光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌在食品中應(yīng)用的研究進(jìn)展

熊曉輝，孔佳儀，張帥，李晨，崔曉文

(南京工業(yè)大學(xué) 食品與輕工學(xué)院，江蘇 南京，211800)

食品安全控制主要包括化學(xué)控制、物理控制和生物控制，其中生物尤其是微生物控制是最為關(guān)鍵的。食品的微生物污染是消費(fèi)者、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和食品工業(yè)目前所需解決的主要問題[1]。微生物極易污染生的水果、蔬菜、魚和肉類產(chǎn)品，因?yàn)檫@些食品擁有較高的水分活度和豐富的營養(yǎng)成分[2]。例如新鮮蔬菜和水果經(jīng)常被蠟樣芽孢桿菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌污染[3]。加工食品的致病菌微生物污染大多局限于食品表面，其中涉及人員、設(shè)備、加工環(huán)境的交叉污染方面的風(fēng)險(xiǎn)大大增加[4]。食源性疾病大部分都是由細(xì)菌引起的，并且發(fā)病率很高，對公眾健康構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。殺菌是控制食品中微生物的重要手段，指通過運(yùn)用各種手段殺滅食品本身污染的、從食品包裝容器帶入的、加工與調(diào)配過程中由操作人員和設(shè)備引入的、以及生產(chǎn)環(huán)境中存在的各種微生物，從而延長產(chǎn)品的貯藏期，保證產(chǎn)品質(zhì)量安全的一種技術(shù)[5]。隨著人民物質(zhì)生活質(zhì)量的提高，消費(fèi)者對飲食的認(rèn)識和食品質(zhì)量安全的意識迅速增強(qiáng)，對食品安全的要求越來越高。消費(fèi)者對食品的感官和營養(yǎng)品質(zhì)的需求促使食品加工商采用更新的技術(shù)，在不影響營養(yǎng)和感官特性的情況下控制食品中的微生物，在提高食品安全性同時不損害品質(zhì)[4,6]。

光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌可通過可見光激發(fā)光敏劑，產(chǎn)生活性氧達(dá)到殺滅微生物(包括細(xì)菌、真菌、病毒)的目的，是一種有潛力的新型非熱殺菌技術(shù)[4]。非熱殺菌技術(shù)以最大限度地減少食品中各種營養(yǎng)成分的損失, 盡量保持食品的原有風(fēng)味并提高殺菌技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、方便性，優(yōu)化食品的包裝與貯藏條件, 延長食品的貨架期, 以滿足廣大消費(fèi)者日益增長的物質(zhì)生活的需要[5,7]。光動力殺菌技術(shù)開辟了一條能有效殺菌、保持食品特質(zhì)的新道路。把此技術(shù)運(yùn)用在食品處理、包裝、加工設(shè)備和工業(yè)環(huán)境中，對改善食品微生物控制起了很大的作用[8]。本綜述介紹了光動力殺菌技術(shù)的原理及影響食品中殺菌效果的因素，并比較了其與其他殺菌技術(shù)之間的優(yōu)缺點(diǎn)，同時整理了不同光敏劑介導(dǎo)的光動力殺菌技術(shù)在食品中的應(yīng)用，并對光動力殺菌技術(shù)進(jìn)行展望。

1 光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌技術(shù)

光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌技術(shù)(photodynamic technology, PDT)，是一種依靠發(fā)生非熱光物理反應(yīng)和光化學(xué)反應(yīng)來滅菌的技術(shù)，在氧存在下需要可見光和光敏劑[9]。它是利用光動力反應(yīng)進(jìn)行疾病診斷和治療的一種新型環(huán)保的非熱殺菌技術(shù)，是一種可選擇性滅活惡性腫瘤細(xì)胞和致病性微生物(包括細(xì)菌、真菌和病毒)的新方法[4]。光動力反應(yīng)是光敏劑在特定波長光源激發(fā)下，產(chǎn)生活性氧引起生物分子氧化和細(xì)胞損傷的過程，其中光敏劑在光動力殺菌中起了關(guān)鍵性的作用[10]。

1.1 光敏劑

光敏劑是能夠吸收特定波長光線照射并將其轉(zhuǎn)化為可用能量的一類化合物[11]。其將能量傳遞給不能吸收光子的分子，促其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而本身不參與化學(xué)反應(yīng)并恢復(fù)到原先的狀態(tài)[12]。光敏劑物質(zhì)通常具有良好的共軛結(jié)構(gòu)，自身能夠高效的吸收光照射能量而激發(fā)，激發(fā)后能夠?qū)⒛芰總鬟f反應(yīng)物并返回基態(tài)[12]。目前已知有數(shù)百種天然和合成染料可以作為PDT的光敏劑，范圍從植物提取物到復(fù)雜的合成大環(huán)化合物[13]。

光敏劑是光動力殺菌的核心，是影響殺菌效果的關(guān)鍵因素[10,14]。理想的光敏劑應(yīng)該具備以下特性：(1)化學(xué)純度高，結(jié)構(gòu)明確，性質(zhì)穩(wěn)定；(2)易被適當(dāng)波長的光激活；(3)僅在光照時具有強(qiáng)的光毒性，暗毒性低，安全有效；(4)合成簡單且產(chǎn)率高，三線態(tài)氧壽命長而且產(chǎn)量多，能夠有效地產(chǎn)生單線態(tài)氧以及其他活性氧成分；(5)在生理pH值可溶解；(6)成本低[2,11,15]。當(dāng)光敏劑作為食品添加劑時，還必須具備以下條件：不傷害人體、不破壞食品原有營養(yǎng)成分、符合國家食品添加劑的添加標(biāo)準(zhǔn)[10]。目前并非所有的光敏劑均能完全滿足以上條件，所以新型光敏劑的開發(fā)研制備受重視[11]。

1.1.1 光敏劑分類

1.1.1.1 第一代光敏劑

80年代以前及80年代早期研發(fā)的卟啉等光敏劑稱為第一代光敏劑，主要指以卟啉骨架為主要結(jié)構(gòu)單元的血卟啉衍生物，例如二血卟啉醚等[15-16]。盡管第一代光敏劑易制成水溶性制劑，但是在用于醫(yī)學(xué)治療時，光毒性大，靶向性、穩(wěn)定性都比較差，其在紅光部分的吸光效率低，穿透性大大降低，因而治療深度也不夠[14-15,17]。

1.1.1.2 第二代光敏劑

80年代后期制成的卟啉衍生物或合成物稱為第二代光敏劑，均為單體化合物，包括卟啉、卟吩、稠環(huán)醌以及金屬酞菁等，這些單體化合物主要來源于有機(jī)合成，有效成分單一明確[15-16]。相比第一代光敏劑，第二代光敏劑的結(jié)構(gòu)更加單一，靶向性更強(qiáng)，活性氧產(chǎn)量更高，利用率顯著增強(qiáng)，作用的光波波長較長，組織穿透性強(qiáng)[14-15,17]。第二代光敏劑進(jìn)一步推動了光動力殺菌技術(shù)的發(fā)展[15]。

1.1.1.3 第三代光敏劑

20世紀(jì)末，在第二代光敏劑的基礎(chǔ)上，人們在其結(jié)構(gòu)上添加具有生物學(xué)特性的化學(xué)基團(tuán)物質(zhì)，如多聚體和脂質(zhì)體等，研究出了第三代光敏劑，如生物結(jié)合物(抗體結(jié)合物，脂質(zhì)體結(jié)合物)和內(nèi)含光淬滅或光漂白特性的結(jié)合物[15-17]。通過納米載體對光敏劑的包載，以及多肽或抗體對光敏劑的靶向修飾等應(yīng)用技術(shù)使第三代光敏劑具有更佳的生物相容性、更強(qiáng)的腫瘤靶向性以及更高的細(xì)胞活性氧產(chǎn)率等特性，顯示出巨大的優(yōu)勢[14]。

1.2 殺菌/抑菌原理

光動力殺菌涉及光敏劑、光源與氧的結(jié)合，每種因素本身都是無害的，只有同時暴露于光敏劑、光和氧的細(xì)胞才產(chǎn)生細(xì)胞毒性效應(yīng)[13]。光動力殺菌中涉及的潛在機(jī)制由光敏劑吸收特定波長的光并躍遷到其第一激發(fā)態(tài)的能力來控制，其涉及的反應(yīng)過程和作用原理如圖1所示：

圖1 作用原理示意圖

光敏劑分子是一種單線態(tài)的基態(tài)，具有2個反方向旋轉(zhuǎn)的電子，在特定波長的光源照射激發(fā)下，無毒的光敏劑吸收光子的能量后從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。由于第一激發(fā)態(tài)的光敏劑非常不穩(wěn)定，很容易失去能量并退回到基態(tài)，所以可以通過系統(tǒng)交叉的方式轉(zhuǎn)換到更穩(wěn)定的三重激發(fā)態(tài)[4,13,17]。三重激發(fā)態(tài)的光敏劑有充足時間與周圍分子相互作用，并且通常認(rèn)為在這種狀態(tài)下產(chǎn)生細(xì)胞毒性物質(zhì)(超氧陰離子自由基或羥基自由基、單重態(tài)氧等)，最終導(dǎo)致氧化損傷和細(xì)胞死亡[13]。

三重激發(fā)態(tài)的光敏劑有2種反應(yīng)機(jī)制：I型機(jī)制和II型機(jī)制。

通過任一機(jī)制產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)非特異性地對細(xì)胞附近的多種目標(biāo)(例如細(xì)胞壁和細(xì)胞膜)甚至細(xì)胞內(nèi)(例如肽和核酸)造成氧化損傷，例如·OH很容易與有機(jī)分子結(jié)合，或者從有機(jī)分子中提取電子，這導(dǎo)致自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的引發(fā)，導(dǎo)致細(xì)胞成分的廣泛損傷；產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)氧化細(xì)胞膜中的脂質(zhì)，特別是不飽和脂肪酸，導(dǎo)致膜流動性降低，因此膜結(jié)合蛋白被破壞[8,18]。通過破壞細(xì)胞成分，光敏劑介導(dǎo)的光動力殺菌誘導(dǎo)了微生物細(xì)胞形態(tài)和功能的變化[19]。形態(tài)損傷主要包括中介體結(jié)構(gòu)的改變，細(xì)菌細(xì)胞壁和內(nèi)膜的直接破壞會破壞膜的完整性，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物的滲漏，進(jìn)而使膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)失活；功能改變通常是由膜電位紊亂、蛋白質(zhì)和酶活性喪失以及代謝過程(如DNA復(fù)制、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn))抑制引起的[19]。這可能會導(dǎo)致細(xì)胞凋亡、壞死或腐敗，最終導(dǎo)致細(xì)胞破壞和死亡[18]。

1.3 影響食品中光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌效果的因素

為了探討光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌技術(shù)是否能成功處理食品，應(yīng)當(dāng)考慮多種因素對殺菌效果的影響。

1.3.1 菌株種類

光動力殺菌被證明對多種微生物(營養(yǎng)形態(tài)和孢子中的革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌，以及生物膜、哺乳動物病毒和噬菌體、真菌和酵母以及寄生原蟲)有效，例如金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、單核細(xì)胞增生李斯特氏菌、大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌、熒光假單胞菌、米根霉和黃曲霉等[1]。

MACLEAN等[20]發(fā)現(xiàn)革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌更容易被光動力滅活。NITZAN等[21]的研究可證明這一觀點(diǎn)，可能是在特定的光照下，革蘭氏陽性菌(例如金黃色葡萄球菌)比革蘭氏陰性菌產(chǎn)生了更多的卟啉，導(dǎo)致其更容易被滅活。但是，GUFFEY等[22]的研究又發(fā)現(xiàn)某些革蘭氏陰性菌(例如銅綠假單胞菌)在特定光照下，比革蘭氏陽性菌更為敏感，這與前面的研究結(jié)論相反。而GHATE等[2]測試比較了這2種革蘭氏性質(zhì)的菌株對光動力殺菌的敏感性，發(fā)現(xiàn)革蘭氏性質(zhì)對光動力的敏感性沒有很大的影響。因此，影響光動力殺菌的敏感性的因素應(yīng)該是菌株種類，而不是革蘭氏性質(zhì)[2]。

1.3.2 光波長、輻照度以及光通量分布

波長影響光動力殺菌是被研究最廣泛的因素，實(shí)施光動力殺菌需要特定波長的光源激發(fā)光敏劑，適合的照射光源是必要條件[18,23]。目前沒有一個光源能發(fā)出完美的單色光，這意味著實(shí)際上使用光源是峰值波長的光譜，所以應(yīng)該使用發(fā)射光譜盡可能與光敏劑吸收光譜重疊的窄光源[23]。與已證實(shí)具有殺菌性能的紫外線相比，可見光似乎在食品工業(yè)中更受歡迎，因?yàn)樗哂懈叩陌踩院屯干湫?，其中藍(lán)色區(qū)域(400～500 nm)對微生物滅活的效率更高[18]。到目前為止，已經(jīng)確定細(xì)菌細(xì)胞中的內(nèi)源性卟啉在電磁光譜的藍(lán)色區(qū)域(400～500 nm)吸收，且大多數(shù)內(nèi)源性卟啉可能在電磁光譜的較低范圍(400～420 nm)內(nèi)吸收[23]。但是藍(lán)光區(qū)域的光穿透能力較低，光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌通常被認(rèn)為是一種表面去污技術(shù)，主要用于食品或加工設(shè)施表面的去污[18]。

輻照度是指單位時間內(nèi)投射到單位面積上的輻射能量。在臨床醫(yī)學(xué)和最近的食品科學(xué)中的大量研究表明，輻照度在殺菌結(jié)果中也起著重要作用。GHATE等[23]在使用405 nm發(fā)光二極管滅活沙門氏菌時發(fā)現(xiàn)，輻照度和光照時間的所有組合都會導(dǎo)致沙門氏菌失活，但低輻照度(92 mW/cm2)加上長光照時間(13.58 h)會導(dǎo)致最顯著的失活。輻照度對殺菌結(jié)果產(chǎn)生的影響可能隨輻照度范圍、污染的性質(zhì)(如浮游生物vs固著生物)和食物基質(zhì)而變化，所以在應(yīng)用光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌技術(shù)時，應(yīng)注意輻照度的選擇[23]。

最近的一些研究表明，來自高強(qiáng)度光源的光分布可能高度偏向中心，當(dāng)光源離樣品太近時，也會出現(xiàn)偏斜分布。傾斜導(dǎo)致光能集中在樣品的某一點(diǎn)，使其易受該點(diǎn)物理化學(xué)變化的影響，并損害其在其他點(diǎn)的微生物質(zhì)量。避免傾斜的一種方法是使用跨越整個表面長度的燈陣列(如發(fā)光二極管條)，然而這并不總是可行的[23]。在這種情況下，單一的高強(qiáng)度光源可能更實(shí)用，它可以通過減小光源與樣品的距離來獲得更大的分布均勻性[23]。

1.3.3 食品相關(guān)因素

1.3.3.1 酸堿度

食物的酸度也可能影響食物中外源性光敏劑的功效。大多數(shù)食物都是酸性的，但也有少數(shù)食物是堿性的，例如蛋黃等。對食物酸堿度起主要作用的酸因食物種類而異，這些酸具有不同的極性和滲透細(xì)胞膜的能力，所以會引起細(xì)菌細(xì)胞的不同反應(yīng)[23]。GHATE等[24]評估了在相同pH值(4.5)下，常見食物中不同的有機(jī)酸(蘋果酸、檸檬酸和乳酸)對4種食源性病原體的影響，其中乳酸是最有影響力的，其次是檸檬酸和蘋果酸。這可能是因?yàn)槿樗岷蜋幟仕嵩谶M(jìn)入細(xì)胞過程中具有破壞細(xì)胞膜的額外能力，而蘋果酸只降低了細(xì)胞內(nèi)的pH值[24]。

長期以來，人們一直使用乳酸、乙酸和檸檬酸等有機(jī)酸來抑制食物中細(xì)菌的生長。檸檬酸等弱酸進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞后分解，降低細(xì)胞內(nèi)的pH值，影響細(xì)菌細(xì)胞膜的滲透性和代謝機(jī)制，從而增加光敏劑對細(xì)菌細(xì)胞的滲透率和細(xì)菌對光敏劑的敏感性[24]。有機(jī)酸的抗菌作用高度依賴于其未解離的形式，這種形式能夠穿透細(xì)胞膜，最終解離成氫離子和陰離子，降低細(xì)胞內(nèi)的酸堿度。一些有機(jī)酸還可能螯合金屬離子，破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，如檸檬酸能夠從細(xì)菌細(xì)胞壁中除去鈣離子和鎂離子，釋放出磷脂和脂蛋白。磷脂和脂蛋白的損失導(dǎo)致細(xì)胞壁滲透性增加，進(jìn)一步惡化細(xì)胞[24]。

而在高酸堿度下，細(xì)胞中蛋白質(zhì)發(fā)生溶解且羥基離子對膜脂質(zhì)產(chǎn)生皂化作用，使得細(xì)菌細(xì)胞膜變?nèi)鯊亩辜?xì)菌更容易受到活性氧的破壞。這可能是環(huán)境酸堿度對細(xì)菌細(xì)胞膜脂質(zhì)組成的影響[25]。據(jù)報(bào)道，使用鹽酸降低酸堿度會導(dǎo)致膜中飽和脂肪酸的比例增加，而使用氫氧化鈉增加酸堿度會導(dǎo)致大腸桿菌細(xì)胞膜脂質(zhì)組成中不飽和脂肪酸的比例增加。不飽和脂肪酸可能比飽和脂肪酸對活性氧更敏感，所以更高比例的不飽和脂肪酸可以增強(qiáng)光動力殺菌的有效性，這依賴于產(chǎn)生的活性氧的細(xì)胞毒性作用[25]。然而這一現(xiàn)象不能解釋單核細(xì)胞增生李斯特菌在堿性條件下更具抗性的原因，因此需要進(jìn)一步的研究來闡明食物酸堿度對殺菌效果的影響。

為了找出食物酸堿度對殺菌效果的影響，DE等[26]研究了酸化溶液(使用檸檬酸鹽緩沖液，pH值從6降至2.5)中姜黃素的光吸收能力：在相當(dāng)短的光照時間(僅照射2 min)內(nèi)，殺菌效果提高，大腸桿菌菌落總數(shù)降低5 lgCFU/mL，這可能是因?yàn)槭艿綑幟仕釋?xì)胞膜滲透性或微生物細(xì)胞代謝活性的影響。因此，姜黃素對微生物細(xì)胞的滲透率更高，同時細(xì)胞對光敏劑的敏感性更高，這反過來又會促進(jìn)更高的光吸收，有利于將姜黃素作為光敏劑的光動力殺菌技術(shù)成為酸性環(huán)境食品如果汁的保存技術(shù)[18]。

1.3.3.2 食物表面性質(zhì)

光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌本質(zhì)上是一種表面凈化技術(shù)，這使得食物的表面性質(zhì)成為影響殺菌效果的重要因素。食物的表面可以為微生物提供隱藏的縫隙，使它們免受光線的影響，如果被處理的表面是離散的而不是連續(xù)的(例如一層顆粒)，殺菌效果將受到食物表面顆粒性質(zhì)的影響[23]。GLUECK等[27]試圖通過光照來研究粒子幾何形狀對大腸桿菌在幾個表面上失活的影響，其中黃瓜、番茄和萵苣等代表平坦表面，葫蘆巴種子和綠豆代表球形表面，而綠豆芽代表復(fù)雜的幾何形狀。研究發(fā)現(xiàn)平坦表面的微生物能良好失活，球形表面只有在照明期間定期翻轉(zhuǎn)后微生物才能有效失活，而復(fù)雜的表面即使在翻轉(zhuǎn)之后微生物被光照也不能有效失活[27]。

自然界中的大多數(shù)微生物都是以生物膜的形式生長的[23]。微生物細(xì)胞壁的可變組成(即帶電殘留物和陽離子的存在和數(shù)量)有助于增加微生物對光敏劑的易感性。更明確地說，靜電相互作用顯著影響微生物細(xì)胞的結(jié)合能力和吸收光敏劑的能力[18]。有研究表明細(xì)胞等電點(diǎn)(影響細(xì)菌細(xì)胞的電荷)和光敏劑的等電點(diǎn)(影響其凈電荷)是外源光敏劑功效的潛在重要決定因素，但是相對于等電點(diǎn)，食物的酸堿度更能影響光敏劑的功效[23]。

革蘭氏陽性細(xì)菌是中性的、陽離子的，而通常更具挑戰(zhàn)性的革蘭氏陰性細(xì)菌通常需要使用陽離子的光敏劑來有效滅活。這是因?yàn)楦锾m氏陽性菌在細(xì)胞質(zhì)膜周圍有一個更寬且更多孔的包膜，無論其電荷如何，光敏劑都可以很容易地穿透該包膜，而革蘭氏陰性菌的外膜上有帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)，需要利用靜電吸引和亞靜電附著的作用來促進(jìn)其穿透細(xì)胞膜[23]。綜上，研究表明提高光敏劑的濃度，使用陽離子光敏劑，并將光敏劑與抗菌肽結(jié)合，可以更好地結(jié)合到靶細(xì)胞上，并能提高殺菌效率。表面粗糙度、疏水性和表面電荷都會影響生物膜的形成，從而影響微生物對光敏劑的易感性，但關(guān)于它們的研究很少，需要更多的研究來調(diào)查其對光敏劑介導(dǎo)的光動力殺菌的影響[18]。

1.3.3.3 水分活度

食物基質(zhì)的水分活度影響微生物在食物上生長的能力，一般來說，細(xì)菌可以在水分活度為0.9或更高的環(huán)境中生長，而霉菌可以在水分活度低至0.7的環(huán)境中生長。水分活度控制微生物的滲透脅迫及其應(yīng)激反應(yīng)。低水分活度的典型應(yīng)激反應(yīng)包括膜脂組成中不飽和度的增加，這有可能加強(qiáng)光動力的殺菌效果[23]。水的活性也會影響食物中存在的細(xì)菌細(xì)胞類型，如低水分活度可能會增加污染細(xì)菌種群中內(nèi)生孢子的比例，從而給根除任務(wù)帶來挑戰(zhàn)。同樣，絲狀真菌也能夠產(chǎn)生無性孢子，這些無性孢子在不利的生長條件下保持休眠狀態(tài)，使其更難被消除[23]。然而，目前還沒有研究證明水分活度的變化對光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌效果的影響。

1.4 優(yōu)缺點(diǎn)

近年來我國食品殺菌技術(shù)有了很大進(jìn)步，但是在殺菌技術(shù)的研究開發(fā)方面還存在較大的問題：殺菌過程中可能對食品品質(zhì)或口感造成影響以及殺菌可能會引起易燃、易爆、對人體有傷害等安全隱患[5]。因此，近年來國內(nèi)外正在探索各種新型殺菌技術(shù)，來更好地控制食品和食品加工處理的環(huán)境，既能有效消除或減少微生物污染，又能在不影響食品質(zhì)量和公眾健康的情況下保護(hù)環(huán)境，以滿足消費(fèi)者對食品的需求[2,8]。表1介紹了不同殺菌技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 不同殺菌技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

2 光敏劑介導(dǎo)光動力殺菌在食品中的應(yīng)用

目前存在多種可以在食品中添加的光敏劑，下文列舉了一些在不同光敏劑介導(dǎo)下食品應(yīng)用的光動力殺菌技術(shù)。

2.1 由姜黃素介導(dǎo)

姜黃素(C21H20O6, 7-雙-4-羥基-3-甲氧基苯基-1, 6-庚二烯-3, 5-二酮)是一種從姜科姜黃根莖中提取的多酚類化合物，是一種天然食用色素和食品添加劑，安全性很高，具有來源廣、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)和食品染色的功能[10,18]。姜黃素具有光敏活性，對紅色毛癬菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等有強(qiáng)烈的抑制作用，可以治療皮膚病[32]。姜黃素有一定的毒性，不能在食品中任意添加，在冷凍飲品(食用冰除外)中的最大使用量是0.15 g/kg；在可可制品、巧克力和巧克力制品(包括代可可脂巧克力及制品)以及糖果、碳酸飲料和果凍中的最大使用量是0.01 g/kg，其中固體飲料按稀釋倍數(shù)增加使用量，若用于果凍粉按沖調(diào)倍數(shù)增加使用量；在糖果中的最大使用量是0.7 g/kg；在面糊(如用于魚和禽肉的拖面糊)、裹粉、煎炸粉中的最大使用量是0.3 g/kg；在裝飾糖果(如工藝造型，或用于蛋糕裝飾)、頂飾(非水果材料)和甜汁、方便米面制品以及調(diào)味糖漿中的最大使用量是0.5 g/kg；在復(fù)合調(diào)味料中的最大使用量是0.1 g/kg；而在熟制堅(jiān)果與籽類(僅限油炸堅(jiān)果與籽類)、糧食制品餡料和膨化食品是按生產(chǎn)需要適量使用[33]。

從結(jié)構(gòu)角度來看，姜黃素含有2個芳香環(huán)，帶有原甲氧基酚羥基，其中高極性芳香環(huán)通過一個七碳環(huán)對稱連接脂肪鏈(即由富含甲烷的片段組成的橋，負(fù)責(zé)姜黃素的疏水性質(zhì))和2個α,β-不飽和羰基化合物(即β-二酮部分)[18]。姜黃素具有2種主要的構(gòu)象(即酮和烯醇互變異構(gòu))，后者通過強(qiáng)分子內(nèi)氫鍵在溶液和固態(tài)中比酮形式能量更穩(wěn)定，因此姜黃素通常以烯醇互變異構(gòu)體的形式存在[18]。姜黃素的光吸收能力也與其化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，即在主鏈碳鏈中存在交替的單鍵和雙鍵，被認(rèn)為是一種分子共軛系統(tǒng)[18]。姜黃素的寬吸收光譜(～430 nm)是由于姜黃素的烯酮基團(tuán)在溶液中以烯醇形式π→π*躍遷[18,34]。其烯醇形式的完美平面構(gòu)型允許在兩個苯環(huán)內(nèi)共振，導(dǎo)致線性擴(kuò)展π-電子系統(tǒng)，使其在可見光譜區(qū)有強(qiáng)烈吸收峰(420 nm)[18,34]。然而，酮互變異構(gòu)體的扭曲結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其吸收最大值向近紫外區(qū)移動(389 nm)，這是由于缺少烯醇式的大共軛體系造成的[18,34]。

姜黃素的光降解很可能以溶液和固體形式發(fā)生，導(dǎo)致光產(chǎn)物的積累，在相同的波長范圍內(nèi)具有吸光度[18]。姜黃素的光毒性通常是通過分子內(nèi)和分子間激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的，這是由于它有非常低的熒光量子產(chǎn)率(≤0.2)[35]。不同的因素影響姜黃素的光毒性，包括氫鍵和電荷離域以及光穩(wěn)定性[18]。然而，具有疏水性的姜黃素的有效利用受到限制，主要是由于其水溶性低和化學(xué)穩(wěn)定性差(特別是在堿性溶液中)[18]。一般來說，光敏劑的水溶性差會導(dǎo)致它們在溶液中聚集，從而通過不附著和滲透到細(xì)菌細(xì)胞中來抵消光毒性潛力，導(dǎo)致光敏劑聚集體的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率較低[18]。因此姜黃素的光毒性的極性、氫鍵給與和接受性質(zhì)以及π-粘合性質(zhì)高度依賴于溶劑[18,35]。將姜黃素溶解在質(zhì)子溶劑(即氫鍵溶劑)如甲醇和乙醇中，產(chǎn)生可忽略的小熒光量子產(chǎn)率和壽命，而在非質(zhì)子溶劑如苯、乙腈、氯仿和氘代氯仿中觀察到更高的產(chǎn)率和壽命[18]。

于金珅等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，在420 nm LED藍(lán)光照射下，由姜黃素介導(dǎo)的光動力技術(shù)對鮮切馬鈴薯表面的大腸桿菌與金黃色葡萄球菌均有良好的殺菌效果：在姜黃素濃度為30 μmol/L時，與對照組相比，大腸桿菌菌落總數(shù)降低3.60 lgCFU/mL，金黃色葡萄球菌菌落總數(shù)降低5.23 lgCFU/mL，且姜黃素的濃度超過30 μmol/L時，殺菌效果會下降。曹斌斌等[32]證明，在LED藍(lán)光光源(波長范圍420～480 nm)照射下，姜黃素介導(dǎo)的光動力殺菌方法可以有效滅活牡蠣腸道及牡蠣體內(nèi)90%以上的細(xì)菌，并且低姜黃素濃度的實(shí)驗(yàn)組殺菌效果不佳，姜黃素濃度為10 μmol/L實(shí)驗(yàn)組殺菌效果極好。武娟[36]的研究結(jié)果表明在470 nm 的藍(lán)色光源照射下，由姜黃素介導(dǎo)的光動力處理對牡蠣中大腸桿菌的效果尚佳，其中10 μmol/L姜黃素的處理濃度最佳，與空白組相比大腸桿菌的存活能力降化了2.44 lgCFU/mL。

2.2 由聚乙烯吡咯烷酮[poly(vinyl pyrrolidone),PVP]介導(dǎo)

PVP是由單體N-乙烯基吡咯烷酮在水或異丙醇中進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)產(chǎn)生的一種非離子型水溶性高分子化合物[37-38]。PVP 的結(jié)構(gòu)中, 形成其鏈和吡咯烷酮環(huán)上的亞甲基是非極性基團(tuán)，具有親油性；分子中的內(nèi)酰胺是強(qiáng)極性基團(tuán), 具有親水和極性基團(tuán)作用[39]。這種結(jié)構(gòu)特征使PVP可溶于水、乙醇、胺、含氯溶劑、硝基烷烴和低分子脂肪酸，并且與大多數(shù)無機(jī)鹽和多種樹脂相溶；不溶于乙醚、丙酮等[38-39]。

PVP具有優(yōu)異的溶解性、低毒性、化學(xué)穩(wěn)定性、成膜性、粘接性、生物相容性和保護(hù)膠作用，且PVP作為食品添加劑，具有良好的食物安全性，其使用限量為按生產(chǎn)需要適量使用[33,37-38]。在食品加工方面PVP因無毒、溶解性優(yōu)異而得到廣泛應(yīng)用，PVP能夠能選擇性吸附多酚類物質(zhì)，使其不能與鐵生成紅色絡(luò)合物, 不會影響飲料的外觀和貨架壽命，從而達(dá)到澄清穩(wěn)定的作用[40,37]。在啤酒生產(chǎn)過程中加入微量的PVP可改進(jìn)啤酒的澄清度，防止混濁、穩(wěn)定色澤、改善口味、延長貯存期[37]。PVP還可用于非營養(yǎng)型甜味佐料的濃縮與穩(wěn)定, 以及對維他命和礦物質(zhì)成分的濃縮提取，也可用作各種食品的包裝材料, 有利于包衣過程的自動化生產(chǎn), 可降低包衣成型時間，可以用于食品的無菌生產(chǎn)[40]。

WINTER等[40]引入了與聚乙烯吡咯烷酮結(jié)合的姜黃素(含有少量的去甲氧基姜黃素和雙去甲氧基姜黃素)，用來提供光動力失活在水溶液中的溶解度，研究結(jié)果表明聚乙烯吡咯烷酮作為光敏劑的光動力殺菌技術(shù)可以很好地滅活革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細(xì)菌：5 μmol 的聚乙烯吡咯烷酮孵育5 min，用藍(lán)光發(fā)光二極管陣列[(435±10) nm，33.8 J/cm]照射，導(dǎo)致活金黃色葡萄球菌的數(shù)量減少>6 lgCFU/mL；將聚乙烯吡咯烷酮—碳濃度提高到50 μmol/L(孵育15或25 min)， 可以完全根除金黃色葡萄球菌，可以很好地應(yīng)用于食品消毒。

2.3 由核黃素介導(dǎo)

核黃素(一種水溶性維生素B2)，分子式C17H2ON4O6， 微溶于水，呈強(qiáng)黃綠色熒光，主要由黃素單核苷酸和黃素鳥嘌呤二核苷酸2種重要成分組成，參與機(jī)體復(fù)雜氧化反應(yīng)[41]。核黃素具有優(yōu)良的共軛結(jié)構(gòu)，能夠作為電子穿梭體，高效地傳遞電子；廣泛參與各項(xiàng)生命活動，在氧化還原調(diào)節(jié)、呼吸能量代謝等方面，發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用[12]。核黃素具有利尿、降血脂和改善心臟功能的作用，是一種動物和人生命活動所必需的多功能性維生素，但動物和人自身不能合成，需要通過食物攝取(主要存在于蔬菜和動物的食物中)[12,41-42]。在食品和飲料中，核黃素在肝臟、雞蛋和乳制品中含量最高，酵母也富含核黃素，像啤酒這樣的發(fā)酵飲料也含有大量的核黃素[42]。

核黃素對食品品質(zhì)存在影響，高氧條件(80%)有利于核黃素發(fā)生光氧化，從而引起肉制品發(fā)生松軟，導(dǎo)致肉制品品質(zhì)下降；乳制品內(nèi)部核黃素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，促使牛奶的感官品質(zhì)發(fā)生變化；啤酒含有核黃素，光照射下會產(chǎn)生一種類似于肛門腺排出的氣味[41]。因此核黃素作為食品添加劑，有一定毒性，在干制蔬菜(僅限脫水馬鈴薯)中的最大使用量是0.3 g/kg； 在方便米面制品和固體復(fù)合調(diào)味料中的最大使用量是0.05 g/kg[33]。

BANERJEE等[43]發(fā)現(xiàn)光照核黃素對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌及其混合培養(yǎng)物具有殺菌和抗生物膜作用：在450 nm藍(lán)光照射下，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌光滅活后分別觀察到約5 lgCFU/mL和4 lgCFU/mL的減少；與對照組相比，大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和混合培養(yǎng)對生物膜的抑制率分別為34%和50%。KHAN等[44]也證明了核黃素有優(yōu)異的光敏特性，在輻照率為38.6 W/m的光照射下對大腸桿菌殺菌顯著，大腸桿菌存活菌落數(shù)降低了50～60 μmol/mL。

2.4 由葉綠素、葉綠素銅鈉鹽介導(dǎo)

葉綠素是地球上分布最廣的天然色素之一，主要存在于綠色植物中。葉綠素屬卟啉類化合物, 以卟啉作為基礎(chǔ)，1個鎂和 4個吡咯環(huán)上的氮結(jié)合構(gòu)成的，在植物和微生物光合反應(yīng)中起重要作用[45]。葉綠素呈深綠或墨綠色油狀或糊狀，性質(zhì)不穩(wěn)定(遇光、酸、堿、氧、氧化劑等都易分解), 且難溶于水, 易溶于丙酮和乙醚等有機(jī)溶劑和油脂類，為方便使用, 常將其制成葉綠素的衍生物，性質(zhì)較穩(wěn)定，易溶于水，應(yīng)用相對較廣泛[45-46]。天然葉綠素對藍(lán)紫光和紅光有很強(qiáng)的選擇吸收，而對綠光則很少吸收，因此葉綠素呈現(xiàn)綠色[46]。

葉綠素銅鈉鹽(C34H31CuN4Na3O6)作為葉綠素的衍生物，是一種非常穩(wěn)定的金屬卟啉，呈墨綠色粉末狀, 略帶金屬光澤, 無臭或微有特殊的氨樣氣味, 有吸濕性, 對光、熱、酸和堿較穩(wěn)定，易溶于水, 稍溶于乙醇和氯仿, 微溶于乙醚和石油醚，水溶液呈藍(lán)綠色澄清透明液, 鈣離子存在時則有沉淀析出[45]。葉綠素銅鈉鹽擁有獨(dú)特的抗菌能力，特殊的除臭性能，天然無污染，對環(huán)境友好，被廣泛應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域[45]。

葉綠素銅鈉鹽有一定毒性，作為食品添加劑在冷凍飲品(食用冰除外)、蔬菜罐頭、熟制豆類、加工堅(jiān)果與籽類、糖果、粉圓、焙烤食品、飲料類(包裝飲用水除外)、配制酒和果凍中最大使用量均為0.5 g/kg，其中固體飲料按稀釋倍數(shù)增加使用量，果凍粉按沖調(diào)倍數(shù)增加使用量；在果蔬汁(漿)類飲料中，最大使用量為按生產(chǎn)需要適量使用，固體飲料按稀釋倍數(shù)增加使用量[33]。

PASKEVICIUTE等[3]比較了用葉綠素介導(dǎo)光動力殺菌、次氯酸鹽處理和簡單用水洗滌去除番茄中耐熱菌株單核細(xì)胞增生李斯特氏菌和蠟樣芽孢桿菌的效果，發(fā)現(xiàn)葉綠素介導(dǎo)光動力殺菌最有效：對照樣品中番茄果實(shí)上李斯特菌的數(shù)量為3.6 lgCFU/mL，用水沖洗可使番茄表面的微生物量減少0.6 lgCFU/mL，次氯酸鹽處理減少1.4 lgCFU/mL，而在光照405 nm下，葉綠素介導(dǎo)的光動力減少了1.6 lgCFU/mL；番茄表面的芽孢桿菌數(shù)量達(dá)到4.4 lgCFU/mL，用水沖洗使這一群體減少了0.8 lgCFU/mL，次氯酸鹽處理減少了1.2 lgCFU/mL，葉綠素介導(dǎo)的光動力使番茄表面的耐熱芽孢桿菌的數(shù)量減少了1.6 lgCFU/mL。趙若晴[9]發(fā)現(xiàn)用濃度為10-3mol/L的葉綠素銅鈉鹽作為光敏劑，當(dāng)405 nm光照射15～30 min后，蔬菜汁中金黃色葡萄球菌的殺菌效果高達(dá)3.5個對數(shù)。

2.5 由金絲桃素(多環(huán)菲咯啉二酮)介導(dǎo)

金絲桃素(多環(huán)菲咯啉二酮)來源于植物貫葉金絲桃，其又名貫葉連翹，以其抗抑郁、抗病毒和抗腫瘤作用而聞名，通常用于治療目的，也可用作食品和酒精飲料制備中的調(diào)味劑[8,47]。

金絲桃素分子式為C30H16O8，呈藍(lán)黑色針狀結(jié)晶體，分子結(jié)構(gòu)上下對稱，有共軛體系，580～589 nm處有特征性吸收峰[47]。金絲桃素分子間具有極強(qiáng)的親和力，易相互結(jié)合[48]。金絲桃素中鄰近的酸堿官能團(tuán)可以促進(jìn)氫鍵的形成，此氫鍵在分子識別和小分子特異性子結(jié)合中起到了至關(guān)重要的作用[48]。金絲桃素?zé)岱€(wěn)定性低，遇光容易分解、氧化，其具有多酚羥基結(jié)構(gòu)，極性大，在甲醇、乙醇、四氫呋喃、吡啶及其他有機(jī)胺類化合物中容易溶解，可溶于堿性水溶液，當(dāng)pH< 11.5時，水溶液呈紅色，pH>11.5時水溶液呈綠色，且?guī)в屑t色熒光[47]。金絲桃素沒有毒性或遺傳毒性作用，是一種有效的抗細(xì)菌和酵母的光敏劑[8]。金絲桃素在600～700 nm表現(xiàn)出高單線態(tài)氧生成、高熒光產(chǎn)率和強(qiáng)吸收[8]。

KAIRYTE等[49]在光照585 nm下，當(dāng)金絲桃素作為光敏劑時，培養(yǎng)5 min后導(dǎo)致李斯特氏菌減少了約5個對數(shù)(P<0.05)，將培養(yǎng)時間延長至10 min可使李斯特菌的滅活增加至6對數(shù)以上(P<0.05)；而沙門氏菌對基于金絲桃素的光敏作用有很強(qiáng)的抗性：用10 mL金絲桃素孵育60 min，然后在138 ℃光照對沙門氏菌的生長沒有影響(數(shù)據(jù)與對照沒有區(qū)別)，而用更高濃度的金絲桃素孵育和光照使細(xì)胞數(shù)量減少1 lgCFU/mL。

3 展望

近年來，以光敏劑為核心的光動力學(xué)殺菌技術(shù)已成為一種理想的新型殺菌方式，在微生物控制領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[9]。PDT的殺菌效果直接取決于光敏劑的性質(zhì)，PDT 的發(fā)展在很大程度上依賴于光敏劑的發(fā)展[16]。光敏劑作為光動力殺菌技術(shù)的核心，已經(jīng)歷了從第一代到第二代、第三代乃至各種新型靶向納米型光敏劑的發(fā)展，當(dāng)今PDT研究仍然致力于新型光敏劑的開發(fā)研制，同時對新型光源的研發(fā)以及作用機(jī)制開展了深入廣泛的研究[11,17]。大量的研究證明了光動力在不同科學(xué)的廣泛領(lǐng)域中可能的實(shí)際用途，可以成功地治療不同的疾病例如皮膚病、動脈粥樣硬化、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等[50]。PDT的應(yīng)用已經(jīng)不僅僅局限在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其在食品冷殺菌領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，但是光動力殺菌在食品領(lǐng)域中的研究仍然較少并且存在難點(diǎn)[9-10]。大多數(shù)研究是在模型系統(tǒng)中進(jìn)行的，并沒有在食品中進(jìn)行測試，相關(guān)數(shù)據(jù)肯定與實(shí)際情況有區(qū)別[8]。有的光敏劑存在一定的毒性，不能在食品中隨意的添加，在不同的食品中有一定的限量，超過限量就會對人體造成威脅。經(jīng)過處理后，食品中天然成分的光降解可能通過脂質(zhì)氧化使其有不良的感官效果。因此，應(yīng)該考慮到不同食物基質(zhì)的復(fù)雜性、食物基質(zhì)與處理的相互作用、貨架期和處理后食物的質(zhì)量并闡明處理過的食物中的天然成分在決定光動力殺菌作用的有效性中起著消極還是積極的作用，需要更多的研究來調(diào)查其對殺菌效果的影響[3,18]。光敏劑介導(dǎo)的光動力殺菌技術(shù)的主要缺點(diǎn)是不能穿透食品外層，更適用于食品、食品包裝或食品設(shè)施的表面消毒[18]?；钚匝醯纳晒π枪鈩恿⒕晒Φ年P(guān)鍵，光敏劑作為的核心要素，在很大程度上決定了PDT的療效[11,19]。未來可以通過對已知光敏劑的精心優(yōu)化和新型高效光敏劑的開發(fā)，高度提高活性氧的產(chǎn)量，特別是最具破壞性的羥自由基。雖然光敏劑介導(dǎo)的光動力殺菌技術(shù)不能解決所有的抗微生物問題，但在特殊情況下使用這種新方法或?qū)⑵渑c公認(rèn)的微生物控制技術(shù)相結(jié)合可以獲得改進(jìn)。