西北农林科技大学王建龙教授/张文涛副教授团队IJBM重要成果

学术   2024-10-01 07:59   中国香港  

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Cu(II)螯合卵清蛋白模拟超氧化物歧化酶的活性中心:结构、抗氧化和抗菌性能,用于食品保存应用

导  读

近期,西北农林科技大学食品科学与工程学院王建龙教授/张文涛副教授课题组在国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》(中科院一区, IF=7.7)发表题为“Cu(II)-chelated ovalbumin mimicking the active centre of superoxide dismutase: Structure, antioxidant and antibacterial properties for food preservation application”的研究性论文,西北农林科技大学食品科学与工程学院2022级硕士研究生张超群为第一作者,张文涛副教授为论文通讯作者。

食品的酶促褐变和微生物污染威胁着食品的感官和安全。随着绿色健康概念的发展,对高效、低碳的抗氧化和抗菌策略的需求越来越大。通过模拟天然 SOD 酶的活性中心,铜(Cu)和卵清蛋白(OVA)自组装形成新型纳米材料(Cu-NPS),其中 OVA 作为支架携带辅因子产生活性位点,使纳米酶兼具抗氧化活性和抗菌特性,同时具有良好的稳定性和生物相容性。可用于去除活性氧 (ROS) 和广谱灭菌。随后,将 Cu-NPS 掺杂到卡拉胶(Carr)中形成纳米复合膜,有效抑制酶促褐变和微生物污染。基于蛋白质的模拟酶作为人工纳米酶具有优于天然酶的优势,Cu-NPS 具有合成简单、稳定性高、性能多样等特点,为功能材料的设计提供了新的思路。

在这项研究中,由 Cu 与卵清蛋白 (OVA) 螯合形成具有良好稳定性、广谱抗菌作用和抗氧化特性的新型纳米酶。OVA 以 OVA 为骨架,与 Cu 自组装形成纳米片,纳米片又堆叠形成纳米聚合物,获得 Cu-nanopolymerised 片 (Cu-NPS)。由于部分变性和残留物暴露,从 OVA 制备的纳米颗粒能够更好地结合生物活性物质以递送生物活性化合物。Cu 是具有广谱抗菌作用的金属离子,与 OVA 的羟基、氨基、羧基和巯基配位,形成一种具有双功能的新型纳米酶。Cu-NPS 中的 OVA 具有优异的结构和生物学特性,不仅可以成为纳米酶的主链,而且大量螯合的 Cu 可以起到保护作用。基于天然酶结构衍生的 Cu-NPS 表现出优异的 SOD 样活性,可以有效清除 ROS。将 Cu-NPS 纳米酶进一步加载到 Carr 中,得到 Carr/Cu-NPS 复合膜。随后,详细研究了薄膜的物理化学结构和功能。用作研究模型的樱桃和鲜切苹果用 Carr/Cu-NPS 包装,以验证复合膜的抗菌和抗氧化特性。结果表明,新型纳米酶 Cu-NPS 具有良好的杀菌性能、生物相容性和 ROS 清除能力等多种能力,当包埋在 Carr 薄膜中时,可以抑制酶褐变和微生物污染。负载纳米酶的复合薄膜可以成功延长食品的储存寿命,为食品功能性包装薄膜的设计提供了新的思路。



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研究亮点

  • Cu-NPS 是通过模拟天然超氧化物歧化酶的结构获得的。

  • Cu-NPS 具有高效的 ROS 清除能力。

  • Cu-NPS 具有广谱抗菌活性和良好的生物相容性。

  • Cu-NPS 复合薄膜可以抑制酶促褐变和微生物污染。


研究结论

  • 由 Cu OVA螯合形成具有良好稳定性、广谱抗菌作用和抗氧化特性的新型纳米酶Cu-NPS

  • 基于天然酶结构衍生的 Cu-NPS 表现出优异的 SOD 样活性,可以有效清除 ROS。

  • 新型纳米酶 Cu-NPS 具有良好的杀菌性能、生物相容性和 ROS 清除能力等多种能力,当包埋在 Carr 薄膜中时,可以抑制酶褐变和微生物污染。


图文赏析

图1. 图 1.Cu-NPS 的表征。(a) SEM 图像,(b) TEM 图像,以及 (c) Cu-NPS 映射的元素。Cu-NPS 的 (d) FTIR、(e) XRD 和 (f)  XPS 光谱、Cu-NPS 的 (g) Cu 2p、(h) O1s、(i) S 2p、(j) N 1 s 和 (k) C 1 s 区域的 XPS 光谱。

图2.  Cu-NPS 的酶样活性。(a) NBT 和 ·O2,(b)·O2不同浓度天然 SOD 酶和 Cu-NPS 的消除效率,(c) 温度和 (d) pH 值对 Cu-NPS 和天然 SOD 酶活性的影响。

图3.  Cu-NPS 的抗菌作用和生物相容性。盐水和 Cu-NPS 处理后 (a) 金黄色葡萄球菌和 (b) 大肠杆菌的照片,(c) 金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的照片,(d) 与 Cu-NPS 共孵育后的存活率,(e) 水、盐水和 Cu-NPS 的相对溶血比 (20–100 μg/mL) 和相应的照片,以及 (f) 与 Cu-NPS 孵育后的细胞活力。

图4. Carr/Cu-NPS 的视觉表征。(a) 微距数码图片,(b) 表面和 (c) Carr 和 Carr/Cu-NPS 胶片横截面的 SEM。

图5.  Carr 和 Carr/Cu-NPS 薄膜的 (a) FTIR、(b)  XRD、(c) TGA 和 (d) DTG 曲线。

图6. Carr/Cu-NPS 薄膜的表征。(a) WCA,(b) 厚度,(c) TS 和 EB,(d) WVP,(e) WS 和 MC,(f) 透射率,以及 (g) Carr 和 Carr/Cu-NPS 薄膜的紫外-可见吸收光谱。

图7. Carr/Cu-NPS 的包装特性。不同处理(未包装、Carr、PE 和 Carr/Cu-NPS 薄膜)在不同时间的 (a) 樱桃和 (b) 鲜切苹果的典型图片,(c) 不同贮藏时间和处理后苹果的表面颜色,(d) 鲜切苹果在贮藏期间(0–36 h)和 (e) 樱桃在贮藏期间(0–12 d)的失重变化,(f) 鲜切苹果在贮藏期间(0–36 h)的硬度,(g) 樱桃在贮藏期间(0–12 d)的硬度。

张文涛

张文涛,博士,副教授,博士生导师,入选“博士后创新人才支持计划”、“陕西省高校科协青年人才托举计划”、“仲英青年学者”、全球2%顶尖科学家;担任Journal of Future Foods、Foods、Bio Integration、《保鲜与加工》等期刊编委/青年编委。近年来,主持国家自然科学基金(面上、青年)、陕西省重点研发计划、广东省自然科学基金青年提升项目等20余项科研项目,研究成果以第一/通讯作者在Nano Letters(自然指数期刊)、Advanced Functional Materials(自然指数期刊)、Advanced Science、Nano Today、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Redox Biology、Trends in Food Science& Technology、Food Hydrocolloids、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Food Chemistry等期刊发表SCI论文60余篇;以第一发明人授权专利8项;获得中国博士后创新人才支持计划十大创新成果1项(全国10项)、陕西省高等学校科学技术一等奖2项、中国分析测试协会科学技术奖一等奖1项、陕西省自然科学优秀学术论文奖4项等。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.134090

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