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牛效迪教授团队与电子科学与工程色情综艺
董彪教授团队跨学科协同攻关，在纳米酶保鲜技术领域取得里程碑式突破。成功制备出铜铁孪晶纳米酶（CuFe NCs），并基于该纳米酶开发出多功能复合膜（Cu-Fe/SL），不仅实现了长达1年的酶活性稳态保持，更达成19天的食品长效保鲜效果，为易腐食品保鲜提供了低成本、高性能的创新技术方案。相关成果以“Breaking the durability barrier with d band optimized Cu Fe twin crystal nanozymes for long term suppression of Botrytis cinerea”为题发表于国际期刊《Nature Communications》。
全球食物浪费已成为紧迫的全球性挑战，联合国环境规划署2024年《食品浪费指数报告》显示，每人年均浪费食物达132公斤，其中果蔬等易腐产品占比超40%，此类浪费总量可满足1.9亿人年度营养需求。灰葡萄孢菌引发的腐败变质与食品水分流失，是导致易腐食品货架期短、浪费严重的两大核心原因。传统保鲜手段如冷藏、打蜡、添加化学防腐剂等，存在成本高、易诱导致病菌耐药性、难以兼顾抗菌与保湿需求等缺陷，无法从根本上解决问题。因此，开发长效、高效、低成本的新型保鲜技术，成为遏制食物浪费、保障食品供应链安全的关键。
纳米酶作为融合纳米材料特性与类酶催化活性的新型功能材料，凭借环境稳定性强、制备成本可控、抗菌谱广等优势，已成为食品保鲜领域的核心研究方向。前期研究证实，纳米酶可通过催化产生活性氧实现高效抗菌，在果蔬、水产等易腐食品储存中展现出巨大应用潜力。然而，传统纳米酶在开放氧化环境中易发生催化活性衰减，如Fe₃O₄纳米酶会因Fe²⁺→Fe³⁺价态转变导致过氧化物酶（POD）样活性快速丧失，同时现有保鲜技术难以兼顾抗菌长效性与水分保持需求，严重制约了纳米酶的产业化落地。
针对上述技术瓶颈与市场需求，研究团队基于TNPS策略，构建了CuO-Fe₃O₄孪晶结构的CuFe NCs。该结构通过Cu²⁺离子的持续电子供体特性，搭建高效电子转移通道，显著加速Fe³⁺向Fe²⁺的还原转化，从而稳定维持其催化活性。密度泛函理论（DFT）计算揭示，Fe原子的不对称四配位构型使3d轨道能级更靠近费米能级，促进Cu→O→Fe的高效电子转移，大幅提升催化动力学效率。其中，Cu₈Fe₂ NCs表现出最优催化性能，米氏常数（Kₘ）低至 0.54 mM，最大反应速率（Vₘ）达 19.20×10⁻⁸ mM・s⁻¹，展现出优于其他双金属纳米酶的底物亲和力与催化活性。
图1. CuFe NCs催化活性机制解析
与传统Fe₃O₄纳米酶3周内完全丧失活性不同，Cu₈Fe₂ NCs在标准储存条件下可维持酶活性超过1年。其核心机制在于孪晶结构通过加速Fe³⁺向Fe²⁺的转化，抑制Fe₃O₄的氧化相变，使Fe²⁺/Fe³⁺比例长期稳定在4.5左右，确保催化活性持续稳定。这一设计成功突破了纳米酶耐久性的行业瓶颈，为长效抗菌材料的开发提供了全新思路。
图2. CuFe NCs对灰葡萄孢菌的持久抗真菌活性
CuFe NCs通过独特的作用机制实现高效抗菌：在真菌氧化应激微环境中，无需外源过氧化氢（H₂O₂），可利用真菌呼吸代谢产生的内源性H₂O₂，通过芬顿反应生成羟基自由基（・OH），破坏真菌细胞膜完整性；同时，该纳米酶可显著下调麦角甾醇生物合成关键基因（Bcerg1、Bcerg3）的表达水平，导致细胞膜结构紊乱与功能异常。转录组学分析显示，CuFe NCs处理后，灰霉菌的氧化应激通路、谷胱甘肽生物合成等相关基因表达发生显著改变，进一步证实其通过氧化应激介导的杀菌机制。
图3. CuFe NCs对灰葡萄孢菌生长的抑制活性及其作用机制
为满足实际食品包装应用需求，研究团队将Cu₈Fe₂ NCs与海藻酸钠（SA）、明胶（GL）复合，制备出Cu-Fe/SL多功能复合膜。该复合膜利用SA与GL之间的氢键作用增强机械性能，通过CuFe NCs构建的“曲折扩散路径”降低水蒸气渗透率，实现保湿与抗菌功能的协同优化。草莓保鲜实验结果显示，Cu-Fe/SL膜包裹的草莓在室温条件下可保持新鲜状态超过19天，重量损失率显著降低，且感官品质（硬度、色泽、风味）与营养成分（维生素 C、可溶性固形物）得到有效保留。与传统抗菌膜相比，Cu-Fe/SL膜的生产成本降低 80%，每平方米仅需0.87美元，具备极强的产业化应用前景。
图4. Cu-Fe/SL 多功能保鲜膜对草莓灰霉菌侵染的防控效果
该研究通过孪晶结构设计与d轨道能级优化，成功开发出兼具超长耐久性、高效抗菌活性与生物安全性的铜铁孪晶纳米酶，为食品保鲜技术提供了全新解决方案。其创新机制不仅突破了纳米酶自耗的核心瓶颈，还为纳米材料在抗菌、催化等领域的长效化应用提供了新范式。未来研究将进一步优化纳米酶的规模化制备工艺，拓展其在不同易腐食品中的应用场景，同时探索其在癌症治疗、抗菌敷料等领域的潜在价值，推动新型功能材料的跨学科应用与产业化转化。
文章第一作者为浙江海洋大学食品与药学色情综艺
讲师刘璐（原色情综艺-性爱综艺-日韩成人综艺
博士毕业生），色情综艺-性爱综艺-日韩成人综艺
牛效迪教授、电子科学与工程色情综艺
董彪教授为共同通讯作者。
