品流通更加方便,在储藏过程中达到保护食品和延长食品保存时间的作用。纳米银具有特殊的比表面积及尺寸,具有传统材料不具备的物理性质,且易降解,保护环境。在包装材料中加入纳米银,还可以同时利用纳米银抗菌及氧化乙烯的作用,达到更好的保鲜效果。纳米银在包装材料方面的用途广泛,形式多样,有保鲜膜、包装袋等。

2.1.1 纳米银保鲜膜 使用纳米银保鲜膜,可以提升瓜果蔬菜在储存及保藏时的保鲜质量和时间,减少因病虫或霉变所引起的损失[48]。史君彦等[38]以黄瓜为实验对象,发现使用含有纳米银的保鲜膜包装可以减少黄瓜水分的散失和硬度的下降,有效延缓黄瓜中叶绿素、可溶性蛋白、可溶性固形物、VC含量的降低,增强黄瓜中过氧化氢酶以及过氧化物酶的活性,并使黄瓜具有良好的外观指数。这些感官指标和生理指标证明在保鲜材料中加入纳米银,可以有效提高黄瓜的保鲜效果。杨文建等[49]用纳米银、纳米二氧化钛等材料制备了包装薄膜,实验表明其能够有效延长双孢蘑菇的储藏时间,降低双孢蘑菇储藏期间的营养损失,保护双孢蘑菇的感官品质。罗晨等[50]研制出用于水产食品储藏时使用的纳米银保鲜薄膜,研究得出其对虾仁的冷藏具有良好的作用,可有效延长虾仁的保质期。

表1 各种形式纳米银的储藏方面特点及实例Table 1 Storage characteristics and examples of various forms of nano-silver

2.1.2 纳米银包装袋 纳米银包装袋可以增加食品包装的拉伸强度和储藏特性,更好的保护食品。宋益娟等[40]分别采用普通聚乙烯包装袋和纳米银聚乙烯包装袋包装新鲜酱鸭,在4、25 ℃的条件下进行储藏,且每过7 d对酱鸭进行一次指标评价,共储藏28 d。结果发现:纳米银聚乙烯包装袋能够更好的降低鸭肉中的挥发性盐基氮的含量,有效抑制鸭肉中微生物生长,并且能更好的保持鸭肉原本的风味。周玲等[51]研制出了一种PE/Ag2O纳米包装袋,发现与PE保鲜袋相比,使用PE/Ag2O纳米包装袋对苹果进行储藏时,对果实的感官特性、失重率、抑菌性有更好的正面效果。王凡等[41]研究了含纳米二氧化钛、纳米凹凸棒土、纳米二氧化硅和纳米银的纳米聚乙烯包装袋在高湿(相对湿度85%)和高温(37 ℃)环境下对淮稻5号大米保鲜品质的影响,结果表明相比于普通包装材料,纳米银复合包装材料可以有效减缓过氧化氢酶活力的下降,减少过氧化物的产生,抑制霉菌的生长,从而更好地保持了大米的色泽和风味。

2.1.3 其他形式包装 除纳米银保鲜膜和纳米银包装袋外,纳米银还有一些其他形式的包装。张瑶等[42]将纳米银材料加入聚乙烯材料,制成纳米银塑料盒子和纳米银塑料袋,并对杨梅进行储藏。结果发现纳米银包装对杨梅果实呼吸并无抑制作用且能减少杨梅储藏过程中的酸败,提高好果率,保护杨梅中VC含量。王忠良等[43]研制出载银壳聚糖涂布纸,发现这种纳米银和壳聚糖配合物制成的包装有利于减少樱桃储藏过程中营养物质如VC的损失,增加樱桃在常温下储藏的时间。

2.2 纳米银涂膜

纳米银涂膜技术广泛应用于食品保鲜与储藏方面,具有成本低、快捷方便,且保鲜效果明显的优点。使用纳米银涂膜,一般不会对食品品质造成不良影响,且能明显抑制细菌生长。刘丽萍等[52]将圣女果浸入纳米银溶胶后,使其表面覆盖一层纳米银涂膜,随着储藏天数的变化检测样品的理化及感官指标。结果表明纳米银涂膜能够改善圣女果的感官品质,对圣女果的营养成分和水分损失影响不明显,具有良好的保鲜效果。一些常用冷冻干燥处理的海产食品,在冷冻干燥前使用纳米银涂膜处理产品具有更显著的防腐效果。如李新林等[44-45]将鲍鱼和海参用纳米银淀粉膜溶液涂膜,进行冷冻干燥,对样品失水率变化以及微生物的总数进行检测,结果表明纳米银涂膜不会影响产品冷冻干燥的速率,且会大幅度地减少产品储藏过程中产生的微生物数量。曹雪玲等[46-47]采用微波加热法得到纳米银胶,对葡萄和草莓进行涂膜,结果表明两种水果在储藏期间新鲜度的各项指标如失重率、好果率、总酸含量和还原糖含量等都优于空白组(无菌水浸泡处理的水果)。

3 结语与展望

纳米银制备简单,具有优良的抑菌性能,不易产生耐药性,如今已广泛应用于医学、工业和日常生活中。纳米银能广泛抑制细菌、真菌和藻类的生长,据统计,在2015年全球每年生产的纳米银已达到约500吨,并有上升的趋势[53]。但是由于纳米银具有潜在的细胞毒性[54],扩大生产和广泛使用纳米银,可能会对生物体和生态系统造成影响。目前为止,纳米银对生物体的毒性影响尚未得到很好的证实[55],对纳米银的抑菌机制也并没有定论。为了更好地发挥利用纳米银的优势,将纳米银应用到食品储藏保鲜领域,对于纳米银的生物安全性以及其抑菌机理依旧是研究人员需要深入了解和研究的课题。