铁基胶体结构的构建及其应用研究

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目前,寻找智能组装或响应性胶体组装的构建块或方法成为研究热点。通过改变胶体结构的组成、形态和表面性质,以构建具备响应性的胶体结构,可扩大其在食品、生物医药等领域的应用。本文以铁与无机或有机物配位,利用其特定的响应行为(磁响应,p H响应,近红外光热效应),构建出适用于不同响应平台的铁基胶体结构;并考察了其作为级联反应平台验证植物蛋白的健康效应、杀菌等应用前景,为铁基胶体结构的智能构建和其在食品中的应用提供了新思路。主要研究内容及结果如下:(1)利用琼脂糖包裹的Fe3O4磁性微珠的磁弛致热,研究了磁感应加热(Magnetic induction heating,MIH)对热敏性高粘物料均匀加热巴氏灭菌及其对功能性质的影响。在高粘物料黄原胶模型中,大尺寸(50μm)Fe3O4磁性微珠具有高达3108.4±30.6 W/(g Fe)的高比吸收率和均匀分散的特性;然后考察了该磁感应加热平台对热敏性全液蛋进行巴氏灭菌及其功能性质的影响,结果表明,磁感应加热处理(68℃,60 s)全液蛋后肠炎沙门氏菌减少7.6 log,优于传统热对流处理(60℃,210 s)对肠炎沙门氏菌的灭菌性能(减少6.0 log)。更重要的是,由于磁性微珠均匀分散于高粘物料,磁感应加热可以实现精准控温加热,以防止热敏性物料全液蛋蛋清蛋白的热聚集凝结,从而保持了其原有的功能特性(起泡性和乳化性)。因此,磁感应加热有望成为一种热敏性高粘物料中代替传统热对流加热,实现高效、精准、均匀的加热方式。(2)利用Fe(Ⅲ)和单宁酸(Tannic acid,TA)配位交联形成的金属-酚类网络(Metal-phenolic network,MPN)封装葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase,GOx),制备出具备p H响应的铁基类芬顿反应催化剂(GOx@MPN),构建类芬顿反应多级催化平台;并建立植物蛋白含硫氨基酸含量与类芬顿反应羟基自由基生成量的关系,采用脂质体脂膜氧化模型验证植物蛋白的健康效应。结果表明,物理稳定的GOx@MPN杂化胶体颗粒具有p H响应性拆解动力学行为。此外,GOx@MPN具有和天然GOx相似的酶活力,可实现以GOx@MPN为催化剂的类芬顿级联反应。首先,GOx@MPN催化葡萄糖反应生成过氧化氢(H2O2)和葡萄糖酸,降低反应体系的p H值;在反应体系p H<7.0时,GOx@MPN开始拆解出Fe(Ⅲ)和TA,且TA可还原Fe(Ⅲ)成Fe(Ⅱ);最后,Fe(Ⅱ)和H2O2发生芬顿反应生成羟基自由基,该类芬顿反应催化剂GOx@MPN有着较宽的p H反应窗口。此外,含硫氨基酸(如半胱氨酸)也可促进Fe(Ⅲ)还原成Fe(Ⅱ),从而增加羟基自由基的生成量。通过脂质体氧化模型,考察了植物蛋白水解产物和消化产物对脂质体中该类芬顿反应羟基自由基生成量的影响,结果表明,在含硫氨基酸较少的植物蛋白(如大豆蛋白、绿豆蛋白和大豆7S球蛋白水解物)反应体系中,羟基自由基导致的脂膜氧化程度较低。(3)利用Fe(Ⅲ)与单宁酸的配位交联的共价键和Fe(Ⅲ)与海藻酸钠(Sodium alginate,SA)羧基基团的离子键交联,制备出多功能性双动态交联金属-酚类网络水凝胶(STF),并初步考察了其作为抗菌水凝胶在近红外光(Near infrared,NIR)照射处理下的抗菌性能。结果显示,所制备的STF相比于Fe(Ⅲ)和海藻酸钠形成的水凝胶(SF)表现出更为优异的机械性能、触变恢复性和可注射性。更重要的是,STF在人体可接受范围内低强度近红外光照射下(808 nm,0.3 W/cm~2,10 min),展示出了较高的光热效率,即在10min内升高了24.8℃。经过近红外光照射处理的STF对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都展现出优异的抗菌性能,尤其是对金黄色葡萄球菌的灭菌率达到接近100%。基于简单的合成方法、良好的机械性能、优异的光热杀菌性能,STF有望成为一种治疗细菌感染的光热生物医疗水凝胶材料。
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