DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60382-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40450027
تاريخ النشر: 2025-05-31
المؤلف: Na Feng وآخرون
الموضوع الرئيسي: أفلام النانو المركبة لتغليف الطعام
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نهجًا مبتكرًا للحفاظ على الفواكه القابلة للتلف من خلال طلاء بروتين شبيه بالأميلويد صديق للبيئة، تم تطويره عبر محاكاة جزيئية مدعومة بالحاسوب. يتكون الطلاء من طبقة لاصقة من الليزوزيم ذات انتقال طور ترتبط بالشمع الإبيكوتيكولي للفواكه، مع دمج ألجينات الصوديوم وبلورات السليلوز النانوية لإنشاء حاجز واقٍ. تم اختبار هذا الطلاء على 17 نوعًا من الفواكه، حيث يمدد بشكل كبير من عمر التخزين بمعدل 2-5 مرات، بشكل أساسي من خلال تثبيط الميكروبات، والاحتفاظ بالرطوبة، وتأخير التعفن، مع الحفاظ على 60-98% من العناصر الغذائية. يتفوق على المواد الحافظة الكيميائية التقليدية دون مخاطر سمية مرتبطة، ويتميز بطبيعته القابلة للأكل، وسهولة غسله، وانخفاض تكلفته.
تسلط الأبحاث الضوء على الحاجة الملحة لتقنيات الحفظ الفعالة، نظرًا لأن ثلث الإنتاج الغذائي العالمي يُهدر، مع مساهمة الفواكه القابلة للتلف بشكل كبير في هذه المشكلة. الطرق الحالية، بما في ذلك التعديل الجيني والمواد الحافظة الكيميائية، تثير مخاوف تتعلق بالسلامة الحيوية والبيئة، بينما يعتبر تخزين سلسلة التبريد مكلفًا وذو تأثير بيئي ضار بسبب انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالية. تقدم تقنية الطلاء الوظيفي المقترحة حلاً مستدامًا للتخفيف من هدر الطعام وتعزيز عمر التخزين للمنتجات الطازجة، مما يعالج تحديًا عالميًا حرجًا حيث يواجه حوالي 800 مليون شخص الجوع المزمن وسوء التغذية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة للتحقيق في خصائص وتطبيقات الليزوزيم ومركبات أخرى. تم الحصول على الليزوزيم من بياض البيض عبر سيغما-ألدريتش، بينما تم الحصول على L-cysteine وألجينات الصوديوم (SA) من علاء الدين. كما تم شراء الجلسرين بصفاء 95.5% من سيغما-ألدريتش. استخدمت الدراسة عدة وسائط ومواد كيميائية حيوية، بما في ذلك محلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS)، ومرق مولر-هينتون (MHB)، وأجار مولر-هينتون (MHA) من سولار بيو، بالإضافة إلى ثيوفلافين T (ThT) وحمض 1-anilino-8-naphthalenesulfonic (ANS) من سيغما-ألدريتش.
تم الحصول على سلالات ميكروبية، تحديدًا المكورات العنقودية الذهبية (ATCC6538) والإشريكية القولونية (ATCC25922)، بالإضافة إلى خلايا L929، من مجموعة الثقافة الأمريكية (الولايات المتحدة). بالإضافة إلى ذلك، دمجت الدراسة صبغة الحمض النووي الفلورية الخضراء SYTO 9 من ثيرمو فيشر للاختبارات المعتمدة على الفلورية. تم الحصول على الفواكه المستخدمة في التجارب، بما في ذلك الجوجوبا الشتوي، والفراولة، والطماطم، واللوكو، والكمكوات، والمانجو، والموز، من مناطق مختلفة في الصين، تحديدًا من شينشيانغ، وسيتشوان، وغوانغشي، وهاينان. ساعد هذا الاختيار المتنوع من المواد في إجراء فحص شامل للتفاعلات وآثار الليزوزيم والمركبات المرتبطة في سياق النشاط الميكروبي والاستجابات الخلوية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغير المستقل والنتائج المعتمدة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في المقاييس المستهدفة، مع حساب أحجام التأثير لتكون معتدلة إلى كبيرة، مما يدل على الأهمية العملية. توضح التمثيلات البيانية للبيانات هذه الاتجاهات، مما يبرز قوة النتائج عبر ظروف ومجموعات عينات متنوعة. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضيات الأولية وتساهم بأفكار قيمة في مجال الدراسة.
المناقشة
تناقش الأبحاث تطوير طلاء لاصق للحفاظ على الفواكه الطازجة، يسمى ALP، مصمم لتعزيز الحفاظ على الفواكه بعد الحصاد. يتضمن الطلاء الليزوزيم، الذي يمتلك خصائص مضادة للميكروبات، وهو مصمم لتحسين المتانة الميكانيكية وقدرات مضادات الأكسدة للشمع الطبيعي الموجود على الفواكه. أظهرت محاكيات الديناميات الجزيئية أن الليزوزيم يلتصق بسرعة بالشمع الإبيكوتيكولي، محققًا طاقة ربط ومنطقة اتصال كبيرة، خاصة عند استخدام نوع شبيه بالأميلويد من الليزوزيم. أظهر هذا النوع تعزيزًا في الالتصاق الواجهات والتفاعلات الجزيئية، مما يشير إلى إمكانيته في إنشاء طبقات واقية قوية على أسطح الفواكه.
يتميز طلاء ALP بخصائصه متعددة الوظائف، بما في ذلك تشكيل الفيلم السريع، والقوة الميكانيكية، ومقاومة الأكسدة، والنشاط المضاد للميكروبات. يقلل بشكل فعال من فقدان الرطوبة ويؤخر نضوج الفواكه المختلفة، مما يمدد عمرها التخزيني بشكل كبير. على سبيل المثال، زاد عمر تخزين الطماطم الكرزية من 6 إلى 16 يومًا، وظلت الفراولة سليمة لمدة تصل إلى 10 أيام تحت ظروف التخزين. يُعزى فعالية الطلاء إلى التصاقه الفائق، وخصائصه المضادة للأكسدة، وقدراته كحاجز للرطوبة، والتي تخفف مجتمعة من نمو الميكروبات والأضرار التأكسدية. علاوة على ذلك، فإن طلاء ALP قابل للأكل، وقابل للغسل، ومستدام، مما يجعله حلاً واعدًا لتعزيز الحفاظ على الفواكه الكاملة والمقطعة الطازجة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60382-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40450027
Publication Date: 2025-05-31
Author(s): Na Feng et al.
Primary Topic: Nanocomposite Films for Food Packaging
Overview
This section presents an innovative approach to preserving perishable fruits through an eco-friendly amyloid-like protein coating, developed via computer-aided molecular simulation. The coating consists of a phase-transitioned lysozyme adhesive layer that bonds to the fruit’s epicuticular wax, combined with sodium alginate and cellulose nanocrystals to create a protective barrier. Tested on 17 fruit varieties, this coating significantly extends shelf life by 2-5 times, primarily through microbial inhibition, moisture retention, and delayed rot, while preserving 60-98% of nutrients. It outperforms traditional chemical preservatives without associated toxicity risks and is characterized by its edible nature, easy washability, and low cost.
The research highlights the urgent need for effective preservation techniques, given that one-third of global food production is wasted, with perishable fruits contributing significantly to this issue. Current methods, including genetic modification and chemical preservatives, pose biosafety and ecological concerns, while cold chain storage is costly and environmentally detrimental due to high CO2 emissions. The proposed functional coating technology offers a sustainable solution to mitigate food waste and enhance the shelf life of fresh produce, addressing a critical global challenge where approximately 800 million people face chronic hunger and malnutrition.
Methods
In this study, various materials were utilized to investigate the properties and applications of lysozyme and other compounds. Lysozyme was sourced from egg white via Sigma-Aldrich, while L-cysteine and sodium alginate (SA) were obtained from Aladdin. Glycerol with a purity of 95.5% was also purchased from Sigma-Aldrich. The study employed several biological media and reagents, including phosphate-buffered saline (PBS), Mueller-Hinton broth (MHB), and Mueller-Hinton agar (MHA) from Solarbio, as well as Thioflavin T (ThT) and 1-anilino-8-naphthalenesulfonic acid (ANS) from Sigma-Aldrich.
Microbial strains, specifically Staphylococcus aureus (ATCC6538) and Escherichia coli (ATCC25922), along with L929 cells, were acquired from the American Type Culture Collection (USA). Additionally, the study incorporated SYTO 9 green fluorescent nucleic acid stain from Thermo Fisher for fluorescence-based assays. The fruits used in the experiments, including winter jujube, strawberries, tomatoes, loquats, kumquats, mangoes, and bananas, were sourced from various regions in China, specifically Shaanxi, Sichuan, Guangxi, and Hainan. This diverse selection of materials facilitated a comprehensive examination of the interactions and effects of lysozyme and associated compounds in the context of microbial activity and cellular responses.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variable and the dependent outcomes, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the targeted metrics, with effect sizes calculated to be moderate to large, indicating practical significance. Graphical representations of the data further illustrate these trends, highlighting the robustness of the findings across various conditions and sample groups. Overall, the results support the initial hypotheses and contribute valuable insights to the field of study.
Discussion
The research discusses the development of an adhesive fresh-keeping coating, termed ALP, designed to enhance the preservation of post-harvest fruits. The coating incorporates lysozyme, which possesses antimicrobial properties, and is engineered to improve the mechanical resilience and antioxidant capabilities of the natural cuticular wax found on fruits. Molecular dynamics simulations demonstrated that lysozyme rapidly adheres to the cuticular wax, achieving significant binding energy and contact area, particularly when utilizing an amyloid-like variant of lysozyme. This variant exhibited enhanced interfacial adhesion and molecular interactions, suggesting its potential for creating robust protective layers on fruit surfaces.
The ALP coating is characterized by its multifunctional properties, including rapid film formation, mechanical strength, oxidation resistance, and antimicrobial activity. It effectively reduces moisture loss and delays ripening in various fruits, extending their shelf life significantly. For instance, the shelf life of cherry tomatoes was increased from 6 to 16 days, and strawberries remained intact for up to 10 days under storage conditions. The coating’s efficacy is attributed to its superior adhesion, antioxidant properties, and moisture barrier capabilities, which collectively mitigate microbial growth and oxidative damage. Furthermore, the ALP coating is edible, washable, and sustainable, making it a promising solution for enhancing the preservation of both whole and fresh-cut fruits.