洗水果洗出一篇顶刊Matter！
日期：2024-07-03 05:44:16 | 作者: 上海体育频道直播在线观看
虽然杀虫剂和除草剂在提高粮食产量方面发挥着及其重要的作用，但它们在水果和蔬菜上的残留却引发了安全问题。水果和蔬菜上的农药残留与严重的健康问题有关，涉及癌症、注意力缺陷多动障碍和老年痴呆症的风险增加，促使人们寻找有效的去除方法。常见的家用清洁剂，如醋、苏打溶液、双氧水等，虽然被普遍的使用，但存在局限性，例如改变外观和味道、缩短保质期，以及去除效果不一致。例如，醋洗后的草莓和覆盆子易变软变色，清洗后的水果和蔬菜因表面损伤保质期缩短，传统方法也无法可靠评估残留物水平。多孔材料（如金属有机框架和沸石）在去除和检测残留物方面展现出前景，但通常对水不稳定，无法在不同食品储存条件下持久表现。
在此，马里兰大学胡良兵教授团队联合Yimin Mao助理教授利用从虾蟹壳等渔业废弃物中提取的甲壳素纳米晶体，设计出一种一维多孔材料——Cu2+-螯合壳聚糖纳米晶体（Cu2+-ChNC）。这些纳米晶体以Cu2+离子为支架，形成直径约为1.5纳米的独特纳米通道结构。Cu2+-ChNC在吸收草甘膦和毒死蜱等常见化学残留物方面表现出卓越效率，并由于Cu2+离子的抗菌特性，涂抹在水果和蔬菜上可显著延长其保质期。Cu2+-ChNC的合成过程可扩展，且只使用美国食品药品管理局（FDA）认可的安全材料和化学品。研究表明，Cu2+-ChNC是一种很有前途的材料，可有效去除残留物并提高水果和蔬菜的采后保鲜效果。相关成果以“Ion-chelated porous chitosan nanocrystal for highly efficient postharvest preservation”为题发表在《Matter》上，第一作者为Peihua Ma。
为了应对农药残留的挑战，作者引入了一种高效、生物兼容的一维多孔材料--Cu 2+螯合壳聚糖纳米晶（Cu 2+-ChNC），具有去除残留物和抗菌保护的双重功能（图1）。这种材料由壳聚糖纳米晶和Cu 2+离子组成，能显著吸收果蔬上的化学残留物并抑制细菌生长。Cu 2+-ChNCs在水中稳定且具有高亲水性，可形成均匀悬浮液，其多孔结构使其成为高效的化学残留物吸收剂。实验根据结果得出，用1.0 wt % Cu2+-ChNC悬浮液清洗草莓1分钟后，草甘膦残留降至0.005 mg/kg（低于检测限），毒死蜱残留降至0.05 mg/kg，比水洗草莓低约3倍。清洗后的水果自发镀上一层Cu2+-氯化萘薄膜，显著抑制革兰氏阳性和阴性细菌的生长。Cu 2+-ChNC的所有成分均符合FDA GRAS标准，作者还开发了一种基于智能手机图像分析的方法，方便消费的人在家中评估残留水平。该方法为提高食品安全和质量提供了一个可行的解决方案。
Cu 2+-ChNC是利用存在于蟹壳和虾壳等渔业废弃物中的天然聚合物甲壳素开发的，工艺包括提取甲壳素纳米晶体并将其转化为壳聚糖，使其具有更强Cu 2+离子配位能力（图2）。在含有Cu2+离子的碱性水溶液中浸泡时，ChNCs膨胀，使Cu2+离子扩散到晶体中并与壳聚糖链上的N和O原子螯合，形成直径约1.5 nm的一维纳米通道。广角X射线散射（WAXS）分析显示，在特定散射矢量处出现布拉格峰，表明形成了Cu 2+配位晶体结构（图2B），傅立叶变换红外光谱（FTIR）中没再次出现1548 cm -1处的峰值，进一步证明了Cu-N配位（图2C）。Cu 2+-ChNC在pH值约为5到10的范围内具有水稳定性，且能形成均匀的蓝色水悬浮液，其分散性得益于纳米晶体的尺寸和表面电荷特性（图2E）。透射电子显微镜（TEM）显示Cu 2+-ChNCs的纤维形态，动态光散射（DLS）分析提供了颗粒尺寸的半定量数据，表面电荷主要由Cu 2+离子决定，使其在不同pH值下保持稳定的Zeta电位（图2G）
Cu2+-ChNC在收获后处理中的应用展示了其卓越的农药残留吸收和抗菌能力。在Cu 2+-ChNC悬浮液中清洗水果和蔬菜后，表明产生一层抗菌涂层，沉积的数量取决于清洗时间（图3A和3B）。实验显示，Cu2+-ChNC对毒死蜱和草甘膦的吸收能力明显高于ChNC粉末（图3C），其吸附行为遵循Freundlich模型，最大吸附容量分别为455和457 mg/g（图3E）。分子动力学模拟根据结果得出，Cu 2+与毒死蜱和草甘膦中的磷基团形成有效结合位点（图3D）。用Cu 2+-ChNC悬浮液清洗草莓可在短时间内明显降低毒死蜱和草甘膦的残留量，比用自来水清理洗涤效果更佳（图3F和3G），凸显了Cu 2+-ChNC在去除农药残留方面的高效性。
使用1 wt %的Cu 2+-ChNC悬浮液涂层能有效保持水果和蔬菜的新鲜度并延长货架期。研究显示，涂有Cu 2+-ChNC并在室温下储存5天的草莓在外观和质地方面比未涂覆的对照样品有显著保鲜效果，储藏期结束后无霉菌生长（图4A）。涂层草莓内部保留了更多白色果肉，显示霉菌生长受抑（图4A），且洗去涂层后草莓仍保持新鲜水润的外观（图4B）。Cu 2+-ChNC涂层还减轻了贮藏期间的重量损失（图4C）。Cu2+-ChNC的抗菌特性是其防腐能力的重要的条件，通过对大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌的定量评估，发现不同浓度的Cu 2+-ChNC对微生物生长有显著抑制作用（图4D和4E），压制效果随浓度增加而增强，浓度超过10 μg/mL时会出现较长滞后期。Cu 2+-ChNC的正表面电荷吸引并固定细菌，结合铜的广谱抗菌特性，有效抑制微生物生长。
作者利用Cu 2+-ChNC去除化学残留物和保鲜的方法具有可扩展性，可以对农产品进行连续处理，延长保质期，促进更有效的分销。在食用前，可用自来水清洗，适用于各种水果和蔬菜（图5A）。作者在覆盆子、黑莓、蓝莓、柑橘、西红柿和鳄梨上涂上Cu 2+-ChNC并保存5天，发现这些水果新鲜度基本保持，没有霉菌生长（图5B）。Cu 2+-ChNC可通过浸涂、喷涂或刷涂使用。为了评估清洁度，作者开发了图像分析程序，利用卷积神经网络（CNN）检测清洗后农产品上的蓝色像素（图5C），如ResNet 50模型的预测准确度可达99%（图5D）。通过3T3-L1和HEK293细胞系进行的细胞毒性剂量-反应评估，确定了Cu 2+-ChNC残留的安全阈值，当Cu 2+浓度低于10 μg/mL时，细胞活力不受明显影响（图5E）。这种图像分析可作为检测残留Cu 2+-ChNCs的灵敏方法。
图 5. 应用 Cu2+-ChNC 对化学残留物去除和采后水果和蔬菜保鲜的广泛影响
本文开发了一种基于Cu 2+-ChNCs链间螯合的一维多孔材料，能有效吸收常见农药和除草剂毒死蜱和草甘膦的化学残留物。此外，Cu 2+-ChNC对革兰氏阳性和革兰氏阴性病原体（如大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌）具有非常明显抑制作用。Cu 2+-ChNC具有亲水性和水稳定性，方便在家庭环境中进行清洁。开发的用户友好程序为广大购买的人提供了一种准确检查产品清洁度的方法。用于合成的所有材料均遵循美国农业部的GRAS标准，且该材料有望单独使用或作为水果和蔬菜采后处理和保鲜的添加剂。
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