光动力技术研究进展及其在食品工业中的应用前景

郑宝东 ， 林少玲 ， 曾绍校 ， 胡嘉淼 ， 赖丹宁

（1.闽台特色海洋食品加工及营养健康教育部工程研究中心，福建 福州350002；2.福建农林大学 食品科学学院，福建 福州 350002；3.福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室 福建 福州350002）

食品安全问题已成为当今社会不容忽视的问题[1]，食源性致病菌是造成食品安全隐患的重要因素之一。目前，食品行业中主要的杀菌手段可分为热力杀菌及非热力杀菌技术。热力杀菌技术历史悠久、应用广泛、技术成熟、杀菌力强，且能广谱杀菌，但能耗高，同时常造成食品原有的营养风味的流失。新型非热杀菌技术如抗生素、超高压、辐照、脉冲光、脉冲电场等也不断涌现[2-3]，但抗生素滥用导致细菌耐药性已使抗生素灭菌技术逐渐被淘汰[4]，而超高压、辐照、脉冲电场等非热力杀菌技术多存在设备价格不菲、冷链运输要求较高、能耗大等缺陷[5]。光动力杀菌技术作为新型非热杀菌技术中的一员，因其所具有的安全、高效、低耗等多种优点，已成为食品工业创新杀菌工艺的新手段。本文旨在综述光动力技术的研究进展及其在食品工业中的应用前景，为将光动力技术更好地应用于食品工业提供参考。

1 光动力技术简介

光动力技术 （Photodynamic technology，PDT）作为一种非热杀菌技术，主要原理为光敏剂（Photosensitizer，PS）被一定波长的光源所激发后，可产生活性氧分子（ROS）或活跃的单重态氧（1O2），进而通过氧化作用破坏核酸、蛋白质及脂质等生物分子，从而灭活微生物或细胞[6]。光敏剂具有组织选择性，能使PDT在有效杀灭微生物的同时不损伤邻近的正常细胞或组织[7].相比于热杀菌方法和其他的非热力杀菌技术，PDT拥有如下优点[8]：1）细胞毒性较低；2）具有选择性，精准度较高；3）能耗低；4）灭菌速度快；5）PDT可以单独或与其他杀菌手段相结合，如声动力[9]等。

2 光动力技术作用机理研究进展

目前，对光动力技术作用机理的研究揭示光动力作用可分为两种类型，见图1。首先基态（S0）光敏剂被激发后可跃迁至激发单重态（S1），并通过系间穿越至激发三重态（T1）[7]。之后T1状态下的光敏剂可通过Ⅰ型反应产生ROS，通过与细胞膜上的磷脂分子发生作用，破坏细胞结构而杀死细胞；或通过Ⅱ型反应向三重态氧（3O2）传递能量，产生极活泼的单重态氧 （1O2）[10]。1O2则能通过氧化损伤破坏蛋白质、核酸等生物大分子，从而最终达到灭活靶细胞的效果[11-12]。此外1O2还可与不饱和脂质和DNA核苷反应，生成高活性的氢过氧化物和内过氧化物，直接损伤靶细胞的DNA[13]。值得注意的是，Ⅰ型和Ⅱ型过程是同时进行的[14]，但大部分光敏剂需要在有氧条件下才能发挥光动力灭活作用，易发生Ⅱ型反应。

图1 光动力技术作用机理Fig.1 Mechanisms of photodynamic Technology

3 光敏剂的概述

光敏剂（Photosensitizer，PS）是光动力技术的核心要素[15]。理想的PS应具备以下优点[11]：1）性质稳定，纯度高；2）光化作用高效，激发后能产生大量ROS或1O2；3）来源安全，毒性低，能被细胞代谢排出；4）具有靶向性；5）在可见光区有较强的吸收。

主流的PS有以下7类，见表1。传统意义上PS主要应用在医学领域，而随着PDT技术在食品工业中的应用不断得到重视，筛选或开发更加适用于食品领域应用的PS已成为该领域研究热点之一。适合食品领域所使用的PS除应具备以上要求外，还应对食品的外观、成分、风味、味道不造成或少造成影响[13]。而天然光敏剂来源可靠、毒副作用低、光作用效率高等特点，已成为用于食品杀菌领域最具有潜力的光敏剂[6]。

3.1 天然光敏剂的开发

当前，国内外研究主要关注的天然光敏剂包含4 大类[25]，见表 2。 其中，姜黄素（Curcumin）作为一种已被批准的食品添加剂，具有原料来源广、安全经济的优点，并被证实具有抗癌[26]、抗氧化[27]、消炎[28]、抑菌[29]等功效。国内外学者对姜黄素-PDT应用于杀灭食源性微生物进行了广泛研究，如Jiang S等[30]发现，在470 nm蓝光照射下，姜黄素-PDT能暴露金黄色葡萄球菌的作用位点，破坏其生物膜实现灭菌的目的。作者所在研究团队[31]发现姜黄素-PDT联合EDTA能明显降低洋葱伯克霍尔德氏菌的存活率。Corrêa T Q等[32]研究发现，姜黄素-PDT能降低牛肉、鸡肉等食品表面大肠杆菌和金黄色葡萄球菌污染程度。

表1 光敏剂分类Table 1 Classification of photosensitizers

表2 天然光敏剂分类表Table 2 Classification of natural photosensitizers

3.2 光敏剂的改造、修饰研究进展

天然光敏剂化学稳定性及水溶性较差，在光动力作用过程中易产生荧光猝灭现象、二聚氧化等副反应，影响对靶细胞的灭活效果[38]。为解决这一问题，国内外学者开展了一系列的改造与修饰PS的研究，主要包括以下几种途径：

3.2.1 光敏剂-纳米化 纳米化改造主要是通过改变PS的大小以增加其表面积，同时提高其靶向性、水溶性、比表面积等，减少副反应发生，增加PS的生物利用率[39]。目前主要存在6种新型光敏剂纳米化改造方式：富勒烯类化合物、碳纳米管、石墨烯衍生物、脂质体、二氧化钛化合物和金属纳米粒子。

3.2.2 光敏剂-多肽修饰 多肽相对分子质量较小，生物活性高，易于修饰和规模化制备，PS的多肽修饰通过对光敏剂进行靶向多肽修饰或带正电荷多肽修饰，从而提高PDT的攻击精准度，减少对正常细胞的损伤[40]或增强对革兰氏阴性菌的抑制作用[6]。如光敏剂曙红Y通过与带有正电荷的抗菌肽（AMPs）结合，能在极低浓度下钝化99.999%的细菌[41]，极为显著增强曙红Y对细菌的杀伤效果。

3.2.3 光敏剂-糖基与糖肽修饰 部分糖基能在一些细胞表面特异性表达，将PS与目标细胞受体的特定糖基结合，不仅能提高PS的靶向性，还能增大其杀伤力。蔡颖[42]发现用D-甘露糖分子共轭修饰的光敏剂纳米粒子能在665 nm LED光照的条件下，产生大量1O2，显著增强靶向PDT作用效果。将糖基与PS结合，能改善PS的生物相容性，但糖基与PS结合不紧密，易脱落，而将糖肽与PS结合能在一定程度上解决这一问题，Sol V等[43]制备的葡萄糖-丙酰氨基卟啉能更有效地杀伤白血病细胞K562，并且能延长药效。

4 光源的概述

光源是PDT的3个重要条件之一。光源的选择需要考虑如下因素[15，44]：1）与光敏剂的吸收光谱相适应；2）有适当的输出功率；3）具有一定的穿透性；4）光照区域边界灵敏；5）光谱范围界定明显；6）工作性能稳定。应用于PDT的光源主要包含相干光源和非相干光源，见表3。

相干光源波长单一，光强度分布较为均匀；相较于非相干光源，其有更好的方向性、相干性，而且激光在组织中的穿透深度能随波长增加而增加，但激光发射器也存在或多或少的缺点，如氩离子激光器不稳定，易受温度影响[45]；金属蒸汽激光器成本高，所需预热和冷却时间较长[47]。当前，LED被认为是一种极具开发潜力的可用于PDT的新型绿色光源，其具有发光效率高、通用性好、发射波长范围广（约为 250～7 000 nm）[13]、安全性高、寿命长、能耗低等优点，且其光照强度、光照时间能精确控制，广泛应用于皮肤病、口腔疾病等疾病的光动力治疗[50]。此外，各种新型光源在PDT中也有很大的应用前景，如有机发光二极管（OLED）具有质量轻、自发光的优点[51]；超辐射发光二极管（sLED）具有光谱宽、功率大、效率高的特点[52]。

表3 光源分类表Table 3 Classification of light source

5 光动力技术在食品工业中的研究现状和前景

5.1 光动力技术对食源性细菌、真菌、病毒的灭活作用

目前，国内外已陆续有针对光动力技术作用于食源性细菌、真菌、病毒的作用机理展开研究。如表4所示，PDT对多种常见的食源性致病菌如大肠杆菌[53-61]、金黄色葡萄球菌[53，58，62-70]、李斯特菌[55，58，65，68，71-72]、沙门氏 菌[55，58，65，73]、芽 孢 杆 菌[53-54，58，63，68]等 均 可 有 效 杀 灭 。Bonifacio D等[72]表明姜黄素介导的光动力技术能够显著杀灭李斯特菌，且作用效果优于卟啉。Panhoca V H[74]、Paschoal M A[75]等研究发现，姜黄素-PDT 能够在一定程度上杀死变形链球菌而对其细胞膜不产生影响。此外，研究发现，PDT对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等耐药性菌，保持了高效灭活效果。有大量证据显示PDT对食品也显示了显著杀菌效果，如 Bhavya M L等[76]发现在（462±3）nm 的 LED 照射下，姜黄素-PDT联合超声波能使鲜榨橙汁中的金黄色葡萄球菌降低（2.35±0.16） lg（CFU/mL），使大肠杆菌减少（4.26±0.32）lg（CFU/mL）。

PDT在适合条件下还具有杀灭真菌的潜能[77]，Luksiene Z等[78]用血卟啉和原卟啉介导的PDT灭活酿酒酵母，观察到培养物中有50%～70%酵母的生长受到抑制。Sorialozano P等[79]发现亚甲基蓝-PDT对白色念珠菌有明显的杀伤效果。Carpenter B L等[80]研究表明，在 PDT中使用 0.1 μmol的光敏剂DIMPy－BODIPY，能杀死99.5%新型隐球菌。针对霉菌，D de Menezes Henrique 等[81]研究也发现，634 nm的LED照射下，以辐照度为9 mW/cm2，浓度为10 μmol/L的五环吩噻嗪化合物S137能使热带水果中的尖孢炭疽菌和潜育类炭疽菌的分生孢子存活率降低 5 lg（CFU/mL）。

当前，将PDT应用于食源性病毒的研究较少，但初步研究也表明，PDT对病毒也起到较好的灭活作用。如针对水产品（如虾）中主要易感病毒诺如病毒（Norovirus，NV），Randazzo W 等[82]将 50 μg/mL 的姜黄素置于37℃孵育30 min后，用3 J/cm2的LED蓝光激活，能使病毒的滴度降低约0.73 lg（TCID50/mL）。此外，武娟[61]也报道姜黄素-PDT能使牡蛎肠道中的诺如病毒滴度减少1～2 lg（PFU/mL），可能是通过破坏诺如病毒的超微结构和RNA的完整性，进而杀灭诺如病毒。

5.2 光动力技术在食品保质保鲜中的应用

当前添加防腐剂、抗氧化剂、护色剂等化学添加剂是最为常用的延长食品货架期，维持食品品质、色泽、风味的手段。此外，烘烤、浸渍、烟熏等手段也常被用于保持食品的新鲜度。然而，这些传统保鲜技术常对食品风味、营养、安全带来负面影响。基于健康、环保、降低能耗等方面的考虑，运用PDT延长食品货架期将是今后国内外食品保质保鲜领域的研究热点。

在水产品保质保鲜方面，PDT已取得了良好效果。赵元晖等[86]发明了一种鲟鱼的光动力保鲜方法，姜黄素-PDT与葛根素联合使用能灭杀98.72%的细菌。曹斌斌等[87]将姜黄素-PDT应用于牡蛎中微生物的杀菌灭活，杀菌率达到90%以上，尤其是对大肠杆菌和诺如病毒有良好的灭活效果，同时能极好地保持牡蛎感官品质，满足消费者需求。作者所在课题组[88]前期研究发现，姜黄素-PDT不仅能抑制海蜇中的细菌生长，同时还能降低其TVB-N值、铝残留物含量，维持其质地、营养成分和感官品质。

表4 光动力技术的抑菌作用Table 4 Antibacterial effect of photodynamic technology

PDT还被广泛证实可用于鲜切水果的保鲜。研究表明，PDT能在储藏初期增强鲜切苹果抗氧化能力，较好维持鲜切苹果的营养[89]，利用电子鼻对比鲜切苹果贮藏前后的香气变化，发现PDT对鲜切苹果气味影响小，而且能良好保持其可溶性糖分含量[90]。本课题组前期[91]研究也证实浓度为50 μmol/L的姜黄素-PDT处理鲜切哈密瓜60 min，能使其细菌总数减少约1.8 lg（CFU/g），并较好的维持可溶性固形物含量、色泽、硬度、含水量及感官品质。

PDT在肉禽制品保鲜领域也崭露头角。叶绿素镁钠盐是一种天然叶绿素或叶绿素衍生物，已被批准可作为食品着色剂使用[92]。研究表明，加入适量叶绿素镁钠盐可有效延长冷链销售的盐水鸡货架期约一周[93]，这是由于叶绿素镁钠盐能够被激活产生光动力作用，破坏微生物的细胞结构，起到抗菌保鲜的效果。

5.3 光动力技术在食品包装的应用

PS结合传统的包装材料制备具有杀菌活性的复合包装薄膜已经受到人们广泛关注[94]。张权[95]制作了P（MMA-co-MAA）/MMT复合纳米纤维，可灭活99.9%以上的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，并可循环多次使用保持其抗菌效率。除了抗菌包装，可快速降解包装也得到学者的关注，张妍等[96]在PVC中加入橙黄Ⅱ制出可光降解固相复合膜，在300 W汞灯照射下，橙黄Ⅱ能加速PVC的降解，此项发明为减少食品包装废料作出了一定贡献。

5.4 光动力技术在水体消毒的应用

PDT还被证实可用于水体消毒。Bonnett R等[97]构建了新型ZnPcS/壳聚糖膜，其介导的PDT能有效降低水流中的微生物水平。Kuznetsova N A等[98]合成了一种新型非均相光敏剂，实验表明，硅胶结合酞菁在光激发下能有效灭活大肠杆菌，可用于水的净化消毒。刘一鸣等[99]测评了姜黄素-PDT对海水、桶装水、矿泉水的消毒效果，发现此技术能将水体中的细菌总数降低至标准要求，而且不产生副产物。

6 展 望

光动力技术作为一种新型杀菌技术，具有安全环保、操作简便、耗能低等优点，其在食品杀菌方面展现难以媲美的优势和潜力，将其应用于食品保鲜、食品包装、水消毒等方面能有效控制食品微生物，但由于食品复杂多样，光动力技术在食品工业中的应用仍需进一步探索。我们还需要筛选更多有效天然光敏剂或者对已有光敏剂进行结构改造、修饰，或者联合其他杀菌技术，寻找并攻克限制光动力技术发展的因素，如食品几何结构和表面性质等；此外，还必须致力于研究光动力技术对食品理化特性、结构特性和营养特性等的影响，提高光动力杀菌功效，减少因食源性疾病引起的食品安全事故，增加光动力技术在食品工业中的创新与应用。