全球食品浪费问题日益严峻，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%，仅此类浪费即可满足1.9 亿人年度营养需求。灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）是典型的植物致病性真菌，可在食品采收、加工、储运全产业链条中引发腐败变质；同时食品水分流失会进一步加速新鲜度衰减，二者共同构成制约食品保鲜技术发展的核心瓶颈。传统保鲜手段，如冷藏、打蜡处理、化学防腐剂添加等，存在成本高昂、易诱导致病菌耐药性、难以兼顾保湿与抗菌双重需求等缺陷，因此开发新型高效的食品保鲜技术已成为当前亟待解决的关键问题。

近日，吉林大学食品科学与工程学院牛效迪教授团队与电子科学与工程学院董彪教授团队跨学科深度协作，在国际顶级期刊《Nature Communications》发表突破性研究成果。双方联合攻关，创新性提出孪晶纳米酶保护策略（Twinned Nanozyme Protection Strategy, TNPS），成功制备出铜铁孪晶纳米酶（CuFe NCs）及多功能复合膜（Cu-Fe/SL）。该材料体系通过孪晶结构构建高效电子传递通道，实现了长达1年的酶活性稳态保持与19天的食品长效保鲜，为解决全球食品浪费难题提供了创新性技术方案。

孪晶结构精准设计，破解纳米酶活性衰减关键瓶颈

针对传统 Fe₃O₄纳米酶在开放氧化环境中易发生 Fe²⁺→Fe³⁺价态转变，导致过氧化物酶（POD）样活性快速衰减的技术痛点，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3. 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5. CuFe NCs对灰葡萄孢菌的持久抗真菌活性

多重抗菌机制协同，精准靶向灰霉菌致病过程

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4. CuFe NCs对灰葡萄孢菌生长的抑制活性及其作用机制

多功能复合膜构建，实现保鲜与保湿双重技术突破

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6. Cu-Fe/SL 多功能保鲜膜对草莓灰霉菌侵染的防控效果

研究总结与应用展望

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。

该研究以“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《Nature Communications》。论文第一作者为浙江海洋大学食品与药学学院讲师刘璐（原吉林大学食品科学与工程学院博士毕业生），吉林大学食品科学与工程学院牛效迪教授、吉林大学电子科学与工程学院董彪教授为论文共同通讯作者。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-025-67095-8