多金屬氧酸鹽生物活性及其在食品保鮮中應(yīng)用研究進(jìn)展

周 鳳 張佳雯 劉海雄 胡嘉淼

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002；2. 福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350002)

中國果蔬和水產(chǎn)品總量近10年來一直位居世界第一[1]。由于酶和微生物等不良作用[2]，2010年，中國果蔬、肉類、水產(chǎn)品流通腐損率分別達(dá)20%～30%，12%，15%，僅果蔬一類每年損失就達(dá)1 000億元人民幣以上[3]。

多金屬氧酸鹽(Polyoxometalats，POMs)通常被稱為多酸，是過渡金屬(如MoⅥ、WⅥ、VⅤ、NbⅤ、TaⅤ等)通過氧連接而形成的金屬—氧簇類化合物，呈四面體或八面體，這些多面體通過共邊、共面或者共角的形式形成了結(jié)構(gòu)和功能多樣性的多核金屬氧簇化合物[4-5]。目前，被公認(rèn)的多金屬氧酸鹽有6種構(gòu)型：Keggin、Well-Dawson、

Anderson、Waugh、Silverton、Lindqust[6](見圖1)。此外，多金屬氧酸鹽衍生結(jié)構(gòu)也不斷出現(xiàn)，如Strandberg型和Weakely型[7]。由于其特殊的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，多金屬氧酸鹽被廣泛應(yīng)用于化學(xué)催化[8-9]、傳感器[10-11]、染料/顏料[12-13]等行業(yè)。此外，在抗腫瘤[14-15]、抗病毒[16-17]方面的活性也得到廣泛的研究。文章擬重點(diǎn)從多金屬氧酸鹽的抑酶、抑菌角度介紹其在食品保鮮領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)展，為進(jìn)一步探究和研發(fā)多金屬氧酸鹽在食品工業(yè)的應(yīng)用提供參考[18-20]。

圖1 6種類型多金屬氧酸鹽

1 多金屬氧酸鹽的抑酶能力

1.1 在果蔬保鮮中的應(yīng)用

近年來，基于多金屬氧酸鹽顯著的抑酶能力不斷被開發(fā)并應(yīng)用于食品保鮮等領(lǐng)域，如在果蔬保鮮領(lǐng)域中，多金屬氧酸鹽可延緩果蔬褐變，延長保質(zhì)期等。Chen等[21]發(fā)現(xiàn)α-Na8SiW11CoO40對(duì)蘑菇酪氨酸酶具有明顯的抑制作用(P<0.05)，存在劑量—效應(yīng)關(guān)系，且為不可逆的競爭性緩蝕劑；POM在保持鮮切蘋果營養(yǎng)成分的同時(shí)，顯著減緩了蘋果切片的褐變速率和PPO活性。Xing等[22]合成了兩種含甘氨酸的Keggin多金屬氧酸鹽，分別為(HGly)3PW12O40(GPW)和(HGly)4SiW12O40(GSiW)，這兩種化合物均具有顯著的抑酶活性，其中GSiW抑酶活性更強(qiáng)。Xing等[23]以鐵取代磷鉬酸(Na6PMo11FeO40，PMo11Fe)，通過非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳發(fā)現(xiàn)隨著多金屬氧酸鹽濃度的增加，酪氨酸酶活性染色條帶逐漸消失，顯示出顯著的抑酶活性，且PMo11Fe以非共價(jià)鍵的形式可逆的與酶結(jié)合，導(dǎo)致酶活性降低；短期內(nèi)(0～10 d)，PMo11Fe能顯著延緩蓮藕片的褐變速度，抑制多酚氧化酶活性，提高過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性。鄭阿萍[24]研究發(fā)現(xiàn)Keggin型多金屬氧酸鹽(Na3PW12O40)對(duì)山藥多酚氧化酶具有非競爭型抑制作用，H4SiW12O40·xH2O (SiW12)、H3PW12O40·xH2O (PW12)、α-1,2,3-K6H[SiW9V3O40] (SiW9V3)、α-K5[SiW11VO40] (SiW11V) 4種多金屬氧酸鹽可抑制紅毛丹果實(shí)的褐變與腐爛，其中PW12的效果最佳。

1.2 在水產(chǎn)保鮮中的應(yīng)用

戶晶晶等[25]研究發(fā)現(xiàn)，(NH4)12[Mo36O108(NO)4(H2O)16]·33H2O (Mo36)和[Mo36O112(OH2)16(H2bipy)4]?28H2O (Mo36-bipy) 2種高核鉬簇對(duì)酪氨酸二酚酶活性具有抑制作用，且Mo36-bipy對(duì)酪氨酸二酚酶的抑制作用弱于Mo36，抑制類型分別為可逆混合性抑制和可逆性競爭抑制；采用Mo36和Mo36-bipy對(duì)凡納濱對(duì)蝦進(jìn)行處理后，其貯藏期延長至5～7 d，延緩了對(duì)蝦的黑變現(xiàn)象，其中Mo36-bipy的保鮮效果更好。

2 多金屬氧酸鹽的抑菌能力

食源性致病菌是影響食品安全和保鮮的重要因素之一，存在于食品加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)[26]。目前，中國食品標(biāo)準(zhǔn)體系已明確制定出食品中沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌、大腸桿菌O157/H7、侵襲性大腸希氏菌、坂崎腸桿菌、副溶血性弧菌、志賀氏菌等的限量標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 多金屬氧酸鹽的抑菌活性

呂寶蘭等[27]報(bào)道了8種多金屬氧酸鹽(CoW11、CoW11Zn、FeW11、FeW11Co、La2P2TiW10、SiW6Mo6、SiW12、PW12)對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果，除SiW6Mo6、SiW12組不能凝固培養(yǎng)基無法比較外，其余多金屬氧酸鹽皆表現(xiàn)出了明顯的抑菌能力，其中PW12對(duì)兩種細(xì)菌的抑菌能力最強(qiáng)，La2P2TiW10的抑菌效果最差。陳丙年等[28]利用紙片擴(kuò)散法測量抑菌圈發(fā)現(xiàn)，3種釩取代的硅鎢酸鹽(SiW9V3O40、SiW10V2O40、SiW11VO40)以及鎢酸鹽(SiW12)對(duì)青霉抑菌效果不明顯，但對(duì)大腸桿菌、枯草芽抱桿菌、酵母菌等均具有明顯的抑菌效果。Xing等[29]合成了Keggin型銅取代磷鉬酸(Na7PMo11CuO40，PMo11Cu)并通過牛津杯法發(fā)現(xiàn)PMo11Cu對(duì)黃鏈球菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和大腸桿菌具有不同程度的抑菌活性，且受細(xì)胞結(jié)構(gòu)影響表現(xiàn)出對(duì)球菌的抑制效果更好。謝樂芳等[30]以PMo12母體合成了PMo11Mn、PMo11Fe、PMo11Zn、PMo11Co、PMo11Ni 5種衍生物，并通過牛津杯法發(fā)現(xiàn)6種化合物對(duì)藤黃八疊球菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和大腸桿菌均具有明顯的抑制活性，且由于細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的不同，多酸對(duì)球菌的抑制活性強(qiáng)于桿菌的。

2.2 影響多金屬氧酸鹽抑菌活性的因素

Inoue等[31]探究了Keggin和非Keggin結(jié)構(gòu)的多金屬氧鎢酸鹽和多鉬酸鹽對(duì)藥物敏感和耐藥幽門螺桿菌菌株的抗菌活性影響，發(fā)現(xiàn)多氧鎢酸鹽(特別是高負(fù)電荷的Keggin結(jié)構(gòu)的As4W40和Sb9W21)對(duì)阿莫西林(AMX)、克拉霉素(CLR)和甲硝唑(MTZ)敏感、CLR抗性和MTZ抗性的幽門螺桿菌菌株顯示出較強(qiáng)的抗菌活性，進(jìn)入細(xì)菌后誘導(dǎo)細(xì)菌形態(tài)向U型或球狀轉(zhuǎn)變，隨后產(chǎn)生殺菌作用(如As4W40、Sb9W21)或抑菌作用(如SiVW11)。馮珍鴿[32]研究發(fā)現(xiàn)，多金屬氧酸鹽的釩含量、釩取代量未對(duì)細(xì)菌的抗菌活性產(chǎn)生影響，對(duì)大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌產(chǎn)生顯著的抗菌活性；當(dāng)溫度為28 ℃時(shí)，多金屬氧酸鹽中心原子價(jià)態(tài)影響細(xì)菌的抗菌活性，對(duì)大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌和黑曲霉有不同程度的抗菌效果；不同釩含量的多金屬氧酸鹽對(duì)黑曲霉菌抑制效果不顯著，而不同釩取代量和中心原子價(jià)態(tài)的多金屬氧酸鹽僅對(duì)青霉菌抑制效果差。Gu等[20]研究了幾種具有不同陰離子結(jié)構(gòu)的多金屬氧酸鹽對(duì)金黃色葡萄球菌(YB57)、屎腸球菌(SA2和SA3)、金黃色葡萄球菌(USA300)、糞腸球菌(FA2和FA3)、鮑曼不動(dòng)桿菌(ABC3)和肺炎鏈球菌(SP)等菌的抗菌活性，發(fā)現(xiàn)含鈰元素的多金屬氧酸鹽化合物具有較好的抗菌活性，鄰菲咯啉的無機(jī)—有機(jī)雜化化合物中[Cu(phen)(H2O)(Mo3O10)]具有更寬的抑菌譜，且對(duì)ABC3、FA2、FA3、YB57、USA300有抑菌效果；而[{Cu(phen)2}2(H4W12O40)]只對(duì)FA2有抑菌效果；單取代Keggin類化合物K5PW11TiO40·14H2O對(duì)YB57、USA300有抑菌效果；單一的Lindquist陰離子與鑭系元素的配合物Na7CeW10O35·26H2O對(duì)SA5、SA1、SP、USA300有抑菌效果；單空腔Keggin陰離子與鑭系元素的配合物K13[Ce(SiW11O39)2] ·26H2O對(duì)SA5、SA1、SP、USA300有抑制效果，而K13[La(SiW11O39)2]·26H2O只對(duì)YB57、USA300有抑菌效果；電鏡掃描發(fā)現(xiàn)多金屬氧酸鹽處理后的USA300表面形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，由光滑的球形變?yōu)辇斄训谋馄角蛐巍?/p>

2.3 多金屬氧酸鹽的抑菌機(jī)制

Inoue等[33]報(bào)道了K6[P2W18O62]·14H2O (P2W18)、K4[SiMo12O40]·3H2O (SiMo12)和K7[PTi2W10O40]·6H2O (PTi2W10)與苯唑西林聯(lián)用，對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)和萬古霉素耐藥金黃色葡萄球菌(VRSA)具有協(xié)同抑制作用；X射線能譜分析表明P2W18處理的菌株多金屬氧鎢原子定位在細(xì)胞外圍，而P2W18和SiMo12的生物還原在MRSA和VRSA細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，多金屬氧酸鹽可以穿透由肽聚糖組成的細(xì)胞壁，到達(dá)細(xì)胞膜；RTPCR電泳分析證實(shí)多金屬氧酸鹽可能通過抑制mecA和pbp基因?qū)RNAs的轉(zhuǎn)錄過程，實(shí)現(xiàn)抑菌作用增強(qiáng)。Li等[34]利用靜電作用將陽離子肽(L1)與多金屬氧酸鹽H4SiW12O40(HSiW)進(jìn)行離子自組裝合成L1/HSiW納米纖維，提高了短肽的生物穩(wěn)定性，并通過對(duì)光密度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)L1/HSiW納米纖維對(duì)大腸桿菌的抗菌活性顯著高于母體，且最小抑制濃度為60 mmol/L；激光掃描共聚焦顯微鏡結(jié)果顯示，L1/HSiW納米纖維處理后，大腸桿菌細(xì)胞膜發(fā)生破裂，細(xì)菌死亡。郭栓麗[35]發(fā)現(xiàn)兩種多酸化合物Ag3PW12O40和Zn3(FLC)6V10O18[Zn(flc)]對(duì)病原真菌白色念珠菌、熱帶念珠菌等臨床分離菌有體外抑制活性，且具有明顯的劑量和時(shí)效效應(yīng)；兩種多酸作用白色念珠菌HL963后，其細(xì)胞膜麥角固醇生成受到抑制，其中Zn(flc)的抑制效果強(qiáng)于Ag3PW12O40的，抑制率高達(dá)(92.02±2.22)%，麥角固醇合成通路上的基因水平(ERG1、ERG7、ERG11等)較正常組顯著上調(diào)，最終達(dá)到抑制效果。

2.4 多金屬氧酸鹽的改性或協(xié)同抑菌研究

黃群增等[36]利用液相法將鎢磷酸和甲殼低聚糖合成新型低聚糖，且新型低聚糖對(duì)酵母菌、黑曲菌以及金黃色葡萄球菌具有一定的抑菌能力，并推測其廣譜的抑菌能力是因?yàn)樾滦偷途厶禽^母體具有更強(qiáng)的強(qiáng)固著力，更容易通過胞吞作用進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞，影響細(xì)胞正常呼吸作用和營養(yǎng)物質(zhì)攝入，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。Yang等[37]以Keggin型多金屬氧酸鹽H5PV2Mo10O40(POM)和多孔竹炭(BC)為基體，通過活化和固定化工藝制備了納米復(fù)合材料(BC/POM)，并探究了BC/POM對(duì)革蘭氏陰性銅綠假單胞菌、環(huán)丙沙星耐藥銅綠假單胞菌、大腸埃希菌和大腸桿菌JM109的抗菌活性。結(jié)果表明，培養(yǎng)24 h后，BC/POM對(duì)細(xì)菌的抑制區(qū)為9.4～27.0 mm，而BC未顯示任何抑菌區(qū)；BC/POM復(fù)的MIC值為4～128 μg/mL，MBC值為16～256 μg/mL。BC/POM對(duì)革蘭氏陰性銅綠假單胞菌、環(huán)丙沙星耐藥銅綠假單胞菌、大腸埃希菌JM109有較強(qiáng)的抑菌活性，提示POM的高負(fù)電荷很可能會(huì)刺激細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)菌形態(tài)容易從菌狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。Wu等[38]研究以Keggin型多金屬氧酸鹽H5PV2Mo10O40和氨基硅改性硅酸鹽[Ormosil和Ormosil(NR4+Cl-)]雜化材料為基礎(chǔ)合成了納米雜化膜，并采用抑菌圈法、最低抑菌濃度(MIC)法等研究了納米雜化膜對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的抑菌效果。研究發(fā)現(xiàn)Ormosil/POM和Ormosil(NR4+Cl-)/POM雜化膜或者浸漬物對(duì)革蘭氏陰性銅綠假單胞菌、環(huán)丙沙星耐藥銅綠假單胞菌、大腸桿菌和大腸桿菌JM109以及革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌具有抑菌效果。雜交物的抗菌活性大小為Ormosil(NR4+Cl-)/POM>Ormosil/POM>Ormosil，POM含有Ormosil和帶負(fù)電荷的陰離子是其抗革蘭氏細(xì)菌活性的重要因素，再次證實(shí)了POM的高負(fù)電荷更能刺激細(xì)胞死亡。

多金屬氧酸鹽與其他化合物聯(lián)合使用后，兩者具有協(xié)同抗菌作用，可增強(qiáng)抗菌活性。Hemant等[39]報(bào)道了多金屬氧酸鹽(POM)對(duì)銀納米顆粒(AgNPs)進(jìn)行表面修飾后，可以提高其抗菌潛力，酪氨酸還原型AgNPs(AgNPsY)能充當(dāng)POMs的載體和穩(wěn)定劑，而POMs表面電暈增強(qiáng)了對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的物理損傷，AgNPs和POMs具有協(xié)同抗菌作用。Liu等[40]合成了一種特殊的基于多金屬氧酸鹽(POMS)和鈷—加替沙星(GT)的無機(jī)—有機(jī)抗菌配合物[CoII(C19FH22N3O4)3][C19FH23N3O4][HSiW12O40]·23H2O，若復(fù)合物中的GT組分與游離GT控制在相同的摩爾濃度，復(fù)合物可產(chǎn)生最大的抗菌面積；雜多陰離子與GT的整合對(duì)抗菌活性具有協(xié)同作用。Yu等[41]通過靜電逐層自組裝方法，將多金屬氧酸鹽(NH4)5H4PV6Mo6O40·6H2O (PV6Mo6)和甲基紫(MV)制成的有機(jī)—無機(jī)復(fù)合膜具有明顯的大腸桿菌抑制作用；單層PEI和{PEI/(PSS/MV)}薄膜的抗菌測試未顯示出抗菌活性，而{PEI /(PV6Mo6/MV)n} (n=40)膜具有明顯的抑制區(qū)域，表明MV可通過與多金屬亞鉻酸鹽結(jié)合而固定在LBL多層膜上，從而表現(xiàn)出很好的針對(duì)大腸桿菌的抗菌活性。

3 多金屬氧酸鹽其他生物活性的應(yīng)用

3.1 多金屬氧酸鹽的抗腫瘤應(yīng)用

1826年，Berzerius等發(fā)現(xiàn)了多金屬氧酸鹽，隨后其生物活性逐漸被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[42]。Raynaud等[43]發(fā)現(xiàn)多金屬氧酸鹽(硅鎢酸鹽)對(duì)小鼠白血病肉瘤組病毒具有抑制作用。在Yamase等[44]研究的基礎(chǔ)上，Ogata等[45]合成制備了[NH3Pri]6[Mo7O24]3H2O (PM-8)，并證實(shí)PM-8可抑制人胰腺癌細(xì)胞系A(chǔ)sPC-1生長并引起細(xì)胞DNA斷裂。譚榮欣等[46]利用水溶液法合成了4種Keggin型含鈦多金屬氧酸鹽(γ-GeTi2、α-GeTi3、γ-SiTi2、α-SiTi3)，并證實(shí)這4種化合物對(duì)H22肝癌細(xì)胞和S180肉瘤細(xì)胞增殖具有良好的抑制作用。Li等[15]研究發(fā)現(xiàn)5個(gè)Keggin類型的含稀土多金屬氧酸鹽(HPB 1-5)對(duì)6種腫瘤細(xì)胞株(HepG2、U87、U251、A549、Hela、MCF7)具有顯著的殺傷作用。Sabarinathan等[47]合成的鎢硅簇合物配位的有機(jī)—無機(jī)雜化材料[Cu(Dmbpy)]2[SiW12O40]·8H2O (POM-TMC)對(duì)人皮膚癌細(xì)胞(A375)具有抗增殖活性，POM-TMC作用后的細(xì)胞呈濃縮縮小形態(tài)，且對(duì)腫瘤細(xì)胞的IC50值為68.31 mg/mL，顯示出良好的開發(fā)利用價(jià)值。

3.2 多金屬氧酸鹽的抗病毒應(yīng)用

Qi等[48]發(fā)現(xiàn)雜多鎢酸鹽[K4(H2O)8Cl][K4(H2O)4PTi2W10O40]·NH2OH在體外能有效抑制HepG2細(xì)胞中乙型肝炎病毒(HBV)的復(fù)制。Qi等[49]發(fā)現(xiàn)Cs2K4Na[SiW9Nb3O40]·H2O(POM-12)可以在納米分子范圍內(nèi)特異性抑制丙型肝炎病毒(HCV)感染，但對(duì)水泡性口炎病毒(VSV)感染沒有顯著影響，對(duì)流感病毒感染的抑制作用較弱；POM-12可破壞HCV包膜，從而破壞病毒顆粒的完整性。Wang等[50]報(bào)道了(POM-12)對(duì)流感病毒、單純皰疹病毒和HIV-1具有廣泛高效的抗病毒活性，其機(jī)制為多金屬氧酸鹽能直接作用于細(xì)胞表面。Li等[16]發(fā)現(xiàn)POM-12可顯著降低小鼠血清HBV DNA、HBsAg和肝臟HBsAg水平，但治療后，肝組織HBV RNA未見明顯下降；治療28 d后，血清HBV DNA下降98%，且對(duì)HBV DNA的抑制率高于相同劑量的ADV，提示POM-12具有成為新型抗病毒藥物的潛力。

4 多金屬氧酸鹽的安全性研究

多金屬氧酸鹽由于其在抑菌、抑酶等方面所表現(xiàn)出的顯著活性，在食品化學(xué)、果蔬保鮮、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，同時(shí)，國內(nèi)外對(duì)多金屬氧酸鹽的安全性也有所研究。劉霞等[51-52]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度(100 μg/mL以下)的含磺胺多金屬氧酸鹽對(duì)人胚胎成纖維細(xì)胞無明顯毒性。Sabarinathan等[47]發(fā)現(xiàn)鎢硅簇合物配位的有機(jī)—無機(jī)雜化材料對(duì)正常細(xì)胞系(Vero)的IC50值顯著高于人皮膚癌細(xì)胞的，且對(duì)正常細(xì)胞的細(xì)胞毒性較低。此外，多金屬氧酸鹽也被應(yīng)用于臨床人體試驗(yàn)，用于探索其抗HIV病毒活性[53]。

5 總結(jié)與展望

近年來，多金屬氧酸鹽在食品化學(xué)、果蔬保鮮、營養(yǎng)學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究表明，多金屬氧酸鹽具有多種顯著的生物活性。同時(shí)，多金屬氧酸鹽以其顯著的抑菌和抑酶活性，以及實(shí)惠易得等特性有望成為新型食品保鮮劑或與其他食用膜等聯(lián)合，用于生鮮食品保鮮等，以減少食品公共衛(wèi)生安全問題。但多金屬氧酸鹽在生物體內(nèi)的代謝過程中，是否會(huì)產(chǎn)生其他不利于生物體的衍生產(chǎn)物和有害物質(zhì)以及對(duì)內(nèi)環(huán)境的影響作用尚不明確，對(duì)體內(nèi)的活性研究存在不足。