Zn-MOF@g-C?N?光催化剂通过干扰能量代谢定向灭活即食肉制品中的特定腐败菌

《Food Research International》：Targeted inactivation of specific spoilage bacteria in prepared meat products by Zn-MOF@g-C?N? photocatalyst through energy metabolism disruption

　　

•制备了Zn-MOF@g-C?N?异质结光催化剂。•该光催化剂针对预制肉制品中的特定腐败菌。•该光催化剂的杀菌机制是能量代谢紊乱。•在实际肉制品中，该光催化剂可将活菌计数降低约2.02 log CFU/g。

## 引言

微生物污染是预制肉制品品质劣化和保质期缩短的主要原因（Huang等，2025）。在存在的各种微生物中，特定腐败微生物（SSOs）是引发腐败的关键——它们在冷藏储存期间与其他微生物竞争并占据主导地位。这些细菌会产生异味、黏液、变色和气体形成，从而降低产品可接受性并导致经济损失（Cheng等，2026）。对于烧烤、油炸和蒸煮等预制肉制品，其腐败微生物群落组成与鲜肉不同，这是由于加工过程中的热处理及随后的冷藏储存所致。这要求识别并靶向这些产品中占主导地位的特定腐败微生物。

传统的保鲜方法，包括低温保存、改变气体包装和化学保鲜剂，已被广泛用于抑制肉制品中的微生物生长（Wang等，2026）。然而，这些方法正面临越来越多的挑战。冷链的断裂仍然是运输和零售展示过程中的风险，因此可能导致产品更快变质。同时，消费者对"清洁标签"产品的日益增长的需求给减少或去除化学防腐剂带来了压力（Aadil，2022）。此外，对化学残留的担忧导致许多国家对防腐剂的使用制定了更严格的法规。这些限制促使人们强烈寻找新的、高效且环保的抗菌技术，这些技术可以提供安全有效的保护，而不损害产品质量或消费者接受度。

在这种情况下，纳米材料因其特殊的物理和化学特性而成为抗菌应用的有希望的候选材料。由于这些材料的尺寸通常在1至100纳米之间，它们具有极大的比表面积、可调的表面化学性质和多种抗菌作用方式，能够克服传统药物的限制（Jiang等，2022；Thangudu等，2025）。在众多利用纳米材料的方法中，光催化抗菌技术因其能在光照激发下产生活性氧（ROS）的能力而备受关注。当光催化剂捕获能量等于或大于其带隙的光子时，电子从价带被泵出到导带，留下带正电的空穴。这些光生电子-空穴对可以迁移到材料表面并参与氧化还原反应，与水及氧气反应从而生成ROS，包括羟基自由基（·OH）、超氧阴离子（O??）和过氧化氢（H?O?）。活性氧物种通过破坏膜完整性、使蛋白质失去自然活性、氧化脂肪分子以及引起DNA链断裂，对细菌细胞造成致命的氧化损伤——这些效应共同导致细胞快速死亡（Wen等，2026）。基于这一原理，许多由ROS介导的抗菌策略已被开发并成功应用于生物医学、水处理和食品包装等领域。

金属有机框架（MOFs）由于其特殊的结构特征，近年来成为一种有希望的光催化剂。通过金属离子或金属簇与有机配体以配位键自组装构建，MOFs表现出极高的比表面积、可调的孔结构、多种活性位点和可修饰的带隙（Zhang等，2025）。这些特性使其成为光催化应用场景的理想候选材料，包括污染物降解、水分解和抗菌处理。尽管纯MOFs具有高比表面积和可调带隙，但它们存在光生电子-空穴对快速复合的问题，严重限制了其光催化效率。通过将MOF与其他半导体偶联构建异质结可以克服这一限制。在典型的II型异质结中，阶梯式能带排列在界面处产生内建电场，驱动电子和空穴向不同组分空间分离。这种分离延长了载流子寿命，减少了复合损失，并增强了活性氧物种的生成。因此，与纯MOFs相比，基于MOF的异质结在相同条件下表现出显著更高的光催化活性。为了解决这一限制，研究人员研究了通过MOF与其他半导体材料的结合来构建异质结（Jaksani等，2026）。

石墨相氮化碳（g-C?N?）是一种二维共轭半导体，作为MOF的异质结匹配材料，已引起广泛关注。凭借其可见光响应性、优异的物理化学稳定性、无毒性和适当的能带结构，g-C?N?与其他光催化剂结合时能有效拓宽光吸收范围并促进电荷分离（Pei等，2024）。最近的研究工作证明，构建MOF@g-C?N?异质结可以通过产生界面电场来明显改善光催化效果，该电场有助于光生载流子的分离和迁移，同时抑制电子-空穴复合。例如，Zhang等研究人员证明，将P和Mn元素掺入g-C?N?或金属有机框架（MOFs）中可以有效增大g-C?N?与MIL-101之间的费米能级差，从而增强内建电场（BIEF）推动载流子的定向移动（Zhang, Wu等，2025）。类似地，Lu等研究人员报告称，当超薄层状Cu-TCPP MOF与g-C?N?纳米片结合时，这一动作大大增强了电荷传输和分离，这被认为是导致光催化活性提高的核心因素；所得CT/CN复合材料的产氢速度是纯g-C?N?的五倍（Lu等，2023）。尽管在材料合成和环境应用方面取得了这些进展，但MOF@g-C?N?异质结在控制肉制品中特定腐败菌方面的潜力尚未被探索。

仍存在两个重要空白。大多数光催化抗菌研究集中在模式菌株上，如大肠杆菌或金黄色葡萄球菌（Ganguly等，2018），对肉制品中实际占主导地位的特定腐败菌关注有限。代谢组学的最新进展——一种用于生物系统中小分子代谢物谱的系统性技术——在肉类腐败研究中展现了相当大的前景。通过全面捕捉腐败过程中微生物代谢活动驱动的生化动态，代谢组学为 deciphering腐败机制和识别潜在的腐败标志物提供了有力工具。在冷藏牛肉腐败研究中，基于超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）的非靶向代谢组学成功追踪了储存过程中的代谢物变化，鉴定出63个潜在标志物，揭示氨基酸、碳水化合物和核苷酸的降解是驱动腐败和风味劣化的主要途径；KEGG富集分析进一步确定了嘌呤代谢、戊糖代谢和氨基酸代谢为关键途径（Liu, Zhang等，2026）。基于GC-MS的非靶向代谢组学被用于监测4°C储存下肋眼牛排的质量变化，成功鉴定出140种挥发性代谢物。结果进一步揭示，硫代谢、苯丙氨酸代谢和烟酸/烟酰胺代谢构成了牛肉腐败的核心途径（Di等，2026）。对于预制肉制品，一项研究比较了不同保鲜策略对调味牛肉微生物群落、挥发性风味化合物和代谢组学特征的影响（Yao等，2026）。在海鲜领域，代谢组学也已被应用于研究牡蛎腐败中优势腐败菌的特异性作用，以及冷冻和冷藏储存下鲶鱼的质量变化（Dou等，2025）。总体而言，代谢组学已被广泛应用于各种肉制品的腐败机制研究，并成功识别出多种与腐败过程密切相关的代谢途径和潜在标志物。然而，大多数现有研究专注于肉制品腐败本身的代谢物变化，而系统地阐明腐败微生物在光催化抗菌材料作用下的全局代谢响应——特别是这些材料如何干扰特定代谢途径（如能量代谢）来实现抗菌效果——仍然缺乏。这一空白为利用代谢组学方法深入研究光催化抗菌材料提供了有前景的途径。

为了解决这些空白，我们构建了Zn-MOF@g-C?N?异质结光催化剂，并评估了其对从烧烤、蒸煮和油炸肉制品中分离出的三种优势腐败菌——荧光假单胞菌、安全乳杆菌和嗜冷布氏菌的抗菌效果。通过整合细胞损伤的表型检测与非靶向代谢组学，我们确定能量代谢是该材料光催化活性靶向的关键脆弱性，琥珀酸脱氢酶抑制导致ATP耗竭及随后的脂质过氧化。在模拟储存条件下接种的肉制品中验证了这种基于机制的策略的实际应用性。

## 章节摘要

### 材料与试剂

具体使用的试剂详见补充材料。

### Zn-MOF@g-C?N?的制备

首先按照Yang等人描述的热水法合成二维Zn-MOF（Yang等，2025）。简要来说，将Zn(NO?)?·6H?O（9 mg）、吡嗪（1.6 mg）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP，40 mg）溶解在24 mL的DMF/乙醇混合物（3:1，v/v）中。将TCPP（8 mg）单独溶解在8 mL的DMF/乙醇（3:1，v/v）中，然后逐滴加入上述溶液中。混合物在室温下进行超声处理。

### 材料表征

扫描电子显微镜（SEM）用于检查合成材料的形态特征。如图2A和B所示，Zn-MOF表现出典型的二维纳米片形态，横向尺寸为几微米，这些纳米片的边缘出现分离并从基底卷曲，表明其具有柔性的超薄结构。与g-C?N?复合后，Zn-MOF@g-C?N?异质结保留了片状形态，但表面变得……

## 结论

本研究开发了一种Zn-MOF@g-C?N?异质结光催化剂，并显示其对从预制肉制品中分离出的三种优势特定腐败菌具有强效抗菌活性。从机制上看，杀菌作用靶向能量代谢：琥珀酸脱氢酶被抑制（60%），导致ATP耗竭（70%）及随后的氧化性膜损伤（MDA增加2.5倍），经整合表型和代谢组学分析确认。在模拟……

### CRediT作者贡献声明

曹建芳：撰写——审阅与编辑。吕森升：撰写——初稿。任路瑶：方法论。杜鹏飞：形式分析。马艳丽：数据整理。胡鹏：形式分析。王卫婷：资金获取。毛艳伟：撰写——审阅与编辑。

### 利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

本工作获得山东省重点研发计划（重大科技创新工程项目）（2024CXGC010913）、国家肉羊产业技术体系专项经费（CARS-38-21）和山东省现代农业科技创新体系（SDAIT-10-09）、山东省重大农业技术推广协作项目（SDNYXTTG-2025-31）的资助。