韓彥慧，曾凡坤

（西南大學食品科學學院，重慶400715）

世界衛(wèi)生組織報道食源性食物中毒在發(fā)達國家和發(fā)展中國家對公共健康危害越來越嚴重，每年世界范圍內(nèi)發(fā)生食物中毒案例有15億，食物中毒導致死亡人數(shù)高達300萬[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期間仍會發(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，但目前應用不是很廣泛，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影響食品的感官特征；紫外線殺菌會使微生物產(chǎn)生生物抗性，并存在殺菌不徹底的缺點；離子輻射需要高成本的專業(yè)設備；而超高壓處理不能進行連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)，從而限制了這些殺菌技術在食品中的應用。而非熱光敏殺菌技術由于與以往殺菌方法的殺菌機理不同，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，不會誘導微生物發(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。

光敏殺菌技術通過破壞細胞膜、使不同酶失活以及損壞DNA結(jié)構(gòu)來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在食品行業(yè)中具有廣闊的應用前景。本文主要介紹了光敏殺菌的機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用。

1 光敏殺菌技術的構(gòu)成

光敏殺菌由光敏劑和光照兩個無毒部分組成，在氧氣的存在下可以選擇性地破壞靶細胞。這種殺菌方法對多種微生物敏感，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)生的復合作用。光敏劑和光照是光敏殺菌必不可少的兩個組成部分[4]。光敏劑吸收光使分子從基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。分子通過熒光或內(nèi)部轉(zhuǎn)變作用回到基態(tài)過程中，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，當分子從激發(fā)態(tài)到更低的三聯(lián)體激發(fā)態(tài)過程需要更長的時間。從三聯(lián)體激發(fā)態(tài)到基態(tài)過程中會發(fā)生光氧化反應。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)物與氧氣反應形成過氧化物、超氧離子和羥基，從而發(fā)生自由基鏈式反應[5]。第二種方式由基態(tài)氧能量轉(zhuǎn)移過程調(diào)節(jié)[6]。這兩種反應同時發(fā)生而且相互競爭[7]。由于氧氣的半衰期以及擴散距離很短從而使得這種反應嚴格地被限制在局部區(qū)域內(nèi)而不會發(fā)生細胞的損壞[8]。從而引起細胞毒素的過多積累，引發(fā)細胞的損傷和死亡。

1.2 光敏殺菌中常用的光敏劑

通過鑒定光敏劑的殺菌效果與其結(jié)構(gòu)間的關系，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)時間長[9]。光敏劑的理化性質(zhì)對其殺菌效果會產(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影響殺菌效果[10]。一些細菌可以產(chǎn)生內(nèi)源性卟啉類化合物，因此細胞代謝產(chǎn)物卟啉類化合物可以充當光敏劑。光敏作用可以通過激活細胞內(nèi)源性卟啉類化合物進行殺菌。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)在應用的還有天然光敏劑，如補骨脂素衍生物。

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

1.3 光敏殺菌中使用的光源

生物光學作用對微生物的致死主要取決于光波長，光敏劑的結(jié)構(gòu)和電子吸收光譜決定光敏劑的波長[13]。卟啉和氯的衍生物的吸收光譜帶在400～430nm，超過600nm，光譜吸收帶更小。波長決定了穿透深度：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。特意為光敏殺菌設計的光源有：金屬鹵化物燈，它可以發(fā)射出600～800nm的光波；氙氣燈的波長可達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)動電壓更低，更穩(wěn)定，具有抗振能力。這些特點使得發(fā)光二極管用作感光照射器具有安全、可行、無副作用以及維護費用低等特點。

2 光敏殺菌機理

光敏殺菌的原理是光敏復合物選擇性積聚在靶細胞中，在有氧環(huán)境下可見光照射誘導細胞過多的毒素反應從而選擇性地殺死微生物而對周圍不產(chǎn)生有害作用[5，15]。光敏殺菌通過破壞細胞膜、使不同酶失活以及損壞DNA結(jié)構(gòu)來殺滅食品中的致病菌。食品中常見的沙門氏菌、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，呈中性或帶負電荷的光活性染料有效地捆綁革蘭氏陽性菌使其失活。這可能是因為革蘭氏陽性菌的胞質(zhì)膜由肽聚糖和磷壁酸構(gòu)成，這使得光敏劑可以穿過胞質(zhì)膜。革蘭氏陰性菌的細胞壁由外膜、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，在革蘭氏陽性菌和酵母菌中，光敏劑聚積在細胞壁上，經(jīng)光照后活性氧損壞細胞壁，并與不飽和脂肪酸、氨基酸殘基和核酸堿基（特別是鳥嘌呤和胸腺嘧啶）反應，從而殺死致病菌。在革蘭氏陽性菌和陰性菌中，光敏殺菌都可以破壞細菌的DNA結(jié)構(gòu)[16]。光敏殺菌還可以殺滅有包膜或無包膜的病毒。帶正電的光敏劑可以破壞病毒的核酸，而帶負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，光敏殺菌技術主要廣泛應用于臨床治療方面，而在食源性致病菌的殺菌研究上少有報道。在國內(nèi)，光敏殺菌技術主要集中于對各種光敏劑的抑菌效果的研究，而針對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，抗菌實驗表明脫鎂葉綠酸對革蘭陽性菌具有光敏抑菌效果，對革蘭陰性菌和酵母無明顯作用。黃齊茂等[19]對新型金屬卟啉光敏劑的殺菌效果進行了研究，結(jié)果表明光敏劑為NiL，濃度為80μmol/L時，能完全抑制金黃色葡萄球菌的生長。王小倩等[20]以葉綠素鎂鈉鹽為光敏劑，研究了其對幾種液體食品中金黃色葡萄球菌的光動力殺菌效果。結(jié)果表明，葉綠素鎂鈉鹽對幾種液態(tài)食品中的金黃色葡萄球菌具有很強的殺菌效果，其中以10-5mol/L的葉綠素鎂鈉鹽殺菌效果最佳。同樣，國外對光敏殺菌中使用的光敏劑研究較多，并且對光敏殺菌在食品中的應用進行了一定的研究。Bertoloni等[21]研究了血卟啉在體內(nèi)對金黃色葡萄球菌DNA的破壞作用。對細胞質(zhì)膜和DNA進行電泳分析發(fā)現(xiàn)膜是光敏劑的最主要的靶位。在體內(nèi)和體外實驗，發(fā)現(xiàn)光敏殺菌對DNA的損壞需要更長的光照時間，從而猜測DNA是光敏殺菌次要靶位。Ishikawa等[22]用蛋殼提取的色素充當光敏劑研究對革蘭氏陽性菌（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性菌失活，而對革蘭氏陰性菌沒有殺菌作用。Hancock等[23]研究氧化鈦紫外線殺菌效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于活性氧的產(chǎn)生，大部分辣根過氧化物酶在紫外線殺菌（氧化鈦存在時）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。實驗結(jié)果還表明耐熱菌株及其孢子和生物膜達到充分的殺菌要求需要更長的光照時間和更高濃度的葉綠酸鈉。通過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胞膜對這種殺菌方法非常敏感，試管內(nèi)和食品包裝表面的細菌都被有效殺滅。表1列出了研究報道中常用的光敏劑、目標菌株及光源與波長等。

感光劑在細胞中的積聚取決于細菌的生理狀態(tài)，細菌在指數(shù)增長期間對感光劑的積累比停滯期好。對其他殺菌方式產(chǎn)生抗性孢子卻對光敏殺菌比較敏感。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中，其中對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。通過進一步對紅酵母、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、無致癌副作用、環(huán)保無公害。

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

4 結(jié)論

在食品中總會出現(xiàn)各種各樣的病原菌，因此殺菌是食品行業(yè)的一個永久存在的問題。但致病菌的抗藥性的逐漸增強是一個非常令人擔憂的問題。因此，十分有必要尋找一個新的、有效的及環(huán)保無公害的殺菌方法。而光敏殺菌作為一種新的有效的方法對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)，利用其對目標菌株的優(yōu)先聚集特性，通過氧化作用滅活細菌而不傷害周圍組織和細胞。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，還可以誘導病毒失活，因此光敏殺菌在食品行業(yè)的中應用前景非常可觀。但是考慮到光敏殺菌對食品的構(gòu)成、處理后食品組分間的相互反應、貨架期、食品的品質(zhì)的影響，需要更進一步的研究。而光敏殺菌與其他熱殺菌或非熱殺菌結(jié)合使用的效果還沒有研究，因此光敏殺菌在食品中的應用還有待更深入的探索研究。

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