光動力技術(shù)研究進(jìn)展及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用前景

鄭寶東 ， 林少玲 ， 曾紹校 ， 胡嘉淼 ， 賴丹寧

（1.閩臺特色海洋食品加工及營養(yǎng)健康教育部工程研究中心，福建 福州350002；2.福建農(nóng)林大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002；3.福建省特種淀粉品質(zhì)科學(xué)與加工技術(shù)重點實驗室 福建 福州350002）

食品安全問題已成為當(dāng)今社會不容忽視的問題[1]，食源性致病菌是造成食品安全隱患的重要因素之一。目前，食品行業(yè)中主要的殺菌手段可分為熱力殺菌及非熱力殺菌技術(shù)。熱力殺菌技術(shù)歷史悠久、應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、殺菌力強(qiáng)，且能廣譜殺菌，但能耗高，同時常造成食品原有的營養(yǎng)風(fēng)味的流失。新型非熱殺菌技術(shù)如抗生素、超高壓、輻照、脈沖光、脈沖電場等也不斷涌現(xiàn)[2-3]，但抗生素濫用導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性已使抗生素滅菌技術(shù)逐漸被淘汰[4]，而超高壓、輻照、脈沖電場等非熱力殺菌技術(shù)多存在設(shè)備價格不菲、冷鏈運(yùn)輸要求較高、能耗大等缺陷[5]。光動力殺菌技術(shù)作為新型非熱殺菌技術(shù)中的一員，因其所具有的安全、高效、低耗等多種優(yōu)點，已成為食品工業(yè)創(chuàng)新殺菌工藝的新手段。本文旨在綜述光動力技術(shù)的研究進(jìn)展及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用前景，為將光動力技術(shù)更好地應(yīng)用于食品工業(yè)提供參考。

1 光動力技術(shù)簡介

光動力技術(shù) （Photodynamic technology，PDT）作為一種非熱殺菌技術(shù)，主要原理為光敏劑（Photosensitizer，PS）被一定波長的光源所激發(fā)后，可產(chǎn)生活性氧分子（ROS）或活躍的單重態(tài)氧（1O2），進(jìn)而通過氧化作用破壞核酸、蛋白質(zhì)及脂質(zhì)等生物分子，從而滅活微生物或細(xì)胞[6]。光敏劑具有組織選擇性，能使PDT在有效殺滅微生物的同時不損傷鄰近的正常細(xì)胞或組織[7].相比于熱殺菌方法和其他的非熱力殺菌技術(shù)，PDT擁有如下優(yōu)點[8]：1）細(xì)胞毒性較低；2）具有選擇性，精準(zhǔn)度較高；3）能耗低；4）滅菌速度快；5）PDT可以單獨或與其他殺菌手段相結(jié)合，如聲動力[9]等。

2 光動力技術(shù)作用機(jī)理研究進(jìn)展

目前，對光動力技術(shù)作用機(jī)理的研究揭示光動力作用可分為兩種類型，見圖1。首先基態(tài)（S0）光敏劑被激發(fā)后可躍遷至激發(fā)單重態(tài)（S1），并通過系間穿越至激發(fā)三重態(tài)（T1）[7]。之后T1狀態(tài)下的光敏劑可通過Ⅰ型反應(yīng)產(chǎn)生ROS，通過與細(xì)胞膜上的磷脂分子發(fā)生作用，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)而殺死細(xì)胞；或通過Ⅱ型反應(yīng)向三重態(tài)氧（3O2）傳遞能量，產(chǎn)生極活潑的單重態(tài)氧 （1O2）[10]。1O2則能通過氧化損傷破壞蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子，從而最終達(dá)到滅活靶細(xì)胞的效果[11-12]。此外1O2還可與不飽和脂質(zhì)和DNA核苷反應(yīng)，生成高活性的氫過氧化物和內(nèi)過氧化物，直接損傷靶細(xì)胞的DNA[13]。值得注意的是，Ⅰ型和Ⅱ型過程是同時進(jìn)行的[14]，但大部分光敏劑需要在有氧條件下才能發(fā)揮光動力滅活作用，易發(fā)生Ⅱ型反應(yīng)。

圖1 光動力技術(shù)作用機(jī)理Fig.1 Mechanisms of photodynamic Technology

3 光敏劑的概述

光敏劑（Photosensitizer，PS）是光動力技術(shù)的核心要素[15]。理想的PS應(yīng)具備以下優(yōu)點[11]：1）性質(zhì)穩(wěn)定，純度高；2）光化作用高效，激發(fā)后能產(chǎn)生大量ROS或1O2；3）來源安全，毒性低，能被細(xì)胞代謝排出；4）具有靶向性；5）在可見光區(qū)有較強(qiáng)的吸收。

主流的PS有以下7類，見表1。傳統(tǒng)意義上PS主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而隨著PDT技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用不斷得到重視，篩選或開發(fā)更加適用于食品領(lǐng)域應(yīng)用的PS已成為該領(lǐng)域研究熱點之一。適合食品領(lǐng)域所使用的PS除應(yīng)具備以上要求外，還應(yīng)對食品的外觀、成分、風(fēng)味、味道不造成或少造成影響[13]。而天然光敏劑來源可靠、毒副作用低、光作用效率高等特點，已成為用于食品殺菌領(lǐng)域最具有潛力的光敏劑[6]。

3.1 天然光敏劑的開發(fā)

當(dāng)前，國內(nèi)外研究主要關(guān)注的天然光敏劑包含4 大類[25]，見表 2。 其中，姜黃素（Curcumin）作為一種已被批準(zhǔn)的食品添加劑，具有原料來源廣、安全經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點，并被證實具有抗癌[26]、抗氧化[27]、消炎[28]、抑菌[29]等功效。國內(nèi)外學(xué)者對姜黃素-PDT應(yīng)用于殺滅食源性微生物進(jìn)行了廣泛研究，如Jiang S等[30]發(fā)現(xiàn)，在470 nm藍(lán)光照射下，姜黃素-PDT能暴露金黃色葡萄球菌的作用位點，破壞其生物膜實現(xiàn)滅菌的目的。作者所在研究團(tuán)隊[31]發(fā)現(xiàn)姜黃素-PDT聯(lián)合EDTA能明顯降低洋蔥伯克霍爾德氏菌的存活率。Corrêa T Q等[32]研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素-PDT能降低牛肉、雞肉等食品表面大腸桿菌和金黃色葡萄球菌污染程度。

表1 光敏劑分類Table 1 Classification of photosensitizers

表2 天然光敏劑分類表Table 2 Classification of natural photosensitizers

3.2 光敏劑的改造、修飾研究進(jìn)展

天然光敏劑化學(xué)穩(wěn)定性及水溶性較差，在光動力作用過程中易產(chǎn)生熒光猝滅現(xiàn)象、二聚氧化等副反應(yīng)，影響對靶細(xì)胞的滅活效果[38]。為解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列的改造與修飾PS的研究，主要包括以下幾種途徑：

3.2.1 光敏劑-納米化 納米化改造主要是通過改變PS的大小以增加其表面積，同時提高其靶向性、水溶性、比表面積等，減少副反應(yīng)發(fā)生，增加PS的生物利用率[39]。目前主要存在6種新型光敏劑納米化改造方式：富勒烯類化合物、碳納米管、石墨烯衍生物、脂質(zhì)體、二氧化鈦化合物和金屬納米粒子。

3.2.2 光敏劑-多肽修飾 多肽相對分子質(zhì)量較小，生物活性高，易于修飾和規(guī)?；苽?，PS的多肽修飾通過對光敏劑進(jìn)行靶向多肽修飾或帶正電荷多肽修飾，從而提高PDT的攻擊精準(zhǔn)度，減少對正常細(xì)胞的損傷[40]或增強(qiáng)對革蘭氏陰性菌的抑制作用[6]。如光敏劑曙紅Y通過與帶有正電荷的抗菌肽（AMPs）結(jié)合，能在極低濃度下鈍化99.999%的細(xì)菌[41]，極為顯著增強(qiáng)曙紅Y對細(xì)菌的殺傷效果。

3.2.3 光敏劑-糖基與糖肽修飾 部分糖基能在一些細(xì)胞表面特異性表達(dá)，將PS與目標(biāo)細(xì)胞受體的特定糖基結(jié)合，不僅能提高PS的靶向性，還能增大其殺傷力。蔡穎[42]發(fā)現(xiàn)用D-甘露糖分子共軛修飾的光敏劑納米粒子能在665 nm LED光照的條件下，產(chǎn)生大量1O2，顯著增強(qiáng)靶向PDT作用效果。將糖基與PS結(jié)合，能改善PS的生物相容性，但糖基與PS結(jié)合不緊密，易脫落，而將糖肽與PS結(jié)合能在一定程度上解決這一問題，Sol V等[43]制備的葡萄糖-丙酰氨基卟啉能更有效地殺傷白血病細(xì)胞K562，并且能延長藥效。

4 光源的概述

光源是PDT的3個重要條件之一。光源的選擇需要考慮如下因素[15，44]：1）與光敏劑的吸收光譜相適應(yīng)；2）有適當(dāng)?shù)妮敵龉β剩?）具有一定的穿透性；4）光照區(qū)域邊界靈敏；5）光譜范圍界定明顯；6）工作性能穩(wěn)定。應(yīng)用于PDT的光源主要包含相干光源和非相干光源，見表3。

相干光源波長單一，光強(qiáng)度分布較為均勻；相較于非相干光源，其有更好的方向性、相干性，而且激光在組織中的穿透深度能隨波長增加而增加，但激光發(fā)射器也存在或多或少的缺點，如氬離子激光器不穩(wěn)定，易受溫度影響[45]；金屬蒸汽激光器成本高，所需預(yù)熱和冷卻時間較長[47]。當(dāng)前，LED被認(rèn)為是一種極具開發(fā)潛力的可用于PDT的新型綠色光源，其具有發(fā)光效率高、通用性好、發(fā)射波長范圍廣（約為 250～7 000 nm）[13]、安全性高、壽命長、能耗低等優(yōu)點，且其光照強(qiáng)度、光照時間能精確控制，廣泛應(yīng)用于皮膚病、口腔疾病等疾病的光動力治療[50]。此外，各種新型光源在PDT中也有很大的應(yīng)用前景，如有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）具有質(zhì)量輕、自發(fā)光的優(yōu)點[51]；超輻射發(fā)光二極管（sLED）具有光譜寬、功率大、效率高的特點[52]。

表3 光源分類表Table 3 Classification of light source

5 光動力技術(shù)在食品工業(yè)中的研究現(xiàn)狀和前景

5.1 光動力技術(shù)對食源性細(xì)菌、真菌、病毒的滅活作用

目前，國內(nèi)外已陸續(xù)有針對光動力技術(shù)作用于食源性細(xì)菌、真菌、病毒的作用機(jī)理展開研究。如表4所示，PDT對多種常見的食源性致病菌如大腸桿菌[53-61]、金黃色葡萄球菌[53，58，62-70]、李斯特菌[55，58，65，68，71-72]、沙門氏 菌[55，58，65，73]、芽 孢 桿 菌[53-54，58，63，68]等 均 可 有 效 殺 滅 。Bonifacio D等[72]表明姜黃素介導(dǎo)的光動力技術(shù)能夠顯著殺滅李斯特菌，且作用效果優(yōu)于卟啉。Panhoca V H[74]、Paschoal M A[75]等研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素-PDT 能夠在一定程度上殺死變形鏈球菌而對其細(xì)胞膜不產(chǎn)生影響。此外，研究發(fā)現(xiàn)，PDT對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌等耐藥性菌，保持了高效滅活效果。有大量證據(jù)顯示PDT對食品也顯示了顯著殺菌效果，如 Bhavya M L等[76]發(fā)現(xiàn)在（462±3）nm 的 LED 照射下，姜黃素-PDT聯(lián)合超聲波能使鮮榨橙汁中的金黃色葡萄球菌降低（2.35±0.16） lg（CFU/mL），使大腸桿菌減少（4.26±0.32）lg（CFU/mL）。

PDT在適合條件下還具有殺滅真菌的潛能[77]，Luksiene Z等[78]用血卟啉和原卟啉介導(dǎo)的PDT滅活釀酒酵母，觀察到培養(yǎng)物中有50%～70%酵母的生長受到抑制。Sorialozano P等[79]發(fā)現(xiàn)亞甲基藍(lán)-PDT對白色念珠菌有明顯的殺傷效果。Carpenter B L等[80]研究表明，在 PDT中使用 0.1 μmol的光敏劑DIMPy－BODIPY，能殺死99.5%新型隱球菌。針對霉菌，D de Menezes Henrique 等[81]研究也發(fā)現(xiàn)，634 nm的LED照射下，以輻照度為9 mW/cm2，濃度為10 μmol/L的五環(huán)吩噻嗪化合物S137能使熱帶水果中的尖孢炭疽菌和潛育類炭疽菌的分生孢子存活率降低 5 lg（CFU/mL）。

當(dāng)前，將PDT應(yīng)用于食源性病毒的研究較少，但初步研究也表明，PDT對病毒也起到較好的滅活作用。如針對水產(chǎn)品（如蝦）中主要易感病毒諾如病毒（Norovirus，NV），Randazzo W 等[82]將 50 μg/mL 的姜黃素置于37℃孵育30 min后，用3 J/cm2的LED藍(lán)光激活，能使病毒的滴度降低約0.73 lg（TCID50/mL）。此外，武娟[61]也報道姜黃素-PDT能使牡蠣腸道中的諾如病毒滴度減少1～2 lg（PFU/mL），可能是通過破壞諾如病毒的超微結(jié)構(gòu)和RNA的完整性，進(jìn)而殺滅諾如病毒。

5.2 光動力技術(shù)在食品保質(zhì)保鮮中的應(yīng)用

當(dāng)前添加防腐劑、抗氧化劑、護(hù)色劑等化學(xué)添加劑是最為常用的延長食品貨架期，維持食品品質(zhì)、色澤、風(fēng)味的手段。此外，烘烤、浸漬、煙熏等手段也常被用于保持食品的新鮮度。然而，這些傳統(tǒng)保鮮技術(shù)常對食品風(fēng)味、營養(yǎng)、安全帶來負(fù)面影響。基于健康、環(huán)保、降低能耗等方面的考慮，運(yùn)用PDT延長食品貨架期將是今后國內(nèi)外食品保質(zhì)保鮮領(lǐng)域的研究熱點。

在水產(chǎn)品保質(zhì)保鮮方面，PDT已取得了良好效果。趙元暉等[86]發(fā)明了一種鱘魚的光動力保鮮方法，姜黃素-PDT與葛根素聯(lián)合使用能滅殺98.72%的細(xì)菌。曹斌斌等[87]將姜黃素-PDT應(yīng)用于牡蠣中微生物的殺菌滅活，殺菌率達(dá)到90%以上，尤其是對大腸桿菌和諾如病毒有良好的滅活效果，同時能極好地保持牡蠣感官品質(zhì)，滿足消費(fèi)者需求。作者所在課題組[88]前期研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素-PDT不僅能抑制海蜇中的細(xì)菌生長，同時還能降低其TVB-N值、鋁殘留物含量，維持其質(zhì)地、營養(yǎng)成分和感官品質(zhì)。

表4 光動力技術(shù)的抑菌作用Table 4 Antibacterial effect of photodynamic technology

PDT還被廣泛證實可用于鮮切水果的保鮮。研究表明，PDT能在儲藏初期增強(qiáng)鮮切蘋果抗氧化能力，較好維持鮮切蘋果的營養(yǎng)[89]，利用電子鼻對比鮮切蘋果貯藏前后的香氣變化，發(fā)現(xiàn)PDT對鮮切蘋果氣味影響小，而且能良好保持其可溶性糖分含量[90]。本課題組前期[91]研究也證實濃度為50 μmol/L的姜黃素-PDT處理鮮切哈密瓜60 min，能使其細(xì)菌總數(shù)減少約1.8 lg（CFU/g），并較好的維持可溶性固形物含量、色澤、硬度、含水量及感官品質(zhì)。

PDT在肉禽制品保鮮領(lǐng)域也嶄露頭角。葉綠素鎂鈉鹽是一種天然葉綠素或葉綠素衍生物，已被批準(zhǔn)可作為食品著色劑使用[92]。研究表明，加入適量葉綠素鎂鈉鹽可有效延長冷鏈銷售的鹽水雞貨架期約一周[93]，這是由于葉綠素鎂鈉鹽能夠被激活產(chǎn)生光動力作用，破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，起到抗菌保鮮的效果。

5.3 光動力技術(shù)在食品包裝的應(yīng)用

PS結(jié)合傳統(tǒng)的包裝材料制備具有殺菌活性的復(fù)合包裝薄膜已經(jīng)受到人們廣泛關(guān)注[94]。張權(quán)[95]制作了P（MMA-co-MAA）/MMT復(fù)合納米纖維，可滅活99.9%以上的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，并可循環(huán)多次使用保持其抗菌效率。除了抗菌包裝，可快速降解包裝也得到學(xué)者的關(guān)注，張妍等[96]在PVC中加入橙黃Ⅱ制出可光降解固相復(fù)合膜，在300 W汞燈照射下，橙黃Ⅱ能加速PVC的降解，此項發(fā)明為減少食品包裝廢料作出了一定貢獻(xiàn)。

5.4 光動力技術(shù)在水體消毒的應(yīng)用

PDT還被證實可用于水體消毒。Bonnett R等[97]構(gòu)建了新型ZnPcS/殼聚糖膜，其介導(dǎo)的PDT能有效降低水流中的微生物水平。Kuznetsova N A等[98]合成了一種新型非均相光敏劑，實驗表明，硅膠結(jié)合酞菁在光激發(fā)下能有效滅活大腸桿菌，可用于水的凈化消毒。劉一鳴等[99]測評了姜黃素-PDT對海水、桶裝水、礦泉水的消毒效果，發(fā)現(xiàn)此技術(shù)能將水體中的細(xì)菌總數(shù)降低至標(biāo)準(zhǔn)要求，而且不產(chǎn)生副產(chǎn)物。

6 展 望

光動力技術(shù)作為一種新型殺菌技術(shù)，具有安全環(huán)保、操作簡便、耗能低等優(yōu)點，其在食品殺菌方面展現(xiàn)難以媲美的優(yōu)勢和潛力，將其應(yīng)用于食品保鮮、食品包裝、水消毒等方面能有效控制食品微生物，但由于食品復(fù)雜多樣，光動力技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用仍需進(jìn)一步探索。我們還需要篩選更多有效天然光敏劑或者對已有光敏劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造、修飾，或者聯(lián)合其他殺菌技術(shù)，尋找并攻克限制光動力技術(shù)發(fā)展的因素，如食品幾何結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)等；此外，還必須致力于研究光動力技術(shù)對食品理化特性、結(jié)構(gòu)特性和營養(yǎng)特性等的影響，提高光動力殺菌功效，減少因食源性疾病引起的食品安全事故，增加光動力技術(shù)在食品工業(yè)中的創(chuàng)新與應(yīng)用。