利用SCOBY纯化膜制备的纤维素-银和纤维素-金生物活性纳米复合材料

《ACS Applied Bio Materials》：Cellulose–Silver and Cellulose–Gold Bioactive Nanocomposites Obtained Using SCOBY Purified Membranes

绿色合成方法制备了细菌纤维素银/金纳米复合材料，通过水、黑茶和康普茶介质验证了纤维素纳米纤丝的还原和稳定作用。研究发现，康普茶介质合成的AgNPs/SBC具有最高抗氧化活性（44.81%），对E. coli、S. aureus和L. monocytogenes的MIC分别为0.195、1.56、0.78 mg/mL，且纳米颗粒尺寸和结晶度与介质成分显著相关。

　　绿色合成技术在生物活性纳米材料领域正变得越来越受到重视，其应用范围涵盖了生物技术、制药、化妆品等多个行业。在本研究中，通过一种环境友好且成本低廉的方法，成功合成了细菌纤维素-银和细菌纤维素-金的生物纳米复合材料，该方法无需额外的还原剂。首先，从使用共生菌群（SCOBY）的康普茶生产过程中获得的细菌纤维素被纯化，通过碱性溶液去除杂质。接着，利用纯化后的细菌纤维素（SBC）在不同介质中合成银纳米颗粒（AgNPs）和金纳米颗粒（AuNPs），所使用的介质包括水、红茶以及康普茶。结果显示，无论是在哪种介质中，细菌纤维素均能有效还原金属离子，形成纳米颗粒，附着在纤维素纤维表面或纤维之间的空隙中。

研究团队利用扫描电子显微镜（SEM）对合成的纳米复合材料进行了形态和结构特征的分析。SEM图像显示，纳米颗粒呈现出不规则的形状，尺寸范围从几纳米到70纳米不等，具体尺寸取决于合成的介质。透射电子显微镜（TEM）分析进一步确认了纳米颗粒的分布情况，显示它们主要以近球形形态存在于纤维表面或纤维间的孔隙中。X射线衍射（XRD）分析则验证了所合成的AgNPs和AuNPs具有特征性的衍射图谱，确认了其晶体结构的形成。此外，XRD分析还显示了纤维素的Iβ同质异形体特征，表明所合成的纳米颗粒具有良好的结晶性。

为了评估这些纳米复合材料的生物活性，研究团队进一步进行了抗氧化能力和抗菌活性的测试。结果显示，AgNPs/SBC复合材料在康普茶和新鲜红茶中表现出最佳的抗氧化活性。这可能与纳米颗粒的大小和表面特性有关，因为较大的纳米颗粒能够更容易地溶解于水溶液中，从而释放出更多的活性物质。同时，抗菌活性测试显示，这些复合材料对革兰氏阴性菌如大肠杆菌（E. coli）以及革兰氏阳性菌如金黄色葡萄球菌（S. aureus）和李斯特菌（L. monocytogenes）均表现出显著的抑制效果。其中，SK1（康普茶中合成的AgNPs/SBC）在所有测试中显示出最高的抗菌活性，这可能与其较大的纳米颗粒尺寸和较强的还原能力有关。

通过进一步的统计分析，研究团队发现不同合成介质对纳米颗粒的形成和分布产生了重要影响。在康普茶中合成的纳米颗粒通常较大，这可能与其复杂的有机成分和丰富的生物活性物质有关。相比之下，红茶和自来水中的纳米颗粒尺寸较小且分布更均匀，这可能与这些介质中相对较少的有机物有关。此外，纳米颗粒的结晶度也受到合成介质的影响，其中AgNPs的结晶度较高，而AuNPs则在某些情况下表现出更高的单晶性。

研究团队还利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对合成的纳米复合材料进行了分子结构分析。FTIR光谱显示，这些材料中存在一些特定的振动模式，表明纳米颗粒与细菌纤维素之间存在相互作用。这些相互作用可能包括纳米颗粒与纤维素的氢键结合，以及纳米颗粒对纤维素表面的吸附。此外，FTIR分析还揭示了纳米颗粒对纤维素结构的改变，这种改变可能增强了其抗氧化能力。FTIR数据还显示，合成过程中去除了一些非纤维素成分，如蛋白质、糖类和黑色素，这些成分可能会影响纤维素的活性。

在抗氧化活性方面，DPPH和ABTS两种测试方法均显示出AgNPs/SBC复合材料具有较高的活性。特别是SK1样品，其抗氧化活性显著高于其他样品，这可能与其较大的纳米颗粒尺寸和较高的结晶度有关。此外，研究团队还观察到，AgNPs的抗氧化活性高于AuNPs，这可能与AgNPs的表面能和吸附能力有关。这些结果表明，AgNPs/SBC复合材料在抗氧化方面具有更广泛的应用潜力。

在抗菌活性方面，研究团队通过琼脂扩散法和微量稀释法对合成的纳米复合材料进行了评估。结果显示，SK1和SK2样品（分别在康普茶中合成的AgNPs/SBC和AuNPs/SBC）对多种细菌均表现出显著的抑制作用。其中，SK1样品对大肠杆菌表现出最强的抗菌活性，这可能与其较高的纳米颗粒浓度和较大的颗粒尺寸有关。同时，研究团队还发现，AgNPs的抗菌活性高于AuNPs，这可能与AgNPs的表面电荷和对细菌细胞壁的破坏能力有关。

综上所述，该研究通过绿色合成方法成功制备了细菌纤维素-银和细菌纤维素-金的生物纳米复合材料。这些材料在抗氧化和抗菌方面表现出优异的性能，尤其是在康普茶和红茶中合成的样品。研究结果表明，这些纳米复合材料在医疗和食品包装等领域具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步优化合成条件，提高纳米颗粒的均匀性和稳定性，从而拓展其在更多领域的应用。