非熱光敏殺菌技術(shù)在食品中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

韓彥慧，曾凡坤

（西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶400715）

世界衛(wèi)生組織報(bào)道食源性食物中毒在發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家對(duì)公共健康危害越來(lái)越嚴(yán)重，每年世界范圍內(nèi)發(fā)生食物中毒案例有15億，食物中毒導(dǎo)致死亡人數(shù)高達(dá)300萬(wàn)[1]。食品工業(yè)中采用殺菌方法主要有熱殺菌和冷殺菌。食源性微生物在食品加工過(guò)程中通常采用熱殺菌，傳統(tǒng)的熱殺菌可以殺死食品表面的微生物，但不適用于熱敏感的包裝材料。盡管食品行業(yè)建立了HACCP體系，但食源性疾病在食品供應(yīng)期間仍會(huì)發(fā)生[2]。冷殺菌又稱非熱殺菌，具有殺菌溫度低，能保留食品原有品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，但目前應(yīng)用不是很廣泛，引起研究人員的廣泛重視[3]。

目前非熱物理殺菌在食品行業(yè)研究較多，但由于電解氧化水殺菌會(huì)影響食品的感官特征；紫外線殺菌會(huì)使微生物產(chǎn)生生物抗性，并存在殺菌不徹底的缺點(diǎn)；離子輻射需要高成本的專業(yè)設(shè)備；而超高壓處理不能進(jìn)行連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)，從而限制了這些殺菌技術(shù)在食品中的應(yīng)用。而非熱光敏殺菌技術(shù)由于與以往殺菌方法的殺菌機(jī)理不同，可以很好的保存食品的品質(zhì)特征，殺菌功效不受微生物抗藥性的影響，不會(huì)誘導(dǎo)微生物發(fā)生突變，成本低。因此光敏殺菌很可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的殺菌方法廣泛用于食品殺菌中。

光敏殺菌技術(shù)通過(guò)破壞細(xì)胞膜、使不同酶失活以及損壞DNA結(jié)構(gòu)來(lái)殺滅食品中的致病菌，從而具有殺菌效果。光敏殺菌作為一種非熱殺菌新技術(shù)在食品行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要介紹了光敏殺菌的機(jī)理及其主要影響因素——氧氣作用、光敏劑、光敏殺菌中使用的光源等以及在食品殺菌中的應(yīng)用。

1 光敏殺菌技術(shù)的構(gòu)成

光敏殺菌由光敏劑和光照兩個(gè)無(wú)毒部分組成，在氧氣的存在下可以選擇性地破壞靶細(xì)胞。這種殺菌方法對(duì)多種微生物敏感，如耐藥微生物、酵母菌、小型真菌和病毒等。

1.1 光敏殺菌中氧氣的作用

光敏作用是光敏劑和光照在有氧條件下發(fā)生的復(fù)合作用。光敏劑和光照是光敏殺菌必不可少的兩個(gè)組成部分[4]。光敏劑吸收光使分子從基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。分子通過(guò)熒光或內(nèi)部轉(zhuǎn)變作用回到基態(tài)過(guò)程中，散失的能量以熱量的形式傳遞到周圍的環(huán)境中。分子回到基態(tài)的另一種方式是系統(tǒng)間交叉作用，當(dāng)分子從激發(fā)態(tài)到更低的三聯(lián)體激發(fā)態(tài)過(guò)程需要更長(zhǎng)的時(shí)間。從三聯(lián)體激發(fā)態(tài)到基態(tài)過(guò)程中會(huì)發(fā)生光氧化反應(yīng)。第一種方式涉及到電子或氫原子的轉(zhuǎn)移，感光劑呈激發(fā)的狀態(tài)，這些中間產(chǎn)物與氧氣反應(yīng)形成過(guò)氧化物、超氧離子和羥基，從而發(fā)生自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[5]。第二種方式由基態(tài)氧能量轉(zhuǎn)移過(guò)程調(diào)節(jié)[6]。這兩種反應(yīng)同時(shí)發(fā)生而且相互競(jìng)爭(zhēng)[7]。由于氧氣的半衰期以及擴(kuò)散距離很短從而使得這種反應(yīng)嚴(yán)格地被限制在局部區(qū)域內(nèi)而不會(huì)發(fā)生細(xì)胞的損壞[8]。從而引起細(xì)胞毒素的過(guò)多積累，引發(fā)細(xì)胞的損傷和死亡。

1.2 光敏殺菌中常用的光敏劑

通過(guò)鑒定光敏劑的殺菌效果與其結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，光敏劑通常選用含吡咯環(huán)的化合物，包括卟啉、氯、卟吩和酞菁等。這些分子毒性低，形成的三聯(lián)體激發(fā)態(tài)時(shí)間長(zhǎng)[9]。光敏劑的理化性質(zhì)對(duì)其殺菌效果會(huì)產(chǎn)生影響，親油性、離子化、光吸收特征以及單線態(tài)氧的功效等因素都會(huì)影響殺菌效果[10]。一些細(xì)菌可以產(chǎn)生內(nèi)源性卟啉類化合物，因此細(xì)胞代謝產(chǎn)物卟啉類化合物可以充當(dāng)光敏劑。光敏作用可以通過(guò)激活細(xì)胞內(nèi)源性卟啉類化合物進(jìn)行殺菌。氨基乙酰丙酸就是一種研究成功的感光卟啉物質(zhì)[11]?，F(xiàn)在應(yīng)用的還有天然光敏劑，如補(bǔ)骨脂素衍生物。

總的來(lái)說(shuō)，理想的光敏劑應(yīng)具備以下特點(diǎn)：在微生物中積聚能力好、微生物中的定位性強(qiáng)、擁有高效殺菌能力并且不會(huì)誘導(dǎo)突變[12]。光敏殺菌用于食品中還應(yīng)具備其他特點(diǎn)，例如成本低，是天然化合物，沒(méi)有較深的色澤和氣味，濃度低效果好，沒(méi)有副作用而且對(duì)食品感官特征沒(méi)有不良影響。

1.3 光敏殺菌中使用的光源

生物光學(xué)作用對(duì)微生物的致死主要取決于光波長(zhǎng)，光敏劑的結(jié)構(gòu)和電子吸收光譜決定光敏劑的波長(zhǎng)[13]。卟啉和氯的衍生物的吸收光譜帶在400～430nm，超過(guò)600nm，光譜吸收帶更小。波長(zhǎng)決定了穿透深度：400～500nm光的穿透深度為300～400μm，而600～700nm的光波的穿透性是前者的1～3倍。最初光敏作用使用的是氣體放電和罩有玻璃罩的白熾燈。特意為光敏殺菌設(shè)計(jì)的光源有：金屬鹵化物燈，它可以發(fā)射出600～800nm的光波；氙氣燈的波長(zhǎng)可達(dá)400～1200nm，此外還有狹帶紫外燈等[14]?，F(xiàn)在用發(fā)光二極管激活感光劑，它的光譜性質(zhì)和輻射方向介于激光和傳統(tǒng)燈光間。隨著發(fā)光二極管的研究不斷深入，這種裝置已到了應(yīng)用的成熟期。發(fā)光二極管有著卓越的輻射效果，與普通光源相比它的驅(qū)動(dòng)電壓更低，更穩(wěn)定，具有抗振能力。這些特點(diǎn)使得發(fā)光二極管用作感光照射器具有安全、可行、無(wú)副作用以及維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。

2 光敏殺菌機(jī)理

光敏殺菌的原理是光敏復(fù)合物選擇性積聚在靶細(xì)胞中，在有氧環(huán)境下可見(jiàn)光照射誘導(dǎo)細(xì)胞過(guò)多的毒素反應(yīng)從而選擇性地殺死微生物而對(duì)周圍不產(chǎn)生有害作用[5，15]。光敏殺菌通過(guò)破壞細(xì)胞膜、使不同酶失活以及損壞DNA結(jié)構(gòu)來(lái)殺滅食品中的致病菌。食品中常見(jiàn)的沙門氏菌、單增李斯特菌、蠟狀芽孢桿菌、假單胞桿菌、燕麥鐮刀菌以及紅單端孢菌、黃曲霉、鏈格孢、直立頂孢霉經(jīng)光敏處理后完全失去活性，而且光敏處理后未出現(xiàn)任何生物抗性[15]。光敏殺菌最主要的前提條件是光敏劑在微生物中的積聚。食品經(jīng)光照后，呈中性或帶負(fù)電荷的光活性染料有效地捆綁革蘭氏陽(yáng)性菌使其失活。這可能是因?yàn)楦锾m氏陽(yáng)性菌的胞質(zhì)膜由肽聚糖和磷壁酸構(gòu)成，這使得光敏劑可以穿過(guò)胞質(zhì)膜。革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁由外膜、肽聚糖層和內(nèi)膜構(gòu)成，外膜主要由孔蛋白、脂多糖和脂蛋白構(gòu)成，這使得負(fù)電荷緊密地聚集在外膜表層，這種物理性和功能性的結(jié)構(gòu)阻隔了革蘭氏陰性菌與環(huán)境的交流。然而，在革蘭氏陽(yáng)性菌和酵母菌中，光敏劑聚積在細(xì)胞壁上，經(jīng)光照后活性氧損壞細(xì)胞壁，并與不飽和脂肪酸、氨基酸殘基和核酸堿基（特別是鳥(niǎo)嘌呤和胸腺嘧啶）反應(yīng)，從而殺死致病菌。在革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌中，光敏殺菌都可以破壞細(xì)菌的DNA結(jié)構(gòu)[16]。光敏殺菌還可以殺滅有包膜或無(wú)包膜的病毒。帶正電的光敏劑可以破壞病毒的核酸，而帶負(fù)電的光敏劑可以破壞病毒的包膜。病毒包膜中的肽類是光敏劑的靶位，使得包膜中的酶失活[17]。

3 光敏殺菌研究現(xiàn)狀

目前，光敏殺菌技術(shù)主要廣泛應(yīng)用于臨床治療方面，而在食源性致病菌的殺菌研究上少有報(bào)道。在國(guó)內(nèi)，光敏殺菌技術(shù)主要集中于對(duì)各種光敏劑的抑菌效果的研究，而針對(duì)食品中食源性致病菌殺菌的研究很少。唐蕾等[18]研究了脫鎂葉綠酸的光敏抗菌活性，抗菌實(shí)驗(yàn)表明脫鎂葉綠酸對(duì)革蘭陽(yáng)性菌具有光敏抑菌效果，對(duì)革蘭陰性菌和酵母無(wú)明顯作用。黃齊茂等[19]對(duì)新型金屬卟啉光敏劑的殺菌效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明光敏劑為NiL，濃度為80μmol/L時(shí)，能完全抑制金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)。王小倩等[20]以葉綠素鎂鈉鹽為光敏劑，研究了其對(duì)幾種液體食品中金黃色葡萄球菌的光動(dòng)力殺菌效果。結(jié)果表明，葉綠素鎂鈉鹽對(duì)幾種液態(tài)食品中的金黃色葡萄球菌具有很強(qiáng)的殺菌效果，其中以10-5mol/L的葉綠素鎂鈉鹽殺菌效果最佳。同樣，國(guó)外對(duì)光敏殺菌中使用的光敏劑研究較多，并且對(duì)光敏殺菌在食品中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究。Bertoloni等[21]研究了血卟啉在體內(nèi)對(duì)金黃色葡萄球菌DNA的破壞作用。對(duì)細(xì)胞質(zhì)膜和DNA進(jìn)行電泳分析發(fā)現(xiàn)膜是光敏劑的最主要的靶位。在體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)光敏殺菌對(duì)DNA的損壞需要更長(zhǎng)的光照時(shí)間，從而猜測(cè)DNA是光敏殺菌次要靶位。Ishikawa等[22]用蛋殼提取的色素充當(dāng)光敏劑研究對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌（金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢桿菌）和革蘭氏陰性菌（大腸桿菌和沙門氏菌）殺菌效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)光敏殺菌使革蘭氏陽(yáng)性菌失活，而對(duì)革蘭氏陰性菌沒(méi)有殺菌作用。Hancock等[23]研究氧化鈦?zhàn)贤饩€殺菌效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于活性氧的產(chǎn)生，大部分辣根過(guò)氧化物酶在紫外線殺菌（氧化鈦存在時(shí)）中失去活性。光敏作用同樣可以產(chǎn)生活性氧，因此光敏殺菌很可能使酶失活。丙氨酸光敏殺菌已經(jīng)用在食品致病菌的殺滅中，研究表明這種殺菌方法可以迅速高效殺死食品中的蠟狀芽孢桿菌和單增李斯特菌[24-25]。Luksiene等[26]研究了葉綠酸鈉的光敏殺菌作用，嘗試用葉綠酸鈉光敏殺菌使食品中的致病菌失活，破壞微生物的孢子和細(xì)胞膜。結(jié)果表明食品中的蠟狀芽孢桿菌和單增李斯特菌在體外經(jīng)光敏作用后有效地被殺死。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明耐熱菌株及其孢子和生物膜達(dá)到充分的殺菌要求需要更長(zhǎng)的光照時(shí)間和更高濃度的葉綠酸鈉。通過(guò)比較不同殺菌方法結(jié)果表明光敏殺菌效果更好，作為非熱殺菌在食品中有很大應(yīng)用潛力。Luksiene等[27]還研究了光敏劑葉綠酸鈉在試管中和食品包裝表面的殺菌效果，結(jié)果表明單增李斯特菌的細(xì)胞膜對(duì)這種殺菌方法非常敏感，試管內(nèi)和食品包裝表面的細(xì)菌都被有效殺滅。表1列出了研究報(bào)道中常用的光敏劑、目標(biāo)菌株及光源與波長(zhǎng)等。

感光劑在細(xì)胞中的積聚取決于細(xì)菌的生理狀態(tài)，細(xì)菌在指數(shù)增長(zhǎng)期間對(duì)感光劑的積累比停滯期好。對(duì)其他殺菌方式產(chǎn)生抗性孢子卻對(duì)光敏殺菌比較敏感。Soukos等[28]研究表明變異鏈球菌、齲齒鏈球菌、血鏈球菌經(jīng)氯光敏殺菌后生物膜被破壞95%～99%。光敏殺菌主要用于使各種致病菌失活當(dāng)中，其中對(duì)酵母菌和真菌的作用還在研究中。Luksiene等[29]研究光敏作用可能使啤酒酵母、紅單端孢菌和黃曲霉失活。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)紅酵母、青霉菌、煙曲霉、出芽短梗霉、鏈格孢菌、根霉、鐮刀菌、直立頂孢霉的觀察，發(fā)現(xiàn)光敏作用對(duì)孢子的形成有抑制作用。由此得知，光敏殺菌可使引起食品腐敗變質(zhì)的微生物失活，而且安全、不產(chǎn)生誘變作用、無(wú)致癌副作用、環(huán)保無(wú)公害。

表1 光敏殺菌中常用的光敏劑、光源、波長(zhǎng)以及目標(biāo)菌株Table 1 The photoactive compound，light source，wavelength and the target strains of photosensitization

4 結(jié)論

在食品中總會(huì)出現(xiàn)各種各樣的病原菌，因此殺菌是食品行業(yè)的一個(gè)永久存在的問(wèn)題。但致病菌的抗藥性的逐漸增強(qiáng)是一個(gè)非常令人擔(dān)憂的問(wèn)題。因此，十分有必要尋找一個(gè)新的、有效的及環(huán)保無(wú)公害的殺菌方法。而光敏殺菌作為一種新的有效的方法對(duì)一系列微生物具有良好的滅菌效果，在特定光源激發(fā)下，光敏劑吸收能量產(chǎn)生單線態(tài)氧、自由基等活性物質(zhì)，利用其對(duì)目標(biāo)菌株的優(yōu)先聚集特性，通過(guò)氧化作用滅活細(xì)菌而不傷害周圍組織和細(xì)胞。光敏殺菌可以有效殺滅食品中的致病菌，環(huán)保而且不產(chǎn)生微生物抗性，還可以誘導(dǎo)病毒失活，因此光敏殺菌在食品行業(yè)的中應(yīng)用前景非常可觀。但是考慮到光敏殺菌對(duì)食品的構(gòu)成、處理后食品組分間的相互反應(yīng)、貨架期、食品的品質(zhì)的影響，需要更進(jìn)一步的研究。而光敏殺菌與其他熱殺菌或非熱殺菌結(jié)合使用的效果還沒(méi)有研究，因此光敏殺菌在食品中的應(yīng)用還有待更深入的探索研究。

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