溶菌酶功能化纳米纤维膜的优化开发及其在食品包装中的可重复使用抗菌性能

《Food Packaging and Shelf Life》：Optimized development of lysozyme-functionalized nanofiber membranes with reusable antibacterial performance for food packaging applications

本综述系统阐述了以聚丙烯腈（PAN）为基材，通过胺肟化改性构建P-Oxime膜并固定化溶菌酶（LYZ）制备多功能抗菌纳米纤维膜的研究。该P-Oxime-LYZ膜在优化条件下对大肠杆菌（E. coli）抗菌率近100%，兼具优良生物相容性、可重复使用性（5次循环）及环境稳定性（4周），为开发高效、安全的活性食品包装材料提供了新策略。

　　

Highlight

这些结果凸显了P-Oxime-LYZ纳米纤维膜作为一种有效且可重复使用的活性包装材料，在提升食品安全和延长产品货架期方面的潜力。

Introduction

微生物污染在医疗保健、食品安全和水处理领域构成重大风险。在医疗保健领域，细菌感染常常使伤口护理和外科敷料复杂化，导致愈合延迟、住院时间延长和医疗成本增加 (Dowsett and Hall, 2019, Gnoumou et al., 2024, Le et al., 2024, Malone and Schultz, 2022, Mirhaj et al., 2022)。在食品工业中，加工、包装和储存过程中的微生物污染可引起食源性疾病，对公共卫生和经济稳定产生重大影响 (Akinsemolu and Onyeaka, 2024, Karanth et al., 2023, Mahunu et al., 2024)。水处理系统在维持微生物安全方面也面临挑战，这凸显了对高效抗菌技术的需求 (García-ávila et al., 2021, Pichel et al., 2019, Wen et al., 2020)。使问题更加复杂的是，全球抗菌素耐药性的上升产生了对传统抗生素以外替代抗菌策略的迫切需求 (Dadgostar, 2019, Roope et al., 2019)。

为应对这些关切，多功能抗菌材料已被开发出来，它们将微生物抑制与生物相容性、耐久性和稳定性等特性相结合 (Duan et al., 2022, Mas-Moruno et al., 2019, Yu et al., 2020)。在食品包装中，此类材料可延长产品货架期，同时减少对防腐剂和冷藏的依赖 (Baptista et al., 2020, Fadiji et al., 2023, Rout et al., 2022)。纳米技术的影响尤为显著，它使得能够制造具有高比表面积、可调孔隙率和多样化功能选项的抗菌纳米纤维膜 (Bakhshi et al., 2024, Chamanehpour et al., 2024, El-Aswar et al., 2022)。

近期研究显示了活性和智能包装领域的重大进展。例如，氨响应性淀粉/聚乙烯醇（PVA）薄膜可实现腐败监测 (Wu et al., 2024)，而智能壳聚糖（CS）薄膜有助于生物标志物检测 (Bhowmik et al., 2024)。掺入银纳米颗粒 (Cheng et al., 2021, Maloufi et al., 2025, Zhao et al., 2022)、壳聚糖/淀粉-碳点系统 (Khan et al., 2023) 以及氧化锌（ZnO）/果胶-纤维素气凝胶 (Wu et al., 2023) 的抗菌包装薄膜展示了强大的抗菌效果。然而，毒性、制备复杂性或高成本常常限制其实际应用。静电纺丝也已作为一种通用的制造方法出现，使得能够生产具有多功能特性的纳米纤维膜，例如用于柑橘保鲜的聚乳酸（PLA）/ZIF-67双层膜 (Atay et al., 2025) 和用于香蕉成熟控制的金属有机框架（MOF）/二氧化钛（TiO₂）纳米纤维 (Qin et al., 2024)。总的来说，这些例子突显了电纺膜在食品保鲜方面日益增长的应用潜力 (Wang & Su, 2024)。

尽管取得了有希望的进展，当前的抗菌薄膜仍面临显著挑战。基于银纳米颗粒和聚六亚甲基双胍（PHMB）的系统虽然有效，但受到细胞毒性担忧、监管限制和环境风险的阻碍 (Le et al., 2024, Ng et al., 2020, Xu et al., 2021)。壳聚糖（CS）虽然具有生物相容性，但在可变条件下表现出pH依赖性溶解度和降低的抗菌稳定性 (Cheah et al., 2019, Ng et al., 2020, Wen et al., 2024)。其他系统需要多步合成、涉及溶剂密集型过程或依赖合成染料，限制了可持续性和可扩展性 (Dinh et al., 2024a, Wen et al., 2024, Yang et al., 2025)。此外，在食品包装应用中，长期的可重复使用性和结构稳定性仍未得到充分探索。这些局限性凸显了对具有持久活性和简化制备工艺的、可扩展的、生物来源的抗菌膜的需求。

展望未来，未来的研究应致力于弥合实验室原型与工业可行抗菌膜之间的差距。除了抗菌功效外，机械强度和阻隔性能（例如，防潮和气体阻隔性）的改善对于确保符合包装标准至关重要。文献提出了一些有前景的策略：通过聚合物共混增强拉伸性能 (Rangari et al., 2019)，通过化学或物理交联改善长期稳定性 (Fatima et al., 2024)，以及通过表面改性来调整阻隔特性 (Fatima et al., 2024, Wang and Su, 2024)。这些方法为开发结合强大抗菌活性与商业实用性的下一代膜提供了路线图。

在本研究中，我们开发了一种基于聚丙烯腈（PAN）的多功能抗菌纳米纤维膜，潜在用于活性食品包装系统。选择PAN而非醋酸纤维素（CA）和PA56，是因为其优异的机械强度、耐化学性和热稳定性，使其成为进一步改性的稳健平台 (Dinh et al., 2024a, Dinh et al., 2024b, Kausar, 2019, Wen et al., 2024, Yang et al., 2025)。采用胺肟化法引入反应性–C=NOH基团，生成能够稳定固定生物活性剂的P-Oxime膜 (Feng et al., 2024, Karatas et al., 2022, Le et al., 2024)。

溶菌酶（LYZ）是一种天然酶，对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus））具有强效抗菌活性，并对革兰氏阴性菌（如大肠杆菌（Escherichia coli））具有部分活性。使用EDC/NHS偶联法将LYZ共价固定在膜上，以增强稳定性和可重复使用性 (Gnoumou et al., 2024, Tran et al., 2024)。固定化的LYZ有望提供广谱抗菌性能，主要针对革兰氏阳性菌，并辅以针对革兰氏阴性菌的活性，这得益于膜特性促进细菌粘附和破坏 (Gnoumou et al., 2024, Huang et al., 2025, Jia et al., 2024, Li et al., 2025)。

对所得的P-Oxime-LYZ纳米纤维膜进行了全面表征，包括使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、机械性能评估、抗菌测定、生物相容性测试、稳定性评估和可重复使用性研究。抗菌活性针对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）进行评估，以评估其对革兰氏阴性和革兰氏阳性菌的性能 (Breijyeh et al., 2020, Huang et al., 2025, Jia et al., 2024, Li et al., 2025)。这项工作重点介绍了P-Oxime-LYZ纳米纤维膜的开发和优化，该膜具有实现高抗菌效率、持久酶保留和稳定可重复使用性的潜力，在食品包装、生物医用纺织品和环境保护方面提供了有前景的应用。

Conclusions

本研究调查了P-Oxime-LYZ纳米纤维膜对大肠杆菌（E. coli）的抗菌性能，确定了实现近100％抗菌效果的最佳条件。这些条件包括使用30 mg/mL NH₂OH在70 °C下胺肟化30分钟，LYZ在pH 5、浓度为1 mg/mL下固定化，以及10分钟的接触时间。细胞毒性测定证实了LYZ功能化膜的高生物相容性，表明其在食品包装和生物医学应用中的安全性。