冷等离子体诱导的单宁酸氧化通过醌类化合物驱动的单线态氧生成增强了其杀菌活性

《Food Chemistry》：Cold plasma–induced oxidation of tannic acid enhances bactericidal activity via quinone-driven singlet oxygen generation

　　

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  冷等离子体处理将单宁酸转化为活性醌结构。
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  等离子体生成的醌类物质促进了氧化还原循环，从而持续产生活性氧（ROS）。
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  该处理方法（PAT）对主要食源病原体的杀灭效果超过4个对数级别。
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  活化后持续产生的单线态氧推动了PAT介导的灭活过程。

引言

多酚类化合物是一大类植物次级代谢物，其结构特征是一个或多个芳香环上连接有多个羟基（Zagoskina等人，2023年）。在食品工业中，多酚类化合物因多种特性而受到重视，尤其是它们的抗氧化、抗菌和抗炎作用（Bae等人，2022年；Rahman等人，2021年）。多酚的抗氧化能力源于羟基能够捐赠质子（H⁺），从而防止氧化应激及其相关不良影响（Bhuyan和Handique，2022年）。然而，尽管多酚通常被认为是抗氧化剂，但在特定条件下它们也可能表现出促氧化行为（Andrés等人，2023年）。在促氧化状态下，多酚会促进活性氧（ROS）的生成，这些活性氧会对细胞重要成分造成氧化损伤。这种促氧化行为可能是由于多酚转化为高活性醌类物质所致（Joyner，2021年）。醌类物质具有强亲电性，容易与各种反应途径中的亲核基团相互作用。此外，醌类物质可以通过涉及半醌自由基中间体的氧化还原循环来促进ROS的生成（Schieber，2018年）。

醌类物质可以通过三种主要途径生成：（1）酶促氧化，（2）在氧气存在下的非酶促自动氧化，以及（3）通过其他醌类物质介导的电子转移进行非酶促氧化（Geng等人，2023年）。通常使用多酚氧化酶和过氧化物酶等酶来促进多酚的氧化。其中，漆酶已在多项研究中用于催化多酚氧化为其相应的醌类形式（Isaschar-Ovdat和Fishman，2018年；Tang等人，2022年）。然而，使用这些酶存在一些工业挑战。这些生物催化剂对环境变化（特别是pH值和温度）非常敏感，因此需要精确的条件控制。此外，酶促反应的动力学通常较慢，因此需要较长的孵育时间才能实现显著的转化。在食品应用中，使用外源性酶可能还需要考虑残留活性和随后的酶失活问题，同时应根据酶的来源和预期用途评估潜在的致敏性（Rathnakumar等人，2023年）。因此，需要寻找替代策略来克服这些实际限制。在这方面，最近在水介质中通过自由基介导的反应方面取得的进展表明，可以在温和、无需酶的条件下实现分子的官能化（Qin等人，2024年）。一种有前景的替代方法是使用冷等离子体，也称为非热等离子体。冷等离子体已成为多种应用中的一项有前途的技术，包括毒素降解、表面改性和微生物消毒（Pankaj和Keener，2017年）。等离子体生成的气态物质与水介质相互作用会产生等离子体活化水（PAW）。PAW通常由寿命较长的活性氧和氮氧化物（RONS）组成，如臭氧（O₃）、过氧化氢（H₂O₂）、氮氧化物（NO_X）和过氧亚硝酸盐（ONOOH）（Jyung等人，2024年）。这些RONS，特别是羟基自由基和过氧化氢，提供了强氧化环境，通过羟基化-脱氢序列将酚类物质的羟基氧化为醌类物质，使冷等离子体能够在不需要酶催化的情况下模拟非酶促自动氧化（Rathnakumar等人，2023年；Santos等人，2017年）。尽管有研究探讨了单宁酸的等离子体处理，但主要关注的是单宁酸粉末的固相氧化，以用作水凝胶制剂中的交联剂（Kaczmarek-Szczepańska等人，2024年）。迄今为止，冷等离子体在水体系中诱导多酚形成醌类物质用于抗菌应用的潜力尚未得到充分探索。

在这项研究中，选择单宁酸作为代表性的多酚化合物来研究等离子体处理引起的化学改性。单宁酸是一种天然存在的植物来源的多酚，广泛存在于水果、谷物、茶叶和坚果等食物中（Guo等人，2023年）。由于其多样的生化特性，单宁酸在医疗和食品应用中显示出潜力（Jing等人，2022年）。从化学角度来看，商业单宁酸由一个中心葡萄糖分子和2到12个没食子酰基团组成，其经验公式为C₇₆H₅₂O₄₆（Baldwin和Booth，2022年）。与单分子多酚如没食子酸或儿茶素相比，单宁酸含有多个没食子酰基团和酯键，使其成为评估多位置氧化和等离子体暴露下结构稳定性的理想大分子模型。复杂植物来源的大分子的结构状态对其功能特性起着关键作用（Li等人，2022年）。鉴于其复杂的大分子结构，单宁酸是评估多种等离子体诱导转化（包括氧化降解和结构改性）的合适模型。因此，本研究：i）研究了等离子体处理引起的单宁酸的氧化结构变化，ii）评估了等离子体活化单宁酸的抗菌效果，以及iii）分析了生成的ROS及其在微生物灭活机制中的作用。

章节片段

单宁酸溶液、PAW和等离子体活化单宁酸溶液（PAT）的制备

通过将单宁酸（Sigma-Aldrich，圣路易斯，MO）溶解在无菌蒸馏水中（DW），制备出最终浓度为0.0625、0.125、0.25、0.5和2 mM的单宁酸溶液。

PAW是使用同轴屏障放电反应器生成的，具体方法如先前研究所述（Jyung等人，2022年）。简而言之，该反应器由内外不锈钢电极组成，两者以同轴配置排列，中间用2毫米厚的石英管作为介质屏障。

PAT的化学结构分析

单宁酸溶解在水中会形成透明溶液，但氧化后的单宁酸会变褐，其在420纳米处的吸光度（A₄₂₀）随浓度增加而增加（Yu等人，2023年）。早期研究表明，没食子酸和槲皮素等多酚在氧化过程中也会出现类似的变褐现象，这表明o-醌的形成导致了颜色变化（Bo?i?等人，2012年；Wang等人，2019年）。在这项研究中，观察到420纳米处的吸光度有所增加。

结论

本研究通过证明冷等离子体处理可将单宁酸从天然抗氧化剂转化为强效的促氧化剂抗菌剂，支持了多酚在抗菌应用中的可行性。等离子体诱导的氧化过程使单宁酸的结构转变为活性醌类物质，而不是导致大分子降解。等离子体生成的醌类物质促进了连续的氧化还原循环，从而产生ROS。

CRediT作者贡献声明

Sunna Jyung：写作——审稿和编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、概念构思。So-Seum Yong：写作——审稿和编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、概念构思。Soo-Hwan Kim：写作——审稿和编辑、初稿撰写、验证、监督、概念构思。Dong-Hyun Kang：写作——审稿和编辑、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Sunna Jyung报告称获得了韩国教育部的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

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