非热光敏杀菌技术在食品中的应用研究现状及发展趋势

韩彦慧，曾凡坤

（西南大学食品科学学院，重庆400715）

世界卫生组织报道食源性食物中毒在发达国家和发展中国家对公共健康危害越来越严重，每年世界范围内发生食物中毒案例有15亿，食物中毒导致死亡人数高达300万[1]。食品工业中采用杀菌方法主要有热杀菌和冷杀菌。食源性微生物在食品加工过程中通常采用热杀菌，传统的热杀菌可以杀死食品表面的微生物，但不适用于热敏感的包装材料。尽管食品行业建立了HACCP体系，但食源性疾病在食品供应期间仍会发生[2]。冷杀菌又称非热杀菌，具有杀菌温度低，能保留食品原有品质等优点，但目前应用不是很广泛，引起研究人员的广泛重视[3]。

目前非热物理杀菌在食品行业研究较多，但由于电解氧化水杀菌会影响食品的感官特征；紫外线杀菌会使微生物产生生物抗性，并存在杀菌不彻底的缺点；离子辐射需要高成本的专业设备；而超高压处理不能进行连续化工业生产，从而限制了这些杀菌技术在食品中的应用。而非热光敏杀菌技术由于与以往杀菌方法的杀菌机理不同，可以很好的保存食品的品质特征，杀菌功效不受微生物抗药性的影响，不会诱导微生物发生突变，成本低。因此光敏杀菌很可能代替传统的杀菌方法广泛用于食品杀菌中。

光敏杀菌技术通过破坏细胞膜、使不同酶失活以及损坏DNA结构来杀灭食品中的致病菌，从而具有杀菌效果。光敏杀菌作为一种非热杀菌新技术在食品行业中具有广阔的应用前景。本文主要介绍了光敏杀菌的机理及其主要影响因素——氧气作用、光敏剂、光敏杀菌中使用的光源等以及在食品杀菌中的应用。

1 光敏杀菌技术的构成

光敏杀菌由光敏剂和光照两个无毒部分组成，在氧气的存在下可以选择性地破坏靶细胞。这种杀菌方法对多种微生物敏感，如耐药微生物、酵母菌、小型真菌和病毒等。

1.1 光敏杀菌中氧气的作用

光敏作用是光敏剂和光照在有氧条件下发生的复合作用。光敏剂和光照是光敏杀菌必不可少的两个组成部分[4]。光敏剂吸收光使分子从基态转变为激发态。分子通过荧光或内部转变作用回到基态过程中，散失的能量以热量的形式传递到周围的环境中。分子回到基态的另一种方式是系统间交叉作用，当分子从激发态到更低的三联体激发态过程需要更长的时间。从三联体激发态到基态过程中会发生光氧化反应。第一种方式涉及到电子或氢原子的转移，感光剂呈激发的状态，这些中间产物与氧气反应形成过氧化物、超氧离子和羟基，从而发生自由基链式反应[5]。第二种方式由基态氧能量转移过程调节[6]。这两种反应同时发生而且相互竞争[7]。由于氧气的半衰期以及扩散距离很短从而使得这种反应严格地被限制在局部区域内而不会发生细胞的损坏[8]。从而引起细胞毒素的过多积累，引发细胞的损伤和死亡。

1.2 光敏杀菌中常用的光敏剂

通过鉴定光敏剂的杀菌效果与其结构间的关系，光敏剂通常选用含吡咯环的化合物，包括卟啉、氯、卟吩和酞菁等。这些分子毒性低，形成的三联体激发态时间长[9]。光敏剂的理化性质对其杀菌效果会产生影响，亲油性、离子化、光吸收特征以及单线态氧的功效等因素都会影响杀菌效果[10]。一些细菌可以产生内源性卟啉类化合物，因此细胞代谢产物卟啉类化合物可以充当光敏剂。光敏作用可以通过激活细胞内源性卟啉类化合物进行杀菌。氨基乙酰丙酸就是一种研究成功的感光卟啉物质[11]。现在应用的还有天然光敏剂，如补骨脂素衍生物。

总的来说，理想的光敏剂应具备以下特点：在微生物中积聚能力好、微生物中的定位性强、拥有高效杀菌能力并且不会诱导突变[12]。光敏杀菌用于食品中还应具备其他特点，例如成本低，是天然化合物，没有较深的色泽和气味，浓度低效果好，没有副作用而且对食品感官特征没有不良影响。

1.3 光敏杀菌中使用的光源

生物光学作用对微生物的致死主要取决于光波长，光敏剂的结构和电子吸收光谱决定光敏剂的波长[13]。卟啉和氯的衍生物的吸收光谱带在400～430nm，超过600nm，光谱吸收带更小。波长决定了穿透深度：400～500nm光的穿透深度为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气体放电和罩有玻璃罩的白炽灯。特意为光敏杀菌设计的光源有：金属卤化物灯，它可以发射出600～800nm的光波；氙气灯的波长可达400～1200nm，此外还有狭带紫外灯等[14]。现在用发光二极管激活感光剂，它的光谱性质和辐射方向介于激光和传统灯光间。随着发光二极管的研究不断深入，这种装置已到了应用的成熟期。发光二极管有着卓越的辐射效果，与普通光源相比它的驱动电压更低，更稳定，具有抗振能力。这些特点使得发光二极管用作感光照射器具有安全、可行、无副作用以及维护费用低等特点。

2 光敏杀菌机理

光敏杀菌的原理是光敏复合物选择性积聚在靶细胞中，在有氧环境下可见光照射诱导细胞过多的毒素反应从而选择性地杀死微生物而对周围不产生有害作用[5，15]。光敏杀菌通过破坏细胞膜、使不同酶失活以及损坏DNA结构来杀灭食品中的致病菌。食品中常见的沙门氏菌、单增李斯特菌、蜡状芽孢杆菌、假单胞杆菌、燕麦镰刀菌以及红单端孢菌、黄曲霉、链格孢、直立顶孢霉经光敏处理后完全失去活性，而且光敏处理后未出现任何生物抗性[15]。光敏杀菌最主要的前提条件是光敏剂在微生物中的积聚。食品经光照后，呈中性或带负电荷的光活性染料有效地捆绑革兰氏阳性菌使其失活。这可能是因为革兰氏阳性菌的胞质膜由肽聚糖和磷壁酸构成，这使得光敏剂可以穿过胞质膜。革兰氏阴性菌的细胞壁由外膜、肽聚糖层和内膜构成，外膜主要由孔蛋白、脂多糖和脂蛋白构成，这使得负电荷紧密地聚集在外膜表层，这种物理性和功能性的结构阻隔了革兰氏阴性菌与环境的交流。然而，在革兰氏阳性菌和酵母菌中，光敏剂聚积在细胞壁上，经光照后活性氧损坏细胞壁，并与不饱和脂肪酸、氨基酸残基和核酸碱基（特别是鸟嘌呤和胸腺嘧啶）反应，从而杀死致病菌。在革兰氏阳性菌和阴性菌中，光敏杀菌都可以破坏细菌的DNA结构[16]。光敏杀菌还可以杀灭有包膜或无包膜的病毒。带正电的光敏剂可以破坏病毒的核酸，而带负电的光敏剂可以破坏病毒的包膜。病毒包膜中的肽类是光敏剂的靶位，使得包膜中的酶失活[17]。

3 光敏杀菌研究现状

目前，光敏杀菌技术主要广泛应用于临床治疗方面，而在食源性致病菌的杀菌研究上少有报道。在国内，光敏杀菌技术主要集中于对各种光敏剂的抑菌效果的研究，而针对食品中食源性致病菌杀菌的研究很少。唐蕾等[18]研究了脱镁叶绿酸的光敏抗菌活性，抗菌实验表明脱镁叶绿酸对革兰阳性菌具有光敏抑菌效果，对革兰阴性菌和酵母无明显作用。黄齐茂等[19]对新型金属卟啉光敏剂的杀菌效果进行了研究，结果表明光敏剂为NiL，浓度为80μmol/L时，能完全抑制金黄色葡萄球菌的生长。王小倩等[20]以叶绿素镁钠盐为光敏剂，研究了其对几种液体食品中金黄色葡萄球菌的光动力杀菌效果。结果表明，叶绿素镁钠盐对几种液态食品中的金黄色葡萄球菌具有很强的杀菌效果，其中以10-5mol/L的叶绿素镁钠盐杀菌效果最佳。同样，国外对光敏杀菌中使用的光敏剂研究较多，并且对光敏杀菌在食品中的应用进行了一定的研究。Bertoloni等[21]研究了血卟啉在体内对金黄色葡萄球菌DNA的破坏作用。对细胞质膜和DNA进行电泳分析发现膜是光敏剂的最主要的靶位。在体内和体外实验，发现光敏杀菌对DNA的损坏需要更长的光照时间，从而猜测DNA是光敏杀菌次要靶位。Ishikawa等[22]用蛋壳提取的色素充当光敏剂研究对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌和蜡状芽孢杆菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌和沙门氏菌）杀菌效果。结果发现光敏杀菌使革兰氏阳性菌失活，而对革兰氏阴性菌没有杀菌作用。Hancock等[23]研究氧化钛紫外线杀菌效果，结果发现由于活性氧的产生，大部分辣根过氧化物酶在紫外线杀菌（氧化钛存在时）中失去活性。光敏作用同样可以产生活性氧，因此光敏杀菌很可能使酶失活。丙氨酸光敏杀菌已经用在食品致病菌的杀灭中，研究表明这种杀菌方法可以迅速高效杀死食品中的蜡状芽孢杆菌和单增李斯特菌[24-25]。Luksiene等[26]研究了叶绿酸钠的光敏杀菌作用，尝试用叶绿酸钠光敏杀菌使食品中的致病菌失活，破坏微生物的孢子和细胞膜。结果表明食品中的蜡状芽孢杆菌和单增李斯特菌在体外经光敏作用后有效地被杀死。实验结果还表明耐热菌株及其孢子和生物膜达到充分的杀菌要求需要更长的光照时间和更高浓度的叶绿酸钠。通过比较不同杀菌方法结果表明光敏杀菌效果更好，作为非热杀菌在食品中有很大应用潜力。Luksiene等[27]还研究了光敏剂叶绿酸钠在试管中和食品包装表面的杀菌效果，结果表明单增李斯特菌的细胞膜对这种杀菌方法非常敏感，试管内和食品包装表面的细菌都被有效杀灭。表1列出了研究报道中常用的光敏剂、目标菌株及光源与波长等。

感光剂在细胞中的积聚取决于细菌的生理状态，细菌在指数增长期间对感光剂的积累比停滞期好。对其他杀菌方式产生抗性孢子却对光敏杀菌比较敏感。Soukos等[28]研究表明变异链球菌、龋齿链球菌、血链球菌经氯光敏杀菌后生物膜被破坏95%～99%。光敏杀菌主要用于使各种致病菌失活当中，其中对酵母菌和真菌的作用还在研究中。Luksiene等[29]研究光敏作用可能使啤酒酵母、红单端孢菌和黄曲霉失活。通过进一步对红酵母、青霉菌、烟曲霉、出芽短梗霉、链格孢菌、根霉、镰刀菌、直立顶孢霉的观察，发现光敏作用对孢子的形成有抑制作用。由此得知，光敏杀菌可使引起食品腐败变质的微生物失活，而且安全、不产生诱变作用、无致癌副作用、环保无公害。

表1 光敏杀菌中常用的光敏剂、光源、波长以及目标菌株Table 1 The photoactive compound，light source，wavelength and the target strains of photosensitization

4 结论

在食品中总会出现各种各样的病原菌，因此杀菌是食品行业的一个永久存在的问题。但致病菌的抗药性的逐渐增强是一个非常令人担忧的问题。因此，十分有必要寻找一个新的、有效的及环保无公害的杀菌方法。而光敏杀菌作为一种新的有效的方法对一系列微生物具有良好的灭菌效果，在特定光源激发下，光敏剂吸收能量产生单线态氧、自由基等活性物质，利用其对目标菌株的优先聚集特性，通过氧化作用灭活细菌而不伤害周围组织和细胞。光敏杀菌可以有效杀灭食品中的致病菌，环保而且不产生微生物抗性，还可以诱导病毒失活，因此光敏杀菌在食品行业的中应用前景非常可观。但是考虑到光敏杀菌对食品的构成、处理后食品组分间的相互反应、货架期、食品的品质的影响，需要更进一步的研究。而光敏杀菌与其他热杀菌或非热杀菌结合使用的效果还没有研究，因此光敏杀菌在食品中的应用还有待更深入的探索研究。

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