《食品科学》：东北农业大学孔保华教授等：光动力灭活

　　细菌、真菌、病毒等微生物都会导致食品污染，进而缩短食品货架期，甚至是食源性中毒。 与传统上午化学杀菌和加热杀菌技术相比，非热物理杀菌技术可以更好地保持食品营养与感官特性，其中光动力灭活（PDI）更是被视作一种有效的细菌灭活策略。PDI也称光动力疗法或光动力杀菌，它是利用光和光敏剂（PS）来达到抑制微生物生物活性的目的，具有杀菌效果好、成本低、对环境友好、安全等优点。

　　东北农业大学食品学院的范宇航，周雅菲，孔保华*等人 阐述了PDI技术的基本原理和主要组成，对食源性微生物及其相关特征进行了介绍，并分析了PDI的具体抗菌机理，最后总结了PDI在食品中的应用情况，以期使PDI技术在食品的抑菌和保鲜领域中得到更多的关注。

　　光敏化过程主要由3 个部分组成，包括PS、光源和分子氧（3O2）。PDI的基本原理如图1所示。基态光敏剂（0PS）在光源的激活下会跃迁为单重态（1PS*）。1PS*是不稳定的，容易在荧光发射条件下再次转换为基态的形式。系间窜越是指处于激发态分子的电子发生自旋反转而使分子的多重性发生变化的非辐射跃迁的过程。1PS*也可以系间窜越成相对稳定的激发三重态（3PS*），3PS*通过磷光释放多余的能量可以再次回到基态。在3PS*状态下会发生两类反应：I型反应机制为3PS*与周围的有机物和基态氧反应，从它们中获得电子，生成活性氧（ROS），如过氧化氢（H2O2）、超氧阴离子（O2-•）、羟自由基（•OH）和单线）等。II型反应机制为3PS*将能量传递给三线）反应生成单线）。PDI过程是I型机制和II型机制的组合。在实际过程中，这两类机制常常同时存在。I型机制和II型机制反应产生的ROS以及自由基的混合物会引起生物分子氧化和细胞损伤，在抑制微生物的生长过程中发挥重要作用。

　　PS是指一种能够吸收光子而被激发的物质，它可以将吸收的光能传递给另一组分的分子，使其被激发，而它本身回到基态，它在PDI技术中扮演着最为重要的角色。许多细菌和真菌天然含有内源PS，如卟啉和细胞色素等，但杀菌效果并不十分显著。PS分类方法较多，按照时间发展顺序可以分为3代：第一代为卟啉类化合物，第二代包括卟啉衍生物与金属酞菁、稠环醌类等化合物，相较于第一代其光敏期更短，作用的光波波长更长、作用深度更深。第三代PS是在传统PS的基础上结合了相关特异性因子，进一步提高了PS的靶向作用和特异性。近年来凭借来源稳定、毒副作用小、光效高等特点，天然PS已然成为食品保鲜领域应用最具潜力的PS种类。但由于其受到波长范围、病源菌种类的限制，需要对天然PS进行一定的改造与修饰，包括纳米化、多肽修饰和糖基与糖肽修饰。

　　光源是PDI的组成部分之一，在光敏化过程中起到激活PS的作用，其发光波长、照光方式以及剂量直接决定了PDI的效果。不同光源类型的发射波长和功率等特性上存在着一定的差异，在实际应用中需要考虑相关特性选择合适的光源。PDI的光源分为相干光源和非相干光源两类：相干光源一般是由激光器发射产生的，典型光源包括金属蒸汽激光器、氦氖激光器、氩离子激光器、Nd：YAG激光器、半导体激光器，其具有灭活效果良好、操作简便、耗能较低等优点，在PDI中取得了一定的应用。非相干光源主要包括白炽灯和发光二极管（LED），其中LED是近年来快速发展的一种光源，已经呈现出替代激光的明显趋势。它不仅在发光效率、输出功率和稳定性等性能方面有所提升，而且价格低廉耐用、可与其他技术结合共同提高灭活效果。

　　在增殖过程中，一些污染菌可产生毒力因子和毒素等有害物质，进而会导致各种感染，诱发疾病。细菌性污染是数量最多、涉及面最广的一类食品污染，具有易发性和普遍性的特点，其中金葡萄球菌在细菌污染中占到了大多数。金葡萄球菌（Staphylococcus aureus）属于革兰氏阳性和共生细菌，它可以在的皮肤、鼻孔和胃肠道中定植，通过接触或者呼吸道分泌物定植的方式污染食物，从而导致葡萄球菌性食物中毒，极少数情况下还会危及生命。它的抗性很强，可以生长在温度范围为7.0～48.5 ℃（最适30～37 ℃）、pH值范围为4.2～9.3（最适7.0～7.5）和氯化钠质量分数高达15%的环境中，因此葡萄球菌性食品污染已经成为食品工业和医疗保健中一个无法忽视的问题。大肠杆菌（Escherichia coli）也是一种常见食源性疾病的病原体，它通过整合子、可传播质粒和转座子传播抗生素耐药性基因，这会对环境造成巨大的威胁，涉及到的污染对象包括农田、、食品和野生动物。尤其是血清型O157:H7，因其极强的传染性、致病性和病死率受到广泛关注，大肠杆菌O157:H7目前尚无有效的治疗方案。

　　产生霉菌毒素的真菌主要属于青霉菌、曲霉、镰刀菌和其他丝状霉菌。与细菌不同，真菌的细胞壁含有几丁质、葡聚糖、脂蛋白和一个中等通透性屏障。在相同条件下，真菌的抗性更强，产生的真菌毒素在生物合成后可以在食品中长期存在。真菌毒素污染范围广，具有致畸、致癌和致突变性等特点，普遍存在于农副产品和动物饲料中，全世界每年由于霉变污染真菌毒素引起的经济损失达到了数百亿美元。

　　由于难以进行细胞培养或培养后不呈现细胞病理效应，食源性病毒一直没有得到有效控制，对公共健康卫生造成了严重的威胁。病毒由核酸（一般为DNA或RNA）组成，包裹在衣壳的蛋白质外壳内。它的体积微小，直径在17～300 nm，通过粪口途径或畜禽产品载体传播，极少量就能导致机体发病。按照来源可以分为肠道食源性病毒和人畜共患的食源性病毒两类。与细菌不同，病毒不能在食物中复制，因此受污染的食物作为媒介感染的能力取决于病毒稳定性和宿主敏感性。大多数流行病都与诺如病毒（norovirus）和甲型肝炎病毒（hepatitis A virus）有关，其次是戊型肝炎病毒（hepatitis E virus）、沙波病毒（sabo virus）、轮状病毒（rotavirus），也可能会对人类构成一定威胁。病毒的食源性疾病暴发通常与生食有关，如贝类、水果和蔬菜。病毒能够在植物、动物和中引起多种疾病，其中幼儿、老年人和免疫功能低下者因食源性病毒而患病的概率最高。

　　除食源性致病性细菌、真菌和病毒外，螺旋体（spirochete）、弓形虫（Toxoplasma gondii）等致病病原体也会引起食源性疾病，危害健康。食品中的常见污染物及其感染途径和食品媒介等内容见表1。

　　PDI对于食源性微生物的主要抑菌机制包括破坏微生物结构和功能、氧化细胞内大分子物质、抑制群体感应、弱化毒力因子和破坏生物膜结构（图2）。

　　在光敏化处理中，细胞壁外部成分和细胞内细胞器都是PDI的潜在靶点，作为灭活这些微生物的作用位点。研究表明，PDI在PS的作用下会靶向对微生物细胞结构造成损伤，如质膜透化、细胞内容物流出等，促使微生物代谢紊乱和死亡。Hyun等研究了460～470 nm LED照射对琼脂培养基和包装切片奶酪的表面致病菌和菌的抑菌效果，在4 ℃下460～470 nm LED照射4 d后通过透射电子显微镜观察到单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）（以下简称单增李斯特菌）细胞膜破裂和细胞质成分流出的完整过程（图3），发现单增李斯特菌的细胞损伤与RNA、蛋白质和肽聚糖代谢有关。微生物的膜电位和呼吸等功能在光敏化过程中也会受到一定影响。

　　作为所有微生物及其衍生物的主要成分，蛋白质、脂类和核酸等生物大分子在PDI过程中起到了生物靶标的作用。在光敏化过程中，利用可见光或近红外光激发PS产生单线态氧和其他ROS，这些ROS携带自由基或自由基离子，会作用于核酸、蛋白质和不饱和脂肪酸等生物大分子，引发细胞凋亡和损伤。

　　细胞产生信号分子并释放到环境中，当环境中信号分子的浓度达到某一阈值后，细胞开启细胞密度依赖的特定基因的表达，这一机制称作群体感应。当前对于群体感应的研究主要集中在革兰氏阴性菌上，细菌通过群体感应作用产生和释放类激素分子——自诱导物，并积聚在细菌细胞的外环境中，其中信号分子分为酰基高丝氨酸内酯类分子、寡肽类分子、AI-2信号分子和其他的信号分子4 类。PDI对于微生物群体感应的作用机制主要集中在相关表达基因和产生群体效应的信号分子上，作用效果往往受到细菌种类、PS浓度、光照剂量的影响。

　　PDI可以减轻或消除毒力因子对于细胞的伤害。它可以调节基因表达，减少毒力因子的产生、减弱毒力因子的活性或将其直接灭活。 毒力因子的抑制效果受到PS浓度和光照剂量的影响。

　　生物膜是指由于细菌通常附着于物体表面，和胞外分泌物聚集形成的复杂的群落组织。它在食品工业中普遍存在，如食品、设备表面（传送带、管道等）和包装材料（玻璃、聚苯乙烯等）。作为微生物污染的媒介，它能够保护病原菌与菌免受环境胁迫、作为致病基因水平基因转移的热点、将原本良性的菌株转化为病原菌以及为抗微生物突变活动提供生态位。近年来PDI在破坏污染物生物膜和抗菌中表现出了巨大的潜力，许多研究探讨了PDI在食品保鲜中的应用和发展趋势。PDI对于生物膜的作用机制包括破坏生物膜生物分子、调节生物膜的基因表达、破坏与降解胞外聚合物、产生ROS等。PDI抗生物膜效率主要受到光工程变量、PS的结构和剂量、生物膜类型（单/多种、厚度、结构等）、接触面（疏水性、电荷等）和食品环境因素的影响。

　　PDI在食品保鲜中具有延缓果实衰老、防止食品变质、提高食品营养品质、调节果实成熟时间等积极作用，其效果主要受到PS的理化性质、光照特性、食品基质、目标微生物等因素的影响。凭借其低成本、易于控制、灭菌效果好等优。