◎ 李雪娜

（國家輕工業(yè)食品質(zhì)量監(jiān)督檢測南京站，江蘇 南京 210000）

盡管食品工業(yè)引入了廣泛的殺菌技術，但受能源消耗、可持續(xù)性、成本效益以及在農(nóng)場層面可行性等因素的影響，食品殺菌技術還存在一些問題。例如新鮮果蔬如果處理不當，由于易腐性高，幾天內(nèi)就會變質(zhì)，造成經(jīng)濟損失。一些食品正面臨著耐抗生素微生物的挑戰(zhàn)，而現(xiàn)有的殺菌技術應對這些挑戰(zhàn)效果不佳。另一些殺菌技術，如紫外線和脈沖電場會對食品處理人員暴露在紫外線下的皮膚和眼睛造成傷害。因此，食品工業(yè)對于新的殺菌技術需求迫切[1]。

1 光動力殺菌

光敏化反應也稱為光動力殺菌，通過光照射光敏劑實現(xiàn)對周邊環(huán)境的殺菌效果。該殺菌方法原本應用在醫(yī)學中，最近其在食品中潛在的應用前景引起了人們的興趣。據(jù)報道，光動力殺菌在食品基質(zhì)中有很好的作用效果。同時，光敏劑對營養(yǎng)細胞、孢子和生物膜具有致死作用，而對周圍環(huán)境沒有不利影響，目前還沒有關于光敏化的微生物耐藥性的報道。

與其他現(xiàn)有殺菌技術相比，光動力殺菌的優(yōu)點包括：①高效、經(jīng)濟。②可再生。③易于維護。④安全性高。然而，該技術的主要缺點是不能穿透食品外層，因此更適用于食品外表面、食品外包裝或食品設施的消毒殺菌。在很大程度上，這項技術為食品工業(yè)開辟了新的道路，使用光動力殺菌技術對產(chǎn)品進行消毒時不僅安全性更高，而且可以保持處理后食品的質(zhì)量[2]。本文介紹了姜黃素作為一種天然光敏劑，其作用于細菌的機制和這項創(chuàng)新技術在食品工業(yè)中的潛力。

2 姜黃素

姜黃素（C21H20O6）是從姜黃根狀莖（姜科）中提取的一種多酚化合物，在中國和印度醫(yī)學中有著長期的傳統(tǒng)應用。姜黃素目前已被批準作為一種安全的食品添加劑（聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織建議將200 mg·kg-1作為姜黃素消費量的安全限值）。姜黃素的天然特性使它在各種即食食品和飲料中有著較多的應用。

姜黃素作為一種天然光敏劑，其殺菌具有廣譜的有效性和可用性[3]。姜黃素的4種主要結構如圖1所示，其最穩(wěn)定和最不穩(wěn)定的結構分別是雙脫甲氧基姜黃素和姜黃素。市售姜黃素由77%姜黃素、17%脫甲氧基姜黃素和3%雙脫甲氧基姜黃素組成，其中后者是姜黃呈黃色的主要原因。

圖1 姜黃素化學結構圖

2.1 溶解度

姜黃素在水中的溶解度較低和化學穩(wěn)定性差（特別是在堿性溶液中），對其有效利用受到限制。不同的因素影響姜黃素的溶解速率，例如姜黃素晶體的性質(zhì)（結構、形態(tài)、結晶度和表面積）、溶劑和應用的物理條件（溫度、攪拌速度和超聲處理）[4]。姜黃素具有很高的親脂性，易溶于極性溶劑，如丁酮、異丙醇、乙醇、丙酮。為了提高姜黃素在水溶液中的溶解度且避免其化學降解，人們廣泛研究了各種封裝包被技術。一項研究表明，通過將姜黃素包被在大豆分離蛋白中進行噴霧干燥，姜黃素在水中的溶解度增加了812倍。

2.2 殺菌作用

姜黃素介導的光動力對革蘭氏陰性和陽性菌均有殺菌作用，包括單核細胞增生李斯特菌、副溶血性弧菌、大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌和金黃色葡萄球菌等食源性致病菌。與浮游細胞相比，細菌形成的生物被膜是一組包圍在細胞體周圍的聚合物基質(zhì)，增強了細菌細胞對抗生素的抗性。實驗證實，光動力殺菌技術可有效消除這些被生物被膜包圍的細菌[5]。在液體培養(yǎng)基條件下，在大腸桿菌中使用1.60 mmol·L-1姜黃素可降低約 8 logCFU·mL-1，20 μmol·L-1姜黃素可分別減少 5.94 logCFU·mL-1大腸桿菌和 5.91 logCFU·mL-1金黃色葡萄球菌[6]。

姜黃素介導的光動力殺菌效果可能取決于姜黃素濃度、光劑量、環(huán)境pH等因素。理論上，光敏劑的活化和活性氧的產(chǎn)生與光劑量相關，并直接影響到殺菌效果。然而，光劑量對殺菌效果的影響在文獻報道中并不一致。通過將光劑量從10增加到100 J·cm-2，金黃色葡萄球菌的減少量呈增加趨勢，顯示出了殺菌效果對光劑量的依賴性。然而，另一研究結果表明姜黃素沒有光劑量的依賴性。在 24 J·cm-2、48 J·cm-2和72 J·cm-2的不同光照劑量下，使用 8 000 μmol·L-1姜黃素對變形鏈球菌的殺菌效果相似[7]。

環(huán)境pH可對姜黃素介導的光動力的殺菌效果產(chǎn)生影響。通過添加檸檬酸將姜黃素溶液pH值從6降到2.5，光照后的大腸桿菌O157∶H7和單增李斯特菌分別減少 5 logCFU·mL-1和 3 logCFU·mL-1，結果顯示酸性環(huán)境有利于姜黃素的殺菌[8]。這可能是由于檸檬酸增加了細胞膜通透性或提高了微生物細胞代謝活性，從而有更多的姜黃素進入到細胞內(nèi)。

姜黃素通過細胞膜進入細胞是姜黃素光敏化過程中的關鍵步驟。針對細胞膜損傷的亞致死細菌，姜黃素光動力殺菌效果會更好。革蘭氏陰性菌由于膜蛋白、脂多糖三聚體和脂蛋白，具有負電荷特性，使其更具耐藥性。為提高革蘭氏陰性菌對光敏劑的吸收，光敏劑應該攜帶更多正電荷。如通過使用氯化鈣等化合物可以增加姜黃素攜帶正電荷的概率，從而增加姜黃素對革蘭氏陰性細菌的滲透，從而提高光動力的殺菌效果。相比之下，細胞質(zhì)膜包被的革蘭氏陽性細菌細胞外部被40～80 nm的肽聚糖壁包圍，孔隙相對較大，對滲透沒有屏障功能，姜黃素更容易進入到其細胞中。

2.3 在食品中的應用

姜黃素的光敏化需要430 nm左右的藍光，這種光的穿透能力較弱，因此姜黃素光動力殺菌主要可用于食品或加工設施的表面殺菌。如姜黃素（10 mg·L-1，pH 3.0）噴灑在接種了大腸桿菌O157∶H7和單增李斯特菌的萵苣、菠菜和番茄表面上，并在藍光下照射，導致兩種致病菌減少約3 logCFU·cm-2，而對顏色和顏色沒有產(chǎn)生不利影響[9]。同時，食品形狀和結構的復雜性也會影響表面殺菌效果。與球形等更復雜的幾何結構食品相比，扁平的食品光動力殺菌效果更好。球形食品（如綠豆）在照明過程中需要旋轉才能獲得滿意的結果。然而，無論姜黃素濃度如何，使用二維光源對更復雜的幾何結構（如綠豆芽）都是無效的，這與發(fā)芽種子表面不平整有關，建議采用旋轉光源或研制三維光源。

研究表明，與超聲波處理進行結合，可增強姜黃素介導的光動力殺菌對橙汁的殺菌效果。結果顯示在橙汁中，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌濃度分別下降了2.35 logCFU·mL-1和 4.26 logCFU·mL-1。與光照前未對橙汁進行超聲處理相比，金黃色葡萄球菌的濃度變化不大，但大腸桿菌的濃度顯著下降[10]。與金黃色葡萄球菌相比，單獨使用超聲波滅活大腸桿菌顯示出相當大的潛力。

2.4 對食品的質(zhì)量和感官影響

維護食品質(zhì)量屬性（如外觀、顏色、食品的營養(yǎng)特性）以及感官特性是衡量殺菌技術的重要指標。隨著姜黃素濃度的升高，可能會在食品表面呈現(xiàn)黃色，對原有食品顏色的表現(xiàn)有一定的不利影響。但是，姜黃素對食品中的部分易褐變成分（如氨基酸、脂肪酸）具有抑制作用。姜黃素對牡蠣中的風味化合物、游離氨基酸、脂肪酸（總飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸）和脂類具有顯著的保護作用，牡蠣的感官特性不受應用姜黃素濃度的影響[11]。

3 結語

食品工業(yè)的首要任務是延長保質(zhì)期，保持食品的安全、感官和營養(yǎng)屬性。食品工業(yè)中使用的各種殺菌技術，存在耗時長、價格昂貴、對耐藥微生物和孢子缺乏有效性以及對食品的質(zhì)量和感官產(chǎn)生不利影響的缺點。姜黃素介導的光動力殺菌是一種解決上述問題的潛在殺菌技術，它在各種食品中的適用性正被廣泛研究，無論是新鮮食品還是加工食品，都顯示出了良好的殺菌效果，且對加工食品的感官質(zhì)量產(chǎn)生的不良影響較小。