一种酶-纳米银抗菌复合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物纳米材料和杀菌/抗菌领域，具体涉及一种酶-纳米银抗菌复合物及其制备方法和应用。
背景技术
纳米银具有广谱抗菌作用，被广泛应用于化妆品、食品包装、家电日化和医药卫生等领域。例如，将纳米银掺入牙膏、洁面乳等产品，可提高其抗菌功效；将纳米银固定在食品包装纸上持续抗菌，延长食品饮料的保质期；将纳米银添加到伤口敷料中或涂覆在医疗器械如静脉导管、导尿管或针头等表面，以防止伤口感染。也有研究表示，纳米银存在抗病毒作用，纳米银能够粘附在HIV-1病毒颗粒上，对T细胞起保护作用(Sun R W Y,Chen R,ChungN P Y,et al.Chemical communications,2005(40):5059-5061.)。香港大学LUT等在研究纳米银对乙肝病毒的复制中发现，纳米银能够有效地减少细胞外乙型肝炎毒DNA的形成，抑制率大于50％(Lu L,Sun R W,Chen R,et al.Antiviral therapy,2008,13(2):253.)。
根据纳米银的抗菌机制，纳米银粒径越小，杀菌效率越高。然而，纳米银在应用过程中存在一定的缺陷，小尺寸的纳米银更易团聚，稳定性不高，释放银离子速度较快，无法实现稳定持续的抗菌。而且，纳米银可在环境中以离子或纳米粒子形式累积，对土壤微生物、动植物具有毒性，也增加了与人体接触的机会，尤其是通过皮肤接触和吸入。纳米银的不稳定性和潜在毒性限制了其进一步应用。采用有机或无机纳米复合材料也可以增加纳米银的稳定性，但是会存在生物相容性问题，如何绿色合成纳米银愈发受到关注。
酶是具有纳米尺度的天然蛋白质，具有良好的生物活性，可以催化一系列反应，对区域和立体化学能够精细控制，同时，它们还可以作为反应物或稳定剂参与纳米银抗菌复合物的合成。若将酶与金属的制备和应用结合，具有很广阔的应用前景。专利CN106270548A公开了一种利用丝胶蛋白原位合成纳米银的方法，制备方法简单，利用酪氨酸的酚羟基具有还原性，在光照下原位合成丝胶-纳米银，但是，制备的纳米银的粒径不均一(12±8nm)，同时丝胶蛋白没有体现催化或杀菌功能。专利CN106729713A公开了一种蛋白质包覆金属硫化物纳米粒子的制备方法及其应用，在碱性溶液中，蛋白质与金属离子反应，生成蛋白质包覆金属硫化物纳米粒子，该申请工作中纳米粒子的制备是在碱性条件下进行的，对于一些不耐碱性的蛋白并不适用，该蛋白也没有体现催化和杀菌功能。专利CN107018991A制备了一种银-溶菌酶纳米簇，需要用NaOH调节pH至8-12，制备的抗菌薄膜抑菌效果不稳定。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种酶-纳米银抗菌复合物，采用蛋白辅助还原技术还原纳米银，以酶蛋白作为稳定剂和辅助还原剂，硝酸银作为银源，硼氢化钠作为还原剂。
本发明第二个目的是提供一种超小粒径酶-纳米银抗菌复合物制备方法，利用注射泵制备的酶-纳米银粒径小且均一、分散性和稳定性好，制备方法条件温和、操作简单、成本低廉，可在短时间内实现抗菌复合物的大量制备。
本发明的第三个目的是提供一种可控的长效抗菌方案，酶催化生成的产物是具有抗菌活性的小分子，可控释放，较高的酶活保证了产生小分子杀菌物质的速率和产量，提高了抗菌的效果和广谱性。
本发明的第四个目的是克服现有纳米银抗菌的不足，纳米银在使用量过大时存在生物毒性，本发明一方面通过合成更小粒径的纳米银增强抗菌效果来降低纳米银的用量，另一方面，酶催化产生的抗菌活性物质也可以增强抗菌效果和抗菌的广谱性，进一步降低了纳米银的用量。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种酶-纳米银抗菌复合物，纳米银与酶蛋白通过静电相互作用结合在一起，所述的复合物粒径为0.8-5nm，酶活保持在原酶酶活的70％以上。
优选的，所述酶蛋白选自葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶、辣根过氧化物酶、脂肪酶、磷脂酶、细胞色素c、乙醇脱氢酶、漆酶、超氧化物歧化酶、蛋白酶、碳酸酐酶、蔗糖酶中的一种或多种。特别优选的，所述酶蛋白为漆酶。
同时提供一种酶-纳米银抗菌复合物的制备方法，将酶蛋白分散于水中得到酶蛋白溶液，通过注射泵向酶蛋白溶液中分别注入硝酸银溶液和还原剂溶液后进行反应，整个过程均无需调节pH值，反应结束后经透析冻干，得到酶-纳米银抗菌复合物干粉。
优选的，还原剂溶液为硼氢化钠溶液。
优选的，分别注入硝酸银溶液和还原剂溶液，使得反应体系中酶蛋白、硝酸银和还原剂的最终比例为0.5-2g/L：1-10mmol/L：1-40mmol/L。
优选的，还原剂硼氢化钠与硝酸银的摩尔比为0.4-4:1。在该比例下，硼氢化钠能够均匀地将硝酸银还原成0.8-5nm的纳米银，并使纳米银稳定地附着在酶蛋白上不聚集，保证酶蛋白的酶活在70％以上。
优选的，反应体系在25℃、200-500rpm下反应10-20h，然后透析冻干。
本发明还提供上述酶-纳米银抗菌复合物在化妆品、食品包装、家电日化、医药器械、建筑材料、公共设施中的应用。
优选的，在家电上，应用于电冰箱、洗碗机、洗衣机、净水器、空气净化器、排风扇、干燥器、验钞机等；在日化上，可添加进衣物、手套、口罩、枕头、棉絮、床单、袜子、鞋、浴帘、拖把、围裙、洗面奶、沐浴露、面霜、化妆盒、粉扑等；在医药卫生领域，可添加进手术刀、静脉导管、针头、口腔手机、牙科材料、护士服、医用口罩、手套等；作为建筑住宅，纳米银可添加进油漆、墙面涂料、地板、壁纸、把手等；在皮革制品上，添加进皮鞋、皮包、皮带、皮衣、手表带等；在公共设施上，如公交车座椅、把手、公共厕所墙壁、公共便池、扶梯、电梯等。
本发明的有益效果为：
(1)采用蛋白辅助还原技术还原纳米银，显著降低纳米银的粒径，合成粒径为0.8-5nm，从而增强抗菌效果，降低纳米银的用量。
(2)漆酶既作为辅助还原剂和稳定剂，漆酶的限域作用防止金属纳米颗粒聚集，能够稳定存在于溶液中，此外，漆酶与金属耦合后其酶活相比于原酶酶活保持70％以上，在抗菌过程中作为催化剂，较高的酶活使其催化作用仍能保持高效。
(3)酶催化生成的产物是具有抗菌活性的小分子，可控释放，与纳米银协同抗菌，进一步降低纳米银使用量，较高的酶活保证了产生小分子杀菌物质的速率和产量，提高了抗菌的效果和广谱性，酶-纳米银抗菌复合物对六百多种微生物均具有抗菌效果，可实现长效持续抗菌。
(4)本发明的酶-纳米银抗菌复合物的制备方法要求用到注射泵，只需在常温水相中制备，整个过程无需调节反应体系的pH值，提出了合成小粒径纳米金属的新方法，减少了实验合成的成本。
(5)本发明的酶-纳米银抗菌复合物可批量快速制备，可广泛应用于化妆品、食品包装、家电日化和医药器械等领域。
附图说明
图1为使用不同还原剂制备的漆酶-纳米银复合物的全波长扫描图。
图2为采用不同浓度的硼氢化钠(实施例1、实施例2、实施例3)制备的漆酶-纳米银复合物的全波长扫描图。
图3A-B为实施例3采用注射泵滴加硼氢化钠所制备的漆酶-纳米银复合物TEM图。
图4为对比例1直接滴加硼氢化钠所制备的漆酶-纳米银复合物的TEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不局限于说明书上的内容。
实施例1漆酶-纳米银复合物及其制备
(1)在5mL去离子水中加入20mg漆酶，搅拌10min，制得漆酶溶液；
(2)用注射泵向步骤(1)中分别注入硝酸银溶液和硼氢化钠溶液；
(3)在最终的反应体系中，漆酶浓度为2mg/mL，硝酸银浓度为3.5mmol/L，硼氢化钠溶液的浓度为1.4mmol/L，在25℃、300rpm下反应16h，经透析、冻干后得到漆酶-纳米银复合物干粉。
实施例2漆酶-纳米银复合物及其制备
(1)在5mL去离子水中加入20mg漆酶，搅拌10min，制得漆酶溶液；
(2)用注射泵向步骤(1)中分别注入硝酸银溶液和硼氢化钠溶液；
(3)在最终的反应体系中，漆酶浓度为2mg/mL，硝酸银浓度为3.5mmol/L，硼氢化钠溶液的浓度为2.6mmol/L，在25℃、300rpm下反应16h，经透析、冻干后得到漆酶-纳米银复合物干粉。
实施例3漆酶-纳米银复合物及其制备
(1)在5mL去离子水中加入20mg漆酶，搅拌10min，制得漆酶溶液；
(2)用注射泵向步骤(1)中分别注入硝酸银溶液和硼氢化钠溶液；
(3)在最终的反应体系中，漆酶浓度为2mg/mL，硝酸银浓度为3.5mmol/L，硼氢化钠溶液的浓度为7mmol/L，在25℃、300rpm下反应16h，经透析、冻干后得到漆酶-纳米银复合物干粉。
实施例4磷脂酶-纳米银复合物及其制备
(1)在5mL去离子水中加入20mg磷脂酶，搅拌10min，制得磷脂酶溶液；
(2)用注射泵向步骤(1)中分别注入硝酸银溶液和硼氢化钠溶液；
(3)在最终的反应体系中，磷脂酶浓度为2mg/mL，硝酸银浓度为3.5mmol/L，硼氢化钠溶液的浓度为7mmol/L，在25℃、300rpm下反应16h，经透析、冻干后得到磷脂酶-纳米银复合物干粉。
实施例5蛋白酶-纳米银复合物及其制备
(1)在5mL去离子水中加入20mg蛋白酶，搅拌10min，制得蛋白酶溶液；
(2)用注射泵向步骤(1)中分别注入硝酸银溶液和硼氢化钠溶液；
(3)在最终的反应体系中，蛋白酶浓度为2mg/mL，硝酸银浓度为3.5mmol/L，硼氢化钠溶液的浓度为7mmol/L，在25℃、300rpm下反应16h，经透析、冻干后得到蛋白酶-纳米银复合物干粉。
实施例6紫外可见吸收光谱
(1)在紫外分光光度计下设置300nm-600nm范围，对不同还原剂浓度的漆酶-纳米银复合溶液进行全波长扫描。
(2)记录漆酶-纳米银复合溶液的紫外可见吸收光谱，纳米银在410nm附近会有特征峰。
由图1和图2可以清楚看到在410nm附近有一个吸收峰，这是由纳米银表面等离子体共振造成的。这说明硝酸银在还原体系中形成纳米银，SPR峰的强度间接反映纳米银粒径，两者呈正相关关系。由于纳米银粒径越小，抗菌效果越好，所以硼氢化钠作为还原剂，且浓度达到7mmol/L时最佳。
对比例1漆酶-纳米银复合物及其制备
(1)在5mL去离子水中加入20mg漆酶，搅拌10min，制得漆酶溶液；
(2)分别向步骤(1)的漆酶溶液中直接加入硝酸银溶液和硼氢化钠溶液；
(3)在最终的反应体系中，漆酶浓度为2mg/mL，硝酸银浓度为3.5mmol/L，硼氢化钠溶液的浓度为7mmol/L，在25℃、300rpm下反应16h，经透析、冻干后得到漆酶-纳米银复合物干粉。
实施例3和对比例1比较了采用注射泵和直接加入两种方式添加硝酸银和硼氢化钠，对漆酶-纳米银复合物在酶活和纳米银粒径两方面的影响，综合表1和图3、图4(粒径范围为5.9nm±2.2nm)的结果，采用注射泵合成的纳米银粒径更加小且均一，酶活也保持在更高水平。
对比例2漆酶-纳米银复合物及其制备
(1)在5mL去离子水中加入20mg漆酶，搅拌10min，制得漆酶溶液；
(2)用注射泵分别向步骤(1)中加入硝酸银和硼氢化钠溶液；
(3)在最终的反应体系中，漆酶浓度为2mg/mL，硝酸银浓度为3.5mmol/L，硼氢化钠溶液的浓度为0.1mmol/L，在25℃、300rpm下反应16h，经透析、冻干后得到漆酶-纳米银复合物干粉。
对比例3漆酶-纳米银复合物及其制备
(1)在5mL去离子水中加入20mg漆酶，搅拌10min，制得漆酶溶液；
(2)用注射泵向步骤(1)中加入硝酸银溶液，边搅拌边加入氢氧化钠调节pH至9，再用注射泵逐滴加入硼氢化钠溶液；
(3)在最终的反应体系中，漆酶浓度为2mg/mL，硝酸银浓度为3.5mmol/L，硼氢化钠溶液的浓度为7mmol/L，在25℃、300rpm下反应16h，经透析、冻干后得到漆酶-纳米银复合物干粉。
实施例7漆酶-纳米银复合物大批量制备
(1)在30mL去离子水中加入100mg漆酶，搅拌10min，制得漆酶溶液；
(2)用注射泵向步骤(1)中分别注入硝酸银溶液和硼氢化钠溶液；
(3)在最终的反应体系中，漆酶浓度为2mg/mL，硝酸银浓度为3.5mmol/L，硼氢化钠溶液的浓度为7mmol/L，在25℃、300rpm下反应16h，经透析、冻干后得到漆酶-纳米银复合物干粉。
实施例8漆酶-纳米银复合物的酶活测定
在50mL的烧杯中加入7.48mg的ABTS与30mL 10mM的磷酸盐缓冲液(pH 7.4)，配制成底物溶液。将漆酶-纳米银复合物溶于水稀释一定的倍数，在比色皿中加入950μL的底物溶液与50μL的漆酶-纳米银复合溶液(含有酶蛋白3.2μg)，测定反应液在420nm处吸光值的变化。计算不同实例漆酶-纳米银抗菌复合物的酶活。
酶活力单位1U定义为在环境温度为25℃时，每分钟内酶分子使底物吸光度上升0.001的能力。
酶的活力单位数＝△A420/(t×0.001)
比活力为每毫克酶具有的酶活，单位为U/mg。
比活力＝酶活力/mg蛋白
表1不同漆酶-纳米银复合物的酶活测定
实施例9漆酶-纳米银复合物的抗菌实验
将大肠杆菌接种于LB培养基中，在摇床37℃下培养18h，活化大肠杆菌。然后用无菌生理盐水梯度稀释菌液至103CFU/mL，取出20μL稀释后的菌液于配置好的20mL LB液体培养基中，向菌液中加入一定量的漆酶-纳米银复合物混合液，在摇床37℃下培养18h，测定菌液在600nm处的吸光值。根据经验，在600nm处，吸光度为1对应于菌液浓度为1×109CFU/mL。
杀菌效果(％)＝(1-C/C0)×100％
C为加入纳米银或酶-银纳米复合物后在37℃下培养18h后的菌浓度，C0为空白组在37℃下培养18h后的菌浓度。
表2不同漆酶-纳米银复合物的抗菌效果
实施例10漆酶-纳米银复合物的协同抗菌实验
将大肠杆菌接种于LB培养基中，在摇床37℃下培养18h，活化大肠杆菌。然后用无菌生理盐水梯度稀释菌液至103CFU/mL，取出20μL稀释后的菌液滴加于配置好的20mL LB液体培养基中，向菌液中加入一定量实施例1的漆酶-纳米银复合物混合液和酶可催化产生抗菌活性小分子的底物分子，在摇床37℃下培养18h，测定菌液在600nm处的吸光值。根据经验，在600nm处，吸光度为1对应于菌液浓度为1×109CFU/mL。
杀菌效果(％)＝(1-C/C0)×100％
C为加入纳米银或酶-银纳米复合物后在37℃下培养18h后的菌浓度，C0为空白组在37℃下培养18h后的菌浓度。
表3不同漆酶-纳米银复合物的协同抗菌效果
由表3可知，实施例1制备的漆酶-纳米银复合物抗菌效果大于仅用漆酶-纳米银或者底物分子的效果。
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
