姜黄素介导的光动力杀菌在食品中的潜在应用

◎ 李雪娜

（国家轻工业食品质量监督检测南京站，江苏 南京 210000）

尽管食品工业引入了广泛的杀菌技术，但受能源消耗、可持续性、成本效益以及在农场层面可行性等因素的影响，食品杀菌技术还存在一些问题。例如新鲜果蔬如果处理不当，由于易腐性高，几天内就会变质，造成经济损失。一些食品正面临着耐抗生素微生物的挑战，而现有的杀菌技术应对这些挑战效果不佳。另一些杀菌技术，如紫外线和脉冲电场会对食品处理人员暴露在紫外线下的皮肤和眼睛造成伤害。因此，食品工业对于新的杀菌技术需求迫切[1]。

1 光动力杀菌

光敏化反应也称为光动力杀菌，通过光照射光敏剂实现对周边环境的杀菌效果。该杀菌方法原本应用在医学中，最近其在食品中潜在的应用前景引起了人们的兴趣。据报道，光动力杀菌在食品基质中有很好的作用效果。同时，光敏剂对营养细胞、孢子和生物膜具有致死作用，而对周围环境没有不利影响，目前还没有关于光敏化的微生物耐药性的报道。

与其他现有杀菌技术相比，光动力杀菌的优点包括：①高效、经济。②可再生。③易于维护。④安全性高。然而，该技术的主要缺点是不能穿透食品外层，因此更适用于食品外表面、食品外包装或食品设施的消毒杀菌。在很大程度上，这项技术为食品工业开辟了新的道路，使用光动力杀菌技术对产品进行消毒时不仅安全性更高，而且可以保持处理后食品的质量[2]。本文介绍了姜黄素作为一种天然光敏剂，其作用于细菌的机制和这项创新技术在食品工业中的潜力。

2 姜黄素

姜黄素（C21H20O6）是从姜黄根状茎（姜科）中提取的一种多酚化合物，在中国和印度医学中有着长期的传统应用。姜黄素目前已被批准作为一种安全的食品添加剂（联合国粮食及农业组织建议将200 mg·kg-1作为姜黄素消费量的安全限值）。姜黄素的天然特性使它在各种即食食品和饮料中有着较多的应用。

姜黄素作为一种天然光敏剂，其杀菌具有广谱的有效性和可用性[3]。姜黄素的4种主要结构如图1所示，其最稳定和最不稳定的结构分别是双脱甲氧基姜黄素和姜黄素。市售姜黄素由77%姜黄素、17%脱甲氧基姜黄素和3%双脱甲氧基姜黄素组成，其中后者是姜黄呈黄色的主要原因。

图1 姜黄素化学结构图

2.1 溶解度

姜黄素在水中的溶解度较低和化学稳定性差（特别是在碱性溶液中），对其有效利用受到限制。不同的因素影响姜黄素的溶解速率，例如姜黄素晶体的性质（结构、形态、结晶度和表面积）、溶剂和应用的物理条件（温度、搅拌速度和超声处理）[4]。姜黄素具有很高的亲脂性，易溶于极性溶剂，如丁酮、异丙醇、乙醇、丙酮。为了提高姜黄素在水溶液中的溶解度且避免其化学降解，人们广泛研究了各种封装包被技术。一项研究表明，通过将姜黄素包被在大豆分离蛋白中进行喷雾干燥，姜黄素在水中的溶解度增加了812倍。

2.2 杀菌作用

姜黄素介导的光动力对革兰氏阴性和阳性菌均有杀菌作用，包括单核细胞增生李斯特菌、副溶血性弧菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌等食源性致病菌。与浮游细胞相比，细菌形成的生物被膜是一组包围在细胞体周围的聚合物基质，增强了细菌细胞对抗生素的抗性。实验证实，光动力杀菌技术可有效消除这些被生物被膜包围的细菌[5]。在液体培养基条件下，在大肠杆菌中使用1.60 mmol·L-1姜黄素可降低约 8 logCFU·mL-1，20 μmol·L-1姜黄素可分别减少 5.94 logCFU·mL-1大肠杆菌和 5.91 logCFU·mL-1金黄色葡萄球菌[6]。

姜黄素介导的光动力杀菌效果可能取决于姜黄素浓度、光剂量、环境pH等因素。理论上，光敏剂的活化和活性氧的产生与光剂量相关，并直接影响到杀菌效果。然而，光剂量对杀菌效果的影响在文献报道中并不一致。通过将光剂量从10增加到100 J·cm-2，金黄色葡萄球菌的减少量呈增加趋势，显示出了杀菌效果对光剂量的依赖性。然而，另一研究结果表明姜黄素没有光剂量的依赖性。在 24 J·cm-2、48 J·cm-2和72 J·cm-2的不同光照剂量下，使用 8 000 μmol·L-1姜黄素对变形链球菌的杀菌效果相似[7]。

环境pH可对姜黄素介导的光动力的杀菌效果产生影响。通过添加柠檬酸将姜黄素溶液pH值从6降到2.5，光照后的大肠杆菌O157∶H7和单增李斯特菌分别减少 5 logCFU·mL-1和 3 logCFU·mL-1，结果显示酸性环境有利于姜黄素的杀菌[8]。这可能是由于柠檬酸增加了细胞膜通透性或提高了微生物细胞代谢活性，从而有更多的姜黄素进入到细胞内。

姜黄素通过细胞膜进入细胞是姜黄素光敏化过程中的关键步骤。针对细胞膜损伤的亚致死细菌，姜黄素光动力杀菌效果会更好。革兰氏阴性菌由于膜蛋白、脂多糖三聚体和脂蛋白，具有负电荷特性，使其更具耐药性。为提高革兰氏阴性菌对光敏剂的吸收，光敏剂应该携带更多正电荷。如通过使用氯化钙等化合物可以增加姜黄素携带正电荷的概率，从而增加姜黄素对革兰氏阴性细菌的渗透，从而提高光动力的杀菌效果。相比之下，细胞质膜包被的革兰氏阳性细菌细胞外部被40～80 nm的肽聚糖壁包围，孔隙相对较大，对渗透没有屏障功能，姜黄素更容易进入到其细胞中。

2.3 在食品中的应用

姜黄素的光敏化需要430 nm左右的蓝光，这种光的穿透能力较弱，因此姜黄素光动力杀菌主要可用于食品或加工设施的表面杀菌。如姜黄素（10 mg·L-1，pH 3.0）喷洒在接种了大肠杆菌O157∶H7和单增李斯特菌的莴苣、菠菜和番茄表面上，并在蓝光下照射，导致两种致病菌减少约3 logCFU·cm-2，而对颜色和颜色没有产生不利影响[9]。同时，食品形状和结构的复杂性也会影响表面杀菌效果。与球形等更复杂的几何结构食品相比，扁平的食品光动力杀菌效果更好。球形食品（如绿豆）在照明过程中需要旋转才能获得满意的结果。然而，无论姜黄素浓度如何，使用二维光源对更复杂的几何结构（如绿豆芽）都是无效的，这与发芽种子表面不平整有关，建议采用旋转光源或研制三维光源。

研究表明，与超声波处理进行结合，可增强姜黄素介导的光动力杀菌对橙汁的杀菌效果。结果显示在橙汁中，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌浓度分别下降了2.35 logCFU·mL-1和 4.26 logCFU·mL-1。与光照前未对橙汁进行超声处理相比，金黄色葡萄球菌的浓度变化不大，但大肠杆菌的浓度显著下降[10]。与金黄色葡萄球菌相比，单独使用超声波灭活大肠杆菌显示出相当大的潜力。

2.4 对食品的质量和感官影响

维护食品质量属性（如外观、颜色、食品的营养特性）以及感官特性是衡量杀菌技术的重要指标。随着姜黄素浓度的升高，可能会在食品表面呈现黄色，对原有食品颜色的表现有一定的不利影响。但是，姜黄素对食品中的部分易褐变成分（如氨基酸、脂肪酸）具有抑制作用。姜黄素对牡蛎中的风味化合物、游离氨基酸、脂肪酸（总饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸）和脂类具有显著的保护作用，牡蛎的感官特性不受应用姜黄素浓度的影响[11]。

3 结语

食品工业的首要任务是延长保质期，保持食品的安全、感官和营养属性。食品工业中使用的各种杀菌技术，存在耗时长、价格昂贵、对耐药微生物和孢子缺乏有效性以及对食品的质量和感官产生不利影响的缺点。姜黄素介导的光动力杀菌是一种解决上述问题的潜在杀菌技术，它在各种食品中的适用性正被广泛研究，无论是新鲜食品还是加工食品，都显示出了良好的杀菌效果，且对加工食品的感官质量产生的不良影响较小。