基于嗜热分泌组辅助农食废弃物增值合成多功能银纳米颗粒的研究

《Food Bioscience》：Agri-food waste valorisation through thermophilic secretome-assisted synthesis of multifunctional silver nanoparticles

　　

农食废弃物（agri-food waste, AFW）可通过利用其衍生生物活性提取物合成银纳米颗粒（silver nanoparticles, AgNPs）。嗜热微生物分泌组（thermophilic secretome）的生物分子可调控AgNP的形成与稳定性。分泌组能够减小AgNP粒径并提高纳米颗粒的均一性。胞外大分子有助于AgNP的稳定化。所获得的生物活性AgNPs表现出低溶血活性（低于2%）。

研究背景与研究意义

农食部门是全球有机残留物的主要产生者之一，每年约有超过13亿吨食物被损失或浪费，约占人类消费食品总量的三分之一。其中很大一部分生物质由农食废弃物构成，包括果皮、种子、果渣、叶片以及工业加工过程中产生的残渣。这些材料通常通过填埋、焚烧或其他低价值处理方式处置，导致温室气体排放、资源枯竭和经济损失。在此背景下，农食废弃物的增值转化已成为支持向循环经济和生物经济模式转型的重要策略，同时也能减少农食生产系统对环境的影响。

农食废弃物中含有多种生物活性和氧化还原活性化合物，包括多酚、类黄酮、有机酸、还原糖、蛋白质及其他植物源代谢物。这些化合物的给电子、金属螯合和抗氧化特性使其适用于多种生物技术应用。其中，绿色合成金属纳米颗粒作为一种新兴的增值途径受到越来越多的关注。农食废弃物衍生的植物提取物可在纳米颗粒形成过程中同时充当还原剂和稳定剂，为传统化学方法提供替代方案。然而，农食废弃物介导的纳米颗粒合成仍存在若干局限性，如植物生物质组成因物种、地理起源、栽培条件、加工历史和提取方法而异，导致批次间差异大，对粒径分布和胶体稳定性的控制有限。因此，需要额外的生物组分来提供可重复的还原和封端功能，以提高基于农食废弃物的合成体系的稳健性。

微生物分泌组因其含有酶、蛋白质、肽、代谢物及其他可能参与金属还原和纳米颗粒稳定的生物分子而成为极具前景的纳米颗粒合成胞外平台。嗜热微生物产生的分泌组尤其具有优势，因为其胞外生物分子适应于在相对高温和其他苛刻理化条件下发挥作用。然而，嗜热分泌组与化学多样性丰富的农食废弃物提取物的联合使用仍未得到充分探索。本研究旨在探究将农食废弃物衍生的植物化学物质与嗜热细菌分泌组的胞外生物分子结合能否在AgNP合成过程中提供互补的还原和稳定功能。

研究方法

研究人员采用了多项关键技术方法。首先，从三种代表性农食废弃物——废茶渣、葡萄果渣和柑橘果皮——中制备了植物源提取物，采用超声辅助提取法获得生物活性成分。其次，从分离自意大利那不勒斯Pisciarelli热液区的嗜热细菌Geobacillus stearothermophilus GF16中制备了无细胞分泌组作为胞外生物分子的来源。随后设计了七种生物还原配方，包括单独分泌组、单独各植物提取物以及分泌组与各植物提取物的混合体系，用于在60°C下进行AgNO₃还原合成AgNP。研究人员通过紫外-可见光谱监测纳米颗粒形成，利用动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）表征粒径和形貌，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表面化学性质，并使用等温热重分析（TGA）评估涂层热稳定性。此外，还通过多种体外实验评估了AgNP的抗氧化、抗炎、抗糖尿病、抗菌活性及血液相容性。

研究结果

3.1 农食废弃物衍生化合物与分泌组相关活性定义了合成前的还原环境

研究人员通过总酚含量测定、铁离子还原抗氧化力（FRAP）和ABTS自由基清除能力评估了不同配方的氧化还原特性。结果表明，茶提取物具有最高的总酚含量和铁还原能力，葡萄果渣提取物则显示出最高的ABTS自由基清除能力。分泌组的加入显著改变了各配方的抗氧化谱，所有混合配方均表现出高于相应单独提取物的FRAP值。ABTS测定显示，分泌组的加入使混合配方的自由基清除能力显著增强，其中S+GP配方达到最高值。硝酸还原酶活性检测表明，分泌组本身具有明显的硝酸还原酶活性，而农食废弃物提取物的加入对该酶活性的影响不显著。

3.2 分泌组掺入调节AgNP尺寸、分散性和表面性质

UV-Vis光谱显示所有配方均形成了AgNP，但表面等离子体共振（SPR）带的位置、强度和宽度存在差异。TEM和DLS分析一致表明，分泌组辅助合成的AgNP粒径更小、分布更均匀。例如，S+Tea-AgNP的TEM直径为18.16±3.76 nm，DLS水动力学直径为19.0±1.4 nm，PDI为0.20±0.05，而Tea-AgNP分别为23.06±6.85 nm、52.2±8.2 nm和0.55±0.03。ζ电位测量显示，分泌组的加入改变了纳米颗粒的表面电荷，对于茶基体系实现了从负到正的电荷反转，而对于葡萄果渣和柑橘皮基体系则使负电位绝对值增大。FTIR分析表明，分泌组生物分子参与了纳米颗粒表面杂化冠层的形成。

3.2.1 长期胶体稳定性和批次间重现性

90天储存监测显示，单独提取物合成的AgNP水动力学直径增长显著，而分泌组辅助合成的AgNP尺寸变化较小，PDI值更低，ζ电位绝对值更大，表明胶体稳定性得到改善。批次间变异系数分析显示，分泌组对批次间重现性的影响取决于农食废弃物基质。

3.3 杂化生物分子冠层增强AgNP表面涂层的热稳定性

等温TGA分析表明，单独提取物合成的AgNP在120°C等温过程中质量损失较大，其中茶基AgNP损失约24%。相比之下，分泌组辅助合成的AgNP质量损失极小（低于3%），表明来自嗜热G. stearothermophilus GF16的胞外生物分子形成了热稳定性更高的表面冠层。

3.4 分泌组辅助AgNP表现出增强的抗氧化性能

DPPH和ABTS自由基清除实验及FRAP测定均表明，分泌组的掺入普遍提高了AgNP的抗氧化活性。DPPH实验中，所有分泌组辅助配方的IC₅₀值均低于相应的单独提取物配方。ABTS实验中，S+GP-AgNP表现出接近Trolox对照的IC₅₀值（39.87 μg/mL），而茶基配方的ABTS活性受分泌组影响不大，显示了基质依赖性。

3.5 基质依赖的生物分子涂层影响抗炎活性和血液相容性

BSA和卵清蛋白变性抑制实验表明，所有AgNP配方均表现出浓度依赖性的抗蛋白变性活性。茶基和柑橘皮基AgNP表现出较高的抑制率。分泌组的加入对抗炎活性的影响呈基质依赖性，对柑橘皮基AgNP的增强作用最为明显。溶血实验表明，所有配方的溶血率均低于2%，符合血液相容性标准。分泌组辅助合成的AgNP与阴性对照组无显著差异，而单独提取物合成的AgNP则表现出显著但仍在安全范围内的溶血活性。

3.6 AgNP的抗糖尿病活性及其对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制的调节

α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制实验表明，分泌组的加入对两种酶的抑制活性产生了不同的影响。对于α-淀粉酶，分泌组辅助配方在某些情况下降低了抑制活性；而对于α-葡萄糖苷酶，分泌组辅助配方则增强了抑制效果，其中S+CP-AgNP表现出最低的IC₅₀值。

结论

本研究首次证明，嗜热细菌分泌组与化学多样性丰富的农食废弃物提取物可以整合到一个杂化生物分子平台中，用于可控生物合成和稳定化多功能AgNP。分泌组的掺入一致地减小了AgNP的粒径和多分散性，改变了表面电荷分布，并通过形成热稳定的杂化生物分子冠层显著提高了表面涂层的热稳定性。这些物理化学变化转化为增强的抗氧化活性、基质依赖的抗炎活性改善、良好的血液相容性以及对α-葡萄糖苷酶的选择性抑制增强。本研究表明，嗜热微生物分泌组可作为有效的功能性封端剂，与农食废弃物衍生的植物化学物质协同作用，实现具有可调生物特性的AgNP的可持续生产。