随着全球人口的飞速增长，人类对食物质量和数量的需求急剧上升。但微生物和害虫对粮食安全构成严重威胁。其中微生物污染被认为是粮食安全的最重要问题，往往导致食源性疾病。同时产生不良的经济影响。此外，针对有害昆虫的化学杀虫剂往往导致环境问题并可能残留在食品中。因此，为了解决这些环境问题和食品安全要求，探索对疾病或害虫有效、对环境和生物健康无害的新型生物分子是至关重要的。
近日，仲恺农业工程学院周红军教授、郝丽博士等人通过半胱胺酸盐酸盐（CYST）的硫醇-烯点击反应将丁香酚（EUG）接枝到羧甲基纤维素（CMC）中，制备了一种基于CMC的两亲聚合物基纳米绿色涂层（CMC-CYST-EUG）。结果表明，CMC-CYST-EUG对果蔬具有良好的粘附性，可以防止EUG的流失。用CMC-CYST-EUG处理的草莓可以储存7天。在0.5–0.25 mg/mL的浓度范围内，CMC-CYST-EUG对害虫的抗饲料率显著高于EUG。重要的是，细胞毒性测试表明，CMC-CYST-EUG在低浓度下被认为是安全的。这种合成材料为挥发性活性物质的开发利用提供了策略。
相关工作以“Eugenol and carboxymethyl cellulose derived nanocoating with insect repellent and long-term antibacterial activity”为题发表于《Industrial Crops and Products》。
/ CMC-CYST-EUG的制备以及表征 /
首先CMC与CYST通过酰胺缩合制备接枝有巯基的CMC-CYST。随后在光引发剂的作用下通过巯基-烯点击反应，将EUG接枝到CMC-CYST上，经测量计算，EUG的接枝率为19.5±1.3%。通过红外光谱中-SH、C=C等特征峰的消失（图1a），以及紫外光谱中280nm处出现属于EUG吸收峰（图1b）表明EUG被成功接枝。此外，还通过拉曼光谱（图1c）、GPC（图1d）、1HNMR（图1e-g）等测试手段对CMC-CYST-EUG进行了表征，证明EUG被成功接枝到CMC上。
方案1. CMC-CYST-EUG的合成及应用示意图。
图1. CMC-CYST-EUG的结构表征。
SEM图像（图2a,b）表明，与纯CMC相比，CMC-CYST-EUG的表面非常光滑、且均匀有序。TEM图像显示了CMC-CYST-EUG共聚物呈现单分散规则球体（图2c，d），平均粒径为70 nm。图2（e）显示了=CMC-CYST-EUG水溶液呈现丁达尔效应，表明CMC-CYST-EUG纳米颗粒在水中形成稳定的胶体溶液。通过DLS测量的CMC-CYST-EUG水溶液的平均粒径为338.40±3.70nm（图2f），多分散指数（PDI）为0.206±0.029，粒径分布较窄，表明体系均匀稳定。
图2. (a)CMC和(b)薄膜的SEM图像；(c)CMC-CYST-EUG水溶液TEM图像以及（d）部分放大部分(d); (e)EUG在乙醇溶液和CMC-CYST-EUG和CMC分散在水中的丁达尔效应图; (f)DLS法测定CMC-CYST-EUG的粒径分布。
/ 热性能与浸润性 /
如图3a、b所示，与CMC相比，CMC-CYST-EUG的热稳定性有所提高，这归因于EUG接枝反应后芳族基团的存在，赋予聚合物链更高的热稳定性。几种样品的DSC曲线如图3c所示，CMC-CYST-EUG的Tg低于CMC-CYST和纯CMC。这归因于接枝导致CMC的侧链变大，增加了分子链之间的自由体积，使链段更容易不断移动，从而降低其Tg。此外，EUG的修饰增加了CMC-CYST-EUG与作物表面官能团的相互作用，提高了纳米配方在叶片上的润湿性，疏水性得到提升（图3d-n）。进一步通过LHC（单位面积的液体保持容量）测试证明CMC-CYST-EUG浸润叶片表面后具有良好的保留能力（图3o）。
图3.热性能与浸润性。
/ 抗菌性能 /
从图4所示，在没有任何EUG或EUG负载材料的空白中，琼脂平板上填充了金黄色葡萄球菌（图4 CK、a）。CMC-CYST对金黄色葡萄球菌显示出轻微的抑制作用，可能是由于硫的存在（图4 b）。纯EUG和CMC-CYST-EUG具有优异的抗菌性能，细菌抑制率高达100%。然而，由于EUG的挥发性，随着时间推移，逐渐失去抗菌性。而对于CMC-CYST-EUG，通过化学反应将EUG接枝到CMC上能够有效抑制其挥发，具有长期抗菌性能。
图4.使用金黄色葡萄球菌测试抗菌性能。
/ 水果保鲜应用 /
图5a为施用不同样品后储存的草莓的图片。结果表明，纯CMC膜和EUG处理的草莓表面颜色较深，尤其是EUG处理组表现出明显的收缩。然而，CMC-CYST-EUG涂层后包装的草莓的颜色仍然相对明亮。图5 b-d显示了草莓保鲜测试期间各指标的趋势图(失重率、pH和TSS)。用CMC-CYST-EUG处理的草莓具有更少的重量损失和更低的pH和TSS值，这归因于CMC-CYST-EUG涂层的疏水性，具有更好的水蒸气阻隔性能，可以得出结论，CMC-CYST-EUG可以延长食物和水果的寿命。
图5.(a)草莓储存7天的结果:(Ⅰ)对照，(Ⅱ)EUG，(Ⅲ)CMC- cyst -EUG和(Ⅳ)CMC。不同处理对草莓贮藏各参数的影响:(b)失重率，(c)果肉pH， (d)总可溶性固形物含量。
/ 拒食作用与细胞毒性 /
CMC-CYST-EUG对夜蝇的拒食作用如图6a所示。如图6b所示。当有效物质含量达到2 mg/mL时，CMC-CYST-EUG组和EUG组的拒食率最高，分别为81.72%和57.65%。有趣的是，在处理液的EUG含量相同的情况下，CMC-CYST-EUG组的叶片滞留面积大于EUG组，特别是在浓度为0.5–0.25 mg/mL时，CME-CYST-EUG治疗组的抗摄食率显著高于EUG治疗组，这是由于CMC-CYST-EUG的LHC较高（图3）。
细胞毒性试验结果如图6（c）所示。EUG，CMC和CMC-CYST-EUG在低浓度下未显示细胞毒性。然而，当含有近100 μg/mL EUG的CMC-CYST-EUG浓度达到500 μg/mL时，观察到细胞活力为75.5 ±1.9 %，显著高于EUG和CMC对照组，表明与对照组相比，细胞毒性较低。
图6. 几种样品处理后的样品的拒食作用以及生物相容性。
/ 总结 /
在本工作中，作者应用巯基-烯点击反应将EUG固定在修饰的CMC上，得到CMC-CYST-EUG，从而避免了EUG溶解性差、挥发性差、应用困难等问题。所得接枝共聚物CMC-CYST-EUG保留了良好的抗菌效果。室温下暴露和储存的抗菌时间也延长至80 d，抗菌活性得以保留，表明化学接枝法显著提高了EUG的稳定性。此外，CMC和EUG的结合使CMC-CYST-EUG在亲水疏水材料表面具有更好的润湿性和更高的保留率，使EUG能够更有效地发挥作用，在抵抗有害微生物和有害昆虫方面发挥更有效的作用。基于这些结果，EUG的应用可以在食品储存和农业领域得到扩展。此外，CMC的结合降低了EUG对细胞的毒性作用。使用廉价环保材料CMC作为固定材料，为挥发性活性物质的开发和利用提供了新的思路。
