金属有机框架基纳米酶在食品应用中的最新进展：结构-活性关系、挑战与未来展望

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Recent Advances in MOF-Based Nanozymes for Food Applications: Structure-Activity Relationships, Challenges and Future Perspectives

　　•连接MOF纳米酶结构、催化活性与食品应用。
•总结其在传感、绿色加工、保鲜和活性包装方面的应用。
•阐明孔道、活性位点和刺激响应结构-活性效应。
•识别相容性、稳定性、迁移和食品接触安全性方面的空白。
•提出人工智能引导设计和面向食品应用的全链条转化。

引言

随着全球消费者对食品安全与质量关注度的持续提升，开发快速灵敏的检测技术（Bharti, Jain, & Chauhan, 2024）、绿色高效的加工技术（Ling, Yang, Zhang, Yao, & Xu, 2024）以及智能安全的保鲜方法，已成为学术界和工业界食品系统的核心研究方向（Du, et al., 2023）。传统食品检测技术，如高效液相色谱（HPLC）和液相色谱-质谱联用（LC-MS），具有准确度高的优势，但依赖大型仪器、操作复杂、检测周期长，难以实现现场快速检测，无法满足整个食品链的快速检测需求（Ling, et al., 2024; Louppis & Kontominas, 2024）。在食品加工领域，传统化学催化剂反应条件苛刻、副产物多、造成环境污染；而天然酶虽然催化效率高、选择性强，但存在热稳定性差、易失活、成本高、难以回收再利用等问题，限制了其在工业食品生产中的大规模应用（Chalella Mazzocato & Jacquier, 2024; Jothyswarupha, et al., 2025）。在食品保鲜与储存方面，传统化学防腐剂和普通包装材料存在食品安全隐患、保鲜效果有限，且无法实现实时质量监测，难以满足消费者对高品质生鲜食品的需求（Yao, et al., 2024; Zhang, et al., 2024）。因此，开发集高效、稳定、安全、智能于一体的新型食品工业技术已成为行业的迫切需求。

随着纳米科学和纳米技术的发展，各种纳米酶材料应运而生，并广泛应用于生物传感（Huang, et al., 2022）、环境监测（Tang, et al., 2022）、食品安全（R. Yang, et al., 2025）等领域。在众多纳米酶体系中，金属有机框架（MOF）基纳米酶作为一类新兴的仿生催化材料，由金属离子/团簇与有机配体通过配位键自组装而成，融合了MOF的结构优势与纳米酶的催化功能，在模拟酶催化领域展现出独特的竞争力（Chi, Gu, Li, & Wang, 2024; M. Xie, et al., 2025）。与天然酶相比，许多MOF基纳米酶对苛刻的pH和温度条件表现出更好的耐受性，有助于缓解天然酶在食品加工环境下的不可逆失活（Hou, Wang, Gao, Ping, & Zhao, 2024; Kidanemariam & Cho, 2025）。同时，其高比表面积、可调孔隙率和可及活性位点为复杂食品基质中的底物富集、催化调控和痕量目标物检测提供了理想平台（Cheng, Liu, & Hu, 2024）。

当前，食品工业面临检测技术智能化升级、加工技术绿色化转型和全链条质量管控等多重挑战。MOF基纳米酶的结构和性能优势使其能够精准适应食品工业的多样化需求。在食品安全检测领域，MOF基纳米酶传感系统可提高信号放大效率、缩短检测周期，从而实现对食品基质中污染物和病原体的现场快速检测（Y. Chen, et al., 2023; Z. Xie, et al., 2025）。在绿色食品加工中，其可调的催化中心、相对稳健的理化性质以及潜在的可回收性，为在特定加工条件下补充天然酶和传统化学催化剂提供了机会（Marrufo-Hernandez, Najera, Gonzalez Chavez, & Beltran, 2024; Su, Liang, Xing, & Tan, 2026）。在食品保鲜领域，它们可通过催化产生活性氧（ROS）实现高效杀菌，通过多孔结构吸附异味物质和有害气体，并结合刺激响应特性实现食品新鲜度的实时监测，显著延长食品保质期（Jiang, et al., 2025; Xu, et al., 2025）。

尽管近年来已有若干综述总结了纳米酶在食品质量与安全检测方面的发展，并从材料设计、催化活性调控、氧化还原酶模拟机制和光学生物传感平台等角度讨论了MOF基纳米酶，但多数研究主要聚焦于分析传感或一般纳米酶化学（Guo, You, Li, Chen, & Wang, 2021; Sun, et al., 2025）。相比之下，面向食品应用、同时关联MOF结构设计、模拟酶催化机制、合成与功能化策略以及实际食品场景的框架受到的关注有限。本综述全面总结了MOF基纳米酶的结构特征、催化机制、合成与功能化策略，批判性地讨论了其在食品系统中的应用研究进展，深入分析了制约其工业化应用的核心挑战，并提出了针对性的突破策略和未来发展方向。本综述的核心价值如下：第一，构建了MOF基纳米酶“结构-性能-食品应用”的完整逻辑体系，明确了不同场景下的构效关系；第二，系统梳理了食品安全检测、绿色食品加工和食品保鲜三大核心领域的应用进展；第三，批判性评估了制约其工业化应用的关键技术瓶颈；第四，提出了基于材料设计、工艺优化和安全评估的系统性解决方案，最终为推动MOF基纳米酶在食品系统中的应用、保障食品安全、驱动食品工业高质量发展提供理论参考和方向指引。

本综述中，MOF基纳米酶严格定义为含MOF体系，其中MOF骨架、配位金属中心、掺入的催化物种或其协同界面表现出经实验验证的模拟酶催化活性。因此，本综述的主要证据基础聚焦于具有明确验证的类过氧化物酶、类氧化酶、类过氧化氢酶、类超氧化物歧化酶、类水解酶或其他类酶活性的体系。仅作为吸附剂、包封基质、天然酶载体或控释载体发挥作用的MOF体系，不归类为MOF基纳米酶。尽管如此，当这些研究为纳米酶制备、固定化、刺激响应递送或食品相关材料集成提供相关方法学概念时，仍保留少量此类研究作为补充性或可转移的MOF赋能策略。这些示例与MOF基纳米酶应用的直接证据明确区分。同样，直接食品相关证据指涉及食品基质、食品污染物、食源性微生物、食品加工、保鲜、包装或质量监测的研究，而生物医学或农业研究仅在阐明明确可转移设计原理时引用。

与本综述相关的文献主要通过Web of Science核心合集、Scopus、PubMed和Google Scholar检索，重点关注2021年至2026年间发表的研究。检索词包括“金属有机框架”、“MOF”、“纳米酶”、“模拟酶活性”、“类过氧化物酶”、“类氧化酶”、“食品安全”、“食品加工”、“食品保鲜”和“活性包装”等组合。优先纳入报告了实验验证的模拟酶活性以及与食品直接相关或明确可转移性的原始研究。

章节片段

MOF基纳米酶的结构与特性

MOF是由金属离子或金属团簇与有机配体通过配位键自组装形成的多孔晶体材料（Yusuf, Malek, & Kailasa, 2022）。当经过合理设计赋予其类天然酶催化特性时，即形成MOF基纳米酶。这类材料融合了MOF的结构优势和纳米酶的催化功能，展现出许多适合食品应用的优异特性（Sharanyakanth &

MOF基纳米酶在食品系统中的应用

基于其可调的模拟酶催化活性、高稳定性、多孔富集特性和智能响应能力，MOF基纳米酶在整个食品产业链中展现出广泛的应用潜力，涵盖三大核心场景：智能食品安全监测、绿色食品加工与品质提升，以及从农场到餐桌的长期食品保鲜与活性包装。我们系统梳理了其应用机制和研究进展

MOF基纳米酶在食品应用中的局限与挑战

尽管MOF基纳米酶在食品系统中展现出巨大的应用潜力和显著的性能优势，但仍面临诸多局限和挑战，主要集中在材料-食品系统相容性、环境稳定性和食品接触安全性等方面。

提高与复杂食品系统的相容性

提高MOF基纳米酶与复杂食品系统的相容性是其实用化的前提。与简化缓冲体系不同，真实食品基质中含有蛋白质、脂质、碳水化合物、有机酸、盐类、色素等成分，这些成分可能竞争目标底物的催化位点、改变金属中心的局部配位环境，或干扰光学和电化学信号。因此，催化活性的优化

结论

MOF基纳米酶代表了一类多功能仿生催化材料，其可调多孔结构、可及催化中心和灵活功能化为食品分析、加工和保鲜提供了广阔前景。本综述全面总结了MOF基纳米酶的结构特征、模拟酶催化机制以及合成与功能化策略，阐明了其“结构-性能-食品应用”关系

未引用文献

Chen et al., 2023; Hou et al., 2024; Huang et al., 2025; Li et al., 2024; Li et al., 2024; Ma et al., 2024; Sun et al., 2025; Wang et al., 2025; Xie et al., 2025; Xu et al., 2025; Yang et al., 2024; Yang et al., 2025; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2026; Zhao et al., 2026; Zheng et al., 2025.

CRediT作者贡献声明

Xinhua Zhang：文献研究、初稿撰写。Hao Guo：形式分析。Guangyu Xu：验证。Xiuling Zhang：概念化、初稿撰写、监督、资金验证。Weiwei Yang：概念化、初稿撰写、验证、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

本工作受中国成人教育协会“人工智能+终身学习”重点项目（2025-2026）——基于教育大模型与“三谱合一”融合的营养与食品卫生智能教育研究资助（项目编号：AI-Z2025016S）。

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