洋葱（Allium cepa）介导绿色合成金纳米颗粒：表征、抗菌性能及可持续生物医学应用

《Biotechnology Notes》：Green-mediated gold nanoparticles from Allium c epa: Synthesis, characterization and antimicrobial properties

为解决化学法合成金纳米颗粒（AuNPs）存在环境污染、成本高及生物相容性差的问题，研究人员利用洋葱（Allium cepa）鳞茎和废弃外皮提取物作为绿色还原剂和稳定剂，成功合成了具有显著抗菌活性的AuNPs。该研究证实了洋葱皮作为农业废弃物是一种低成本、可持续的纳米材料合成资源，所得AuNPs对多重耐药病原菌具有良好的抑制和杀灭效果，为开发环保型抗菌纳米材料提供了新策略。

　　

在当今全球面临严峻的抗生素耐药性挑战的背景下，开发新型、高效且环境友好的抗菌剂已成为紧迫需求。金纳米颗粒（Gold Nanoparticles, AuNPs）因其独特的物理化学性质和良好的生物相容性，在生物医学领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统的物理化学合成方法往往依赖于有毒的化学试剂和高能耗过程，不仅成本高昂，还可能带来环境和生物安全风险。因此，转向绿色、可持续的合成策略——利用植物提取物中的天然生物活性分子来制备纳米颗粒——已成为纳米技术领域的一个重要趋势。在这种背景下，日常烹饪中常见的洋葱（Allium cepa）及其常被丢弃的外皮进入了研究人员的视野。洋葱富含类黄酮、酚类化合物和含硫化合物等植物化学物质，这些成分不仅具有生物活性，还能作为还原剂和稳定剂参与金属纳米颗粒的合成。那么，能否将这些厨房剩余物“变废为宝”，用来合成具有抗菌功能的金纳米颗粒呢？这项发表在《Biotechnology Notes》上的研究正是为了回答这个问题。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了几项关键技术方法。首先，他们分别从洋葱鳞茎和外皮中制备了水提取物（OBE和OPE），并将其与氯金酸（HAuCl₄）溶液混合，在室温下通过生物还原法合成了金纳米颗粒（分别称为OBNPs和OPNPs）。其次，他们利用紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）对合成的纳米颗粒进行了系统的光谱学和晶体结构表征。接着，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了纳米颗粒的形貌和尺寸分布，并利用能量色散X射线光谱（EDX）分析了其元素组成。最后，研究评估了纳米颗粒的抗菌活性，针对四种临床相关病原菌（包括大肠杆菌E. coli、铜绿假单胞菌P. aeruginosa、金黄色葡萄球菌S. aureus和化脓性链球菌S. pyogenes），测定了最小抑菌浓度（MIC）、最小杀菌浓度（MBC），并通过时间-杀菌动力学实验分析了其杀菌速率。

3. 结果与讨论

3.1. 植物化学特征与金纳米颗粒合成的初步证据

研究通过观察提取物颜色初步判断了其植物化学组成差异：洋葱鳞茎提取物（OBE）呈浅黄色，表明其含硫化合物较多而显色酚类物质较少；洋葱皮提取物（OPE）则呈棕橙色，暗示其类黄酮（如槲皮素）和酚类化合物含量更高，还原潜力更强。在合成过程中，反应液颜色由淡黄转变为红宝石色，直观证实了Au³⁺被成功还原为Au⁰纳米颗粒。洋葱皮提取物介导的反应颜色变化更迅速、更强烈，预示着其可能生成更小、更稳定的纳米颗粒。

3.2. AuNPs的紫外-可见光谱、FT-IR和XRD光谱表征

紫外-可见光谱分析显示，洋葱鳞茎来源的金纳米颗粒（OBNPs）和洋葱皮来源的金纳米颗粒（OPNPs）分别在551 nm和539 nm处出现了特征性的表面等离子体共振（SPR）吸收峰，证实了球形金纳米颗粒的成功形成。OPNPs的SPR峰略向蓝移，提示其颗粒尺寸可能更小。FT-IR光谱分析揭示了羟基（-OH）、羰基（C=O）等官能团在还原和稳定金纳米颗粒过程中的参与。XRD图谱证实两种纳米颗粒均具有面心立方（fcc）晶体结构，且OPNPs的衍射峰更尖锐，结晶度更高，计算出的微晶尺寸（9.8-26.8 nm）也小于OBNPs（22.0-33.8 nm）。

3.3. 合成AuNPs的显微形貌与元素组成

扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察揭示了两种纳米颗粒显著的形貌差异。OBNPs呈不规则、多分散且团聚的球形颗粒；而OPNPs则显示出定义明确的各向异性特征，如纳米片和截角板状结构。这种形貌差异归因于洋葱皮提取物中更丰富的酚类和类黄酮提供了更强的还原和定向封端作用。EDX分析确认了两种纳米颗粒中金元素的高含量（>94%），并检测到碳和氧的信号，证实了植物化学物质在纳米颗粒表面的包覆。

3.4. 抗菌潜力

抗菌实验表明，与粗提物相比，两种金纳米颗粒对测试的革兰氏阳性菌（S. aureus, S. pyogenes）和革兰氏阴性菌（E. coli, P. aeruginosa）均表现出显著增强的抗菌活性。OBNPs和OPNPs对大多数测试菌株的最小抑菌浓度（MIC）降低至0.625-1.25 mg/mL。时间-杀菌动力学曲线进一步显示，纳米颗粒能在12-24小时内完全杀灭细菌，速度快于相应的粗提物。这些结果证明了纳米化有效提升了洋葱提取物的抗菌效能。

3.5. 作用机制与生物相容性考量

研究提出了植物衍生金纳米复合物的可能抗菌机制：纳米颗粒通过静电、疏水相互作用附着于带负电的细菌细胞壁，破坏膜完整性，导致内容物泄漏；金纳米颗粒及其释放的Au⁺离子可与含硫基团的膜蛋白和酶结合，干扰代谢；颗粒进入胞内后还可与DNA等大分子相互作用，最终导致细胞死亡。此外，文章通过引用文献综述指出，金纳米颗粒在低于或接近本研究抗菌有效浓度的剂量下，对实验动物通常表现出较低的毒性，预示其具有良好的生物相容性前景，但仍需进一步的体内外安全评估。

4. 结论

本研究成功利用洋葱（Allium cepa）鳞茎及废弃外皮提取物，通过绿色合成法制备了金纳米颗粒（AuNPs）。光谱和显微分析证实，洋葱皮提取物因其更高的酚类和类黄酮含量，能够合成出结晶度更高、尺寸更小且形貌各向异性更强的AuNPs。抗菌评估表明，与粗提物相比，纳米颗粒对多种致病菌的抑制和杀灭能力显著增强，展现了优异的抗菌性能。这项工作不仅为金纳米颗粒的合成提供了一种低成本、环保且可持续的新方法，特别是将农业废弃物（洋葱皮）转化为高附加值纳米材料，符合循环经济理念；而且所制备的AuNPs显示出作为新型抗菌剂的巨大潜力，为应对日益严重的抗生素耐药性问题提供了基于绿色纳米技术的创新解决方案。该研究有力地推动了绿色纳米技术在生物医学领域，尤其是抗菌治疗方面的应用探索。