基于壳聚糖-铜纳米簇的快速细菌检测及食品保鲜技术

引言

各类食源性病原菌严重威胁着公众健康,引发的传染病和食物中毒问题令人担忧。目前,常见的细菌检测方法如培养法、PCR等存在检测时间长、成本高昂等缺点。金属纳米簇作为新兴生物传感材料,凭借其出色的催化活性在抗菌治疗领域展现了巨大潜力。本研究通过合成尺寸极小的铜纳米簇(CuNCs)及其壳聚糖(CS)复合物,实现了快速、低成本的细菌活性检测,并开发了具有抗菌性的食品保鲜膜,为该复合材料在食品安全领域的应用提供新思路。

CuNCs的合成及表征：

采用分子动力学模拟深入探讨了CuNCs与半胱氨酸的界面相互作用(图1A-B),并通过吸附模型分析了其在水溶液中的锚定位点。为进一步增强CuNCs的过氧化物酶(POD)样活性,作者选用天然高分子壳聚糖(CS)作为稳定剂和保护剂,构建了CS@CuNCs复合物。如图1C-D所示,相比裸露的CuNCs,CS@CuNCs表现出更小的尺寸分布和更高的ζ-电位,这归因于CS的包覆作用。

CS@CuNCs的酶样活性与抗菌性：

CS@CuNCs具有出色的POD样活性,能够高效催化H₂O₂分解产生毒性更强的羟自由基(·OH),从而杀灭细菌。利用大肠杆菌(E. coli)、金黄色葡萄球菌(S. aureus)等典型细菌进行了抗菌实验,结果表明CS@CuNCs明显抑制了细菌的生长,显著优于单独的CuNCs。

基于葡萄糖代谢的细菌活性快速检测：

作者进一步利用细菌对葡萄糖的代谢特性,建立了一种基于级联反应的快速比色细菌活性检测方法。该检测仅需30分钟,即可通过肉眼观察颜色变化判断细菌活性,操作简单快捷,为现场快速筛查细菌污染提供了新思路。细菌通过代谢葡萄糖产生H₂O₂,而CS@CuNCs能高效催化H₂O₂分解产生颜色变化，不同细菌活性的比色检测结果不同。

CS@CuNCs食品保鲜膜的应用：

最后,作者将CS@CuNCs制备成膜,获得了具有优异抗菌性的食品保鲜薄膜。在葡萄保鲜实验中,实验组样品的重量损失明显低于对照组,表明该膜能有效抑制细菌污染,延长食品保鲜期。

结论

本研究成功构建了基于CS@CuNCs的快速细菌检测及食品保鲜技术。该复合材料不仅具有出色的POD样活性和抗菌性,还可通过简单的比色法实现快速检测细菌活性,为现场食品安全监测提供新方案。未来,可以进一步优化CS@CuNCs在食品包装、生物工程等领域的应用,推动相关技术的发展与应用。

参考文献：Gao, N.; Wang, X.; Tian, J.; Wang, Y.; Ling, G.; Zhang, P., Chitosan/nanoclusters membrane-based sensors with antibacterial properties for rapid detection of bacterial viability and food preservation. Food Hydrocolloids 2024, 154, 110144.