基于膜交互作用的有机酸类天然低共熔溶剂中组分协同抑菌机理研究

Food preservation is the assurance of food quality and safety. Synergistic antibacterial is an effective way to solve the bottleneck of the application of natural botanic food preservatives, and it is of great significance to understand the antibacterial mechanism for food preservation and disease prevention. However, it is still not clear what the synergistic antibacterial mechanism is between antibacterial substances. The natural deep eutectic solvent (NADES) is a special solvent formed by natural organic small molecules. In our previous studies we found that components synergism of the NADES can produce many new solvent properties, including synergistic antibacterial properties, so the NADES is an ideal model for the research of synergistic antibacterial mechanism. Studies have found that cell membrane is the important target for the NADES playing a antibacterial action, therefore we speculate that organic acids-based NADESs may achieve the purpose of bacteriostasis by destroying bacteria cell membrane structure and function, with various components acting synergistically. In order to verify the hypothesis, we intend to conduct a multi-level (cellular level and molecular level) and multi-method (flow cytometry, fluorescence labeling and molecular dynamics simulation) study, so as to investigate solvent compositions synergistic antibacterial property and its relations with changes of the cell-membrane's structure and function, and to proven the antibacterial mechanism, even to provide new insights for the development of natural food preservatives.

食品的抑菌防腐是食品品质与安全的保证。协同抑菌作为解决当前植物源天然食品防腐剂应用瓶颈的有效方式，理解其作用机制对于食品防腐保鲜和疾病预防具有重大意义。然而目前对基于抑菌物质之间相互作用的协同抑菌机制尚不清楚。天然低共熔溶剂是基于天然有机小分子物质形成的特殊溶剂，我们在前期研究工作中发现其组分协同作用可产生许多新的溶剂特性，包括协同抑菌特性，因此天然低共熔溶剂是一种理想的协同抑菌机制研究模型。研究发现细胞膜是天然低共熔溶剂抑菌作用的重要靶点，因此，我们推测有机酸类天然低共熔溶剂可能是通过组分协同作用破坏菌体细胞膜结构和功能来达到抑菌的目的。为证实此假说，本课题拟采用多层次(细胞水平和分子水平)和多方法(流式细胞技术、荧光标记、分子动力学模拟)相结合的方式，考察溶剂组分协同抑菌特性与细胞膜结构和功能变化的关系，探明溶剂组分协同影响细胞膜结构和功能的抑菌机理，为天然食品防腐剂的开发提供新思路。

食品的抑菌防腐是食品品质与安全的保证。协同抑菌作为解决当前植物源天然食品防腐剂应用瓶颈的有效方式，理解其作用机制对于食品防腐保鲜和疾病预防具有重大意义。本项目研究创新性采用基于天然来源的中短链脂肪酸和萜类化合物制备出一系列性质稳定的疏水性天然低共熔溶剂(HDES)作为天然抑菌剂，并通过基本理化性质表征探明溶剂组分对溶剂性质的影响机制。为解决亲水环境下有效利用疏水性低共熔溶剂的抑菌特性，成功开发出基于疏水性低共熔溶剂的纳米乳液，并发现乳液稳定性及抑菌特性跟溶剂组分之间的相关性规律。以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为典型食源性细菌，测试了不同HDES及其纳米乳液的MIC值和抑菌生长曲线。为了进一步研究HDES的抑菌机制，本课题首先以大肠杆菌为模型，从细胞水平上采用流式细胞技术、荧光标记和扫描电镜等技术，考察了溶剂组分协同抑菌特性与细胞膜结构和功能变化的关系，研究发现细胞膜是HDES抑菌作用的重要靶点，天然低共熔溶剂通过组分协同作用破坏菌体细胞膜流动性、渗透性和完整性来达到抑菌的目的。最后，采用分子动力学模拟进一步从分子水平上研究HDES与细胞膜相互作用，研究模拟了溶剂组分进入模式细胞膜POPC的过程，溶剂组分的插入导致膜厚度起伏更大及扩散常数变化更大，最终破坏细胞膜。该研究探明了天然低共熔溶剂组分协同影响细胞膜结构和功能的抑菌机理，为天然食品防腐剂的开发提供了新的思路。