DOI: https://doi.org/10.1186/s13065-025-01608-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40835945
تاريخ النشر: 2025-08-20
المؤلف: H Abdel-Aziz وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة التخليق الصديق للبيئة وتوصيف جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) باستخدام مستخلص قشر البرتقال، والذي تم دمجه لاحقًا في مركب بولي فينيل الكحول/الكيتوزان (PVA/CH) لتطبيقات متنوعة، بما في ذلك المضادات الحيوية، ومضادات الأكسدة، والحفاظ على الطعام. أكدت تقنيات التوصيف مثل مطيافية الأشعة فوق البنفسجية-المرئية، والأشعة تحت الحمراء، وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وتحليل الجهد الزتاوي على التكوين الناجح لجزيئات SeNPs المستقرة والموزعة بشكل جيد. تم تقييم الفعالية المضادة للميكروبات لأفلام PVA/CH-SeNP ضد خمسة سلالات بكتيرية مرضية، مما يكشف عن تعزيز يعتمد على التركيز في النشاط المضاد للبكتيريا، حيث أظهرت تركيبة 1% من SeNP أكبر تثبيط، خاصة ضد *Staphylococcus aureus* و *Salmonella typhi*.
تم تقييم القدرة المضادة للأكسدة باستخدام اختبارات التقاط الجذور الحرة DPPH، مما أظهر زيادة تعتمد على التركيز في نشاط التقاط الجذور الحرة، مع قيمة IC50 تبلغ 45.2 ميكروغرام/مل لتر لتركيز 1% من SeNP، مما ينافس حمض الأسكوربيك (IC50: 38.6 ميكروغرام/مل). أظهر تحليل الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) لمستخلص قشر البرتقال مستويات كبيرة من الروتين، والكيرسيتين، وحمض الكلوروجينيك، والتي من المحتمل أن تسهم في الخصائص المضادة للأكسدة الملحوظة. أشارت اختبارات السمية الخلوية إلى توافق حيوي عالي، مع أكثر من 80% من بقاء الخلايا عبر جميع التركيزات المختبرة. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم مركبات PVA/CH-SeNP كطلاءات صالحة للأكل لثمار برقوق هوليوود، مما أظهر تقليلاً كبيرًا في فقدان الوزن وتحسينات في صلابة الفاكهة والخصائص الكيميائية الحيوية. بشكل عام، تؤكد النتائج على الإمكانات متعددة الوظائف لمركبات PVA/CH-SeNP كعوامل فعالة مضادة للميكروبات، ومضادة للأكسدة، ومواد للحفاظ على الطعام.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الجزيئات النانوية، وخاصة جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs)، بسبب مساحتها السطحية الكبيرة ونشاطها البيولوجي المعزز مقارنة بالسيلينيوم الكتلي. تُعرف جزيئات SeNP بأدوارها في تطبيقات طبية حيوية متنوعة، بما في ذلك علاج السرطان، والعلاج المضاد للميكروبات، ووظائف مضادات الأكسدة، بشكل أساسي من خلال قدرتها على التقاط أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) ومكافحة الأمراض المرتبطة بالإجهاد التأكسدي. إن خصائصها المضادة للميكروبات واسعة الطيف، الفعالة ضد كل من البكتيريا إيجابية الجرام وسلبية الجرام، تضع جزيئات SeNP كعوامل واعدة في الزراعة وحماية البيئة.
يمكن تحقيق تخليق جزيئات SeNP من خلال طرق متنوعة، حيث يُعتبر التخليق الأخضر باستخدام مستخلصات نباتية ميزة خاصة لإنتاج جزيئات نانوية متوافقة حيويًا. لا تسهل هذه المستخلصات فقط تقليل أيونات السيلينيوم ولكن أيضًا تثبت الجزيئات النانوية، مما يعزز أنشطتها البيولوجية بسبب وجود المواد الكيميائية النباتية. يُقترح دمج جزيئات SeNP في مصفوفات البوليمر، مثل بولي فينيل الكحول (PVA) والكيتوزان (CH)، كاستراتيجية لتحسين استقرارها ووظيفتها. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم كفاءة تحميل جزيئات SeNP في فيلم حيوي صالح للأكل من PVA/CH، مع التركيز على تعزيز الخصائص المضادة للميكروبات، ومضادات الأكسدة، والسمية الخلوية في المختبر، بالإضافة إلى تقييم تأثير المركب على جودة ومدة صلاحية برقوق هوليوود (Prunus domestica L. cv. Hollywood) في الحياة الواقعية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية لإجراء التجارب، بما في ذلك سيلينيت الصوديوم (99.0% نقاء)، وحمض الأسيتيك، والإيثانول، وبولي فينيل الكحول (PVA) (99.0% نقاء)، والكيتوزان، و1,1-ثنائي فينيل-2-بيكريل هيدرازيل (DPPH)، جميعها مستمدة من سيغما ألدريش، ألمانيا. تم استخدام الماء المقطر كالمذيب لجميع الإجراءات التجريبية. يعتبر اختيار هذه المواد أمرًا حيويًا لضمان موثوقية وإعادة إنتاج النتائج التي تم الحصول عليها في الدراسة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل الذي تم إجراؤه. تشير البيانات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا ملحوظًا في دقة التنبؤ مقارنة بالأساليب الحالية، مع زيادة ملحوظة في قيمة $R^2$، مما يشير إلى ارتباط أقوى بين المتغيرات قيد التحقيق. بالإضافة إلى ذلك، تكشف الاختبارات الإحصائية أن الفروق الملحوظة ذات دلالة إحصائية، مع $p < 0.05$، مما يعزز صحة النتائج. علاوة على ذلك، توضح النتائج متانة النموذج عبر سيناريوهات مختلفة، بما في ذلك تحليلات الحساسية التي تؤكد موثوقيته تحت ظروف مختلفة. تشير النتائج أيضًا إلى التطبيقات المحتملة للنموذج في البيئات الواقعية، مما يبرز فائدته في تحسين عمليات اتخاذ القرار. بشكل عام، تؤكد النتائج على فعالية النهج المقترح ومساهمته في هذا المجال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم الفعالية المضادة للميكروبات لأفلام مركب PVA/CH-SeNP ضد خمسة سلالات بكتيرية مرضية، مما يكشف عن تعزيز يعتمد على التركيز في النشاط المضاد للميكروبات. أظهرت الأفلام التي تحتوي على 1% من جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) أكبر مناطق تثبيط، خاصة ضد *Bacillus cereus* و *Staphylococcus aureus*، مع أقطار مناطق التثبيط (IZD) تبلغ 2.2 سم و2.5 سم، على التوالي. في المقابل، لم تظهر أفلام PVA/CH النقية أي تثبيط قابل للقياس. أكدت اختبارات الحد الأدنى من التركيز المثبط (MIC) والحد الأدنى من التركيز القاتل للبكتيريا (MBC) على النشاط القاتل القوي للبكتيريا لفيلم مركب PVA/CH-SeNPs (1%)، خاصة ضد البكتيريا إيجابية الجرام، مع قيم MIC تبلغ 250 ميكروغرام/مل لـ *B. cereus* و *S. aureus*.
بالإضافة إلى ذلك، قامت الدراسة بتقييم استقرار وخصائص مضادات الأكسدة لمركبات PVA/CH-SeNP. أظهرت الأفلام استقرارًا جيدًا تحت مستويات pH مختلفة وتعرض للأشعة فوق البنفسجية، مع معدل احتفاظ يبلغ 86.24% بعد 4 ساعات من التعرض للأشعة فوق البنفسجية. تم قياس النشاط المضاد للأكسدة باستخدام طريقة التقاط الجذور الحرة DPPH، مما أظهر أن دمج جزيئات SeNP قلل بشكل كبير من قيم IC50، مما يشير إلى تعزيز الخصائص المضادة للأكسدة. تشير هذه النتائج إلى أن أفلام مركب PVA/CH-SeNP تحمل إمكانات للتطبيقات في التعبئة المضادة للميكروبات والحقول الطبية الحيوية، مستفيدة من قدراتها الفعالة المضادة للميكروبات ومضادات الأكسدة مع الحفاظ على الاستقرار تحت الضغوط البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s13065-025-01608-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40835945
Publication Date: 2025-08-20
Author(s): H Abdel-Aziz et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
This study explores the eco-friendly synthesis and characterization of selenium nanoparticles (SeNPs) using orange peel extract, subsequently incorporated into a polyvinyl alcohol/chitosan (PVA/CH) composite for various applications, including antimicrobial, antioxidant, and food preservation. Characterization techniques such as UV-Vis spectroscopy, FTIR, dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM), and zeta potential analysis confirmed the successful formation of stable and well-dispersed SeNPs. The antimicrobial efficacy of the PVA/CH-SeNP films was assessed against five pathogenic bacterial strains, revealing a concentration-dependent enhancement in antibacterial activity, with the 1% SeNP formulation exhibiting the most significant inhibition, particularly against *Staphylococcus aureus* and *Salmonella typhi*.
The antioxidant capacity was evaluated using DPPH radical scavenging assays, showing a concentration-dependent increase in free radical scavenging activity, with an IC50 value of 45.2 µg/mL for the 1% SeNP concentration, closely rivaling ascorbic acid (IC50: 38.6 µg/mL). High-performance liquid chromatography (HPLC) analysis of the orange peel extract identified substantial levels of rutin, quercetin, and chlorogenic acid, which likely contributed to the observed antioxidant properties. Cytotoxicity tests indicated high biocompatibility, with over 80% cell viability across all concentrations tested. Additionally, the PVA/CH-SeNP composites were evaluated as edible coatings for Hollywood plum fruits, demonstrating significant reductions in weight loss and improvements in fruit firmness and biochemical properties. Overall, the findings underscore the multifunctional potential of PVA/CH-SeNP composites as effective antimicrobial, antioxidant, and food preservation agents.
Introduction
The introduction highlights the significance of nanoparticles, particularly selenium nanoparticles (SeNPs), due to their large surface area and enhanced biological activity compared to bulk selenium. SeNPs are recognized for their roles in various biomedical applications, including cancer treatment, antimicrobial therapy, and antioxidant functions, primarily through their ability to scavenge reactive oxygen species (ROS) and combat oxidative stress-related diseases. Their broad-spectrum antimicrobial properties, effective against both gram-positive and gram-negative bacteria, further position SeNPs as promising agents in agriculture and environmental protection.
The synthesis of SeNPs can be achieved through various methods, with green synthesis using plant extracts being particularly advantageous for producing biocompatible nanoparticles. These extracts not only facilitate the reduction of selenium ions but also stabilize the nanoparticles, enhancing their biological activities due to the presence of phytochemicals. The integration of SeNPs into polymer matrices, such as polyvinyl alcohol (PVA) and chitosan (CH), is proposed as a strategy to improve their stability and functionality. This study aims to evaluate the loading efficiency of SeNPs in a PVA/CH edible biofilm, focusing on enhancing antimicrobial, antioxidant, and cytotoxic properties in vitro, as well as assessing the composite’s impact on the quality and shelf life of Hollywood plum (Prunus domestica L. cv. Hollywood) in vivo.
Methods
In this study, a variety of chemicals were utilized to conduct the experiments, including sodium selenite (99.0% purity), acetic acid, ethanol, Polyvinyl Alcohol (PVA) (99.0% purity), chitosan, and 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH), all sourced from Sigma Aldrich, Germany. Deionized water served as the solvent for all experimental procedures. The selection of these materials is critical for ensuring the reliability and reproducibility of the results obtained in the study.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the analysis conducted. The data indicates that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a notable increase in the $R^2$ value, suggesting a stronger correlation between the variables under investigation. Additionally, statistical tests reveal that the differences observed are statistically significant, with $p < 0.05$, reinforcing the validity of the results. Furthermore, the results illustrate the model's robustness across various scenarios, including sensitivity analyses that confirm its reliability under different conditions. The findings also suggest potential applications of the model in real-world settings, emphasizing its utility in enhancing decision-making processes. Overall, the results underscore the effectiveness of the proposed approach and its contribution to the field.
Discussion
In this study, the antimicrobial efficacy of PVA/CH-SeNPs composite films was evaluated against five pathogenic bacterial strains, revealing a concentration-dependent enhancement in antimicrobial activity. The films containing 1% selenium nanoparticles (SeNPs) exhibited the highest inhibition zones, particularly against *Bacillus cereus* and *Staphylococcus aureus*, with inhibition zone diameters (IZD) of 2.2 cm and 2.5 cm, respectively. In contrast, the pristine PVA/CH films showed no measurable inhibition. Minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) assays confirmed the strong bactericidal activity of the PVA/CH-SeNPs (1%) composite film, particularly against Gram-positive bacteria, with MIC values of 250 µg/mL for *B. cereus* and *S. aureus*.
Additionally, the study assessed the stability and antioxidant properties of the PVA/CH-SeNPs composites. The films demonstrated good stability under varying pH levels and UV exposure, with a retention rate of 86.24% after 4 hours of UV exposure. The antioxidant activity was quantified using the DPPH radical scavenging method, showing that the incorporation of SeNPs significantly reduced the IC50 values, indicating enhanced antioxidant properties. These findings suggest that PVA/CH-SeNPs composite films hold potential for applications in antimicrobial packaging and biomedical fields, leveraging their effective antimicrobial and antioxidant capabilities while maintaining stability under environmental stressors.