羧甲基壳聚糖-Nisin核壳结构纳米纤维的可控构建及其持续抑菌机制研究

Nisin is a common food-grade natural preservative, but it is susceptible to temperature, pH, food components, etc., leading to antibacterial activity loss. In our previous studies, the formation of nanofibers by nisin and carboxymethyl chitosan (CMCS) is one of the effective approach to solve this problem, however, the mechanism controllable construction and continuous antibacterial activity of these nanofibers are not clear. The molecular docking, numerical simulation, scanning electron microscopy and synchrotron radiation small angle X-ray scattering are integrated to study the formation mechanisms of core-shell structures of CMCS-Nisin electrospun nanofibers in a manner of the combination of self-assemble and electrospun. Besides, the effects of the core-shell of CMCS-Nisin nanofibers on the slow-release pathway and antibacterial stability of nisin will be investigated, and the continuous antibacterial mechanism of the core-shell of CMCS-Nisin nanofibers will be revealed. This study provides new ideas and theoretical references for the research and development of the stabilization of natural active substances .

乳酸链球菌素（Nisin）是一种常用的食品天然保鲜剂，但其在使用中易受温度、pH、食品组分等影响而导致抑菌性降低。前期研究发现Nisin与羧甲基壳聚糖（CMCS）形成纳米纤维是其有效解决途径，但其可控构建及持续抑菌机制尚未明确。本项目拟以CMCS和Nisin为主要研究对象，通过分子对接、数值模拟结合高倍场发扫描电镜、同步辐射小角X光散射等方法系统研究聚电解质自组装结合静电纺丝技术构建核壳结构CMCS-Nisin纳米纤维的可控途径及机理；同时，考察核壳结构纳米纤维对Nisin的缓释途径、抑菌稳定性的影响规律，从而揭示核壳结构CMCS-Nisin纳米纤维的持续抑菌机制。本项目研究可为天然活性物质的稳定化基础研究提供新的思路与理论借鉴。

乳酸链球菌素（Nisin）是一种天然安全的食品抗菌剂，具有较强的抗菌性能，但若将Nisin直接应用于食品中，极易受到外部条件以及食品组分等的影响而导致其活性下降甚至丧失。因此，如何提高Nisin活性稳定性一直备受研究者们的关注。为提高Nisin稳定性，本项目首先采用聚电解质自组装方法制备具有抗菌作用的羧甲基壳聚糖（CMCS）-Nisin纳米凝胶（CMCS-Nisin纳米凝胶，CMCS-Nisin NGs）；在此基础上，然后通过同轴静电纺丝技术将CMCS-Nisin NGs包埋于核壳纳米纤维中，最后将核壳纳米纤维膜应用于鲈鱼鱼肉冷藏保鲜。主要研究内容及结论如下：（1）通过聚电解质自组装方法，构建CMCS-Nisin NGs，探究不同含量的Nisin对CMCS-Nisin NGs的微观结构及性能的影响。研究结果表明：CMCS与Nisin主要通过非共价键相互作用形成CMCS-Nisin NGs，性能最佳的CMCS-Nisin NGs的粒径为168.20 ± 1.55 nm，微观形貌成较规则球状，包封率和载药量高达91.74%和31.10%，抑菌性能稳定良好。（2）通过同轴静电纺丝技术，构建以CMCS-Nisin NGs和鲁兰多糖（Pullulan）溶液为芯层纺丝液、CMCS和聚环氧乙烷（Polyethylene oxide，PEO）溶液为壳层纺丝液的核壳型结构纳米纤维，探究不同含量Nisin的CMCS-Nisin NGs对负载Nisin的CMCS基核壳纳米纤维的微观结构及性能的影响。研究结果表明：负载Nisin的CMCS基核壳纳米纤维具有明显的核层和壳层，其纤维光滑且没有肉眼可见的串珠状不良结构，壳层直径为265.49 nm，核层直径为95.42 nm。此外，该核壳型复合纳米纤维具有良好的热稳定性、水蒸气阻隔性、机械性能和抗菌性能，可应用于食品活性包装开发。（3）以鲈鱼鱼肉为冷藏保鲜研究对象，对所制备的核壳纳米纤维膜的保鲜效果进行评价。研究结果表明：该核壳纳米纤维膜用于鲈鱼鱼肉保鲜具有良好的保鲜效果。与对照组相比，可有效延长鲈鱼鱼肉的保鲜期5-6天，鱼肉保鲜期可达15天，能有效地延缓鱼肉的氧化和腐败变质，在食品活性包装领域具有较大的应用潜力。