納米二氧化鈦光催化技術抑菌機制及其在食品包裝中的應用研究進展

扈瑩瑩，李其軒，劉昊天，孔保華，陳 倩*

（東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

食品加工通常采用高溫消毒或巴氏殺菌熱處理方式來保證食品安全，但熱處理可在短時間內破壞微生物及酶類活性，導致食品的營養素流失和感官品質劣變[1]。隨著工業的發展和新興技術的更替，非熱技術應運而生，成為食品貯藏保鮮的常用手段。非熱技術在滅活微生物和酶的同時保證了產品的品質，減少了食品中防腐劑的使用，具有很高的市場需求。目前，新型非熱技術主要有高靜水壓、臭氧、脈沖電場、γ輻射、低溫等離子體和光催化技術。其中，納米二氧化鈦（TiO2）光催化（TiO2photocatalysis，TPC）技術因具有高抗菌活性、無毒、環保、高化學穩定性和低成本的特點而具有廣泛的市場前景和應用價值[2]。

TPC技術是一種先進的氧化工藝技術。該技術通過在TiO2表面產生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）來氧化幾乎所有的有機污染物，同時不產生有害物質[3]。TPC技術在廢水的處理、大氣環境中污染物的降解、抗菌以及太陽能轉化等方面的應用均已成熟。很多學者發現TPC技術在食品領域也具有廣闊前景，其在新鮮農產品的表面消毒、飲料巴氏殺菌和抗微生物食品包裝等方面已得到了初步的應用。微生物污染是食源性疾病暴發的根本原因，應當加以重視和控制，保證食品的安全[2]。使用TPC技術不僅可以降低食品中食源性疾病暴發的風險，也可以滿足消費者對高營養、安全健康食品的需求[2]。本文簡述了TPC技術作用原理，包括其光催化機制和抑菌機理，綜述了其在食品包裝方面應用，最后對提高TPC技術的光活性進行了討論，以期為食品包裝方面的研究提供一定的理論依據。

1 TPC技術概述

TPC技術是一種利用半導體將光能轉變為化學能的技術。半導體在光催化作用下發生電子的轉移和躍遷，是催化劑及表面吸附物多相之間的光化學反應[4]。通過對鈦酸鍶、硫化鎘、氧化鋅和TiO2等多種半導體的光催化劑效率的研究，科學家發現TiO2是最活躍的催化劑，特別是納米級別的TiO2，其表面效應和宏觀光電隧道效應可以有效地進行催化氧化[5]。TiO2具有3 種晶體結構，包括銳鈦礦、金紅石和板鈦礦。銳鈦礦光催化活性最高，生物惰性和耐化學分解能力最強，在紫外線（波長小于385 nm）的照射下具有強氧化能力。并且經紫外照射的納米TiO2能產生較多的ROS[6]。TiO2粒徑越小，比表面積越大，越容易與機體發生反應，可以重復使用，并且其催化活性基本不損失。因此，銳鈦礦可作為TPC技術的主要材料，廣泛用于食品、醫藥等行業[7]。

2 TPC技術作用原理

光催化是一種非均相反應，是發生在催化劑表面，加速催化劑將光能轉化為化學能的過程[4]，包括激發、氧化還原反應和重組過程，并可以實現催化劑的費米能級與表面吸附劑之間的電位平衡[8]。TiO2屬于n型半導體，具有光敏導電性、氧化能力強、化學性質穩定、能耗低、耐腐蝕、安全無毒等特點[9-10]，表面大部分是氧空位，可以被認為是不成對的電子，利于轉移[11]。

TiO2表現出較高的光電活性可根據能帶理論來闡述（圖1），半導體TiO2的能帶是不連續的，其粒子的能帶結構由填滿電子的低能價帶和空的高能導帶構成，它們之間由禁帶分開，價帶和導帶之間的帶隙能量為3.2 eV，其能量相當于波長為387.5 nm的紫外光，當能量大于其帶隙能的光照射到催化劑表面，約為340～350 nm的A頻紫外光照下，就會激發半導體內的電子從低能價帶躍遷至高能導帶，產生一對帶負電的自由電子和帶正電的電子空穴：[TiO2+hγ gamma→（TiO2）h++（TiO2）e-][12]。電子在導帶內自由遷移，可以轉移到催化劑的表面，也可以通過來自相鄰分子的電子遷移來填充空穴，留下具有空穴的電子，并且可以重復該過程。這些光生電子（e-）和空穴（h+）與吸附在催化劑表面上的物質發生一系列的化學反應，帶負電的電子與吸附在半導體表面的H2O發生反應，帶正電的空穴與O2發生反應，生成超氧陰離子自由基（O2-·）、羥自由基（·OH）和過氧化氫（H2O2）等，這些基團被認為是光催化反應中的主要ROS，有強氧化能力，能夠氧化分子中的CüH鍵，從而分解和清除附著在TiO2表面的各種有機污染物[13]。

圖 1 TiO2光催化機理[14]Fig. 1 Mechanism of TiO2 photocatalysis[14]

光催化反應的量子效率取決于電子和空穴的復合幾率，在光子激發后不會立即重新組合，在沒有電子清除劑的情況下，光激發電子在幾納秒內會與價帶孔重新結合，同時耗散熱能[15]。因此，電子清除劑的存在對于延長光催化的重組和成功運作是至關重要的。氧的存在會阻止電子和空穴的重組，同時形成O2-·，該基團可以進一步質子化以分別形成氫過氧自由基（HO2-·）和隨后的H2O2，其中HO2-·具有清除特性。因此，這些自由基的共存可以在整個光催化反應中雙倍地延長電子和空穴的重組時間，更高效地消除有機污染物和消滅微生物。

光催化反應可分為5 個步驟[16]，如圖2所示：1）將液相中的有機污染物A傳遞到TiO2表面；2）有機污染物A吸附到光子活化的TiO2表面上（即通過光子能量的表面活化）；3）TiO2表面上吸附相的光催化反應（A→B）；4）從TiO2表面解吸中間體B；5）中間體從界面區域擴散到外部。在TiO2表面的光降解中已經廣泛研究了許多有機物（如苯酚、氯酚、草酸）的降解機理，芳香族化合物可被活性·OH基團羥基化，導致連續氧化/加成并最終開環，得到的中間體主要是醛和羧酸，其將進一步羧化產生無害的二氧化碳和水，達到降解污染物的目的[17]。

圖 2 光催化反應步驟[16]Fig. 2 Steps of photocatalytic reaction[16]

3 TPC技術的抑菌機制

圖 3 TPC技術滅菌過程[19]Fig. 3 Schematic of the TPC sterilization process[19]

TiO2本身不是抗菌材料，其抗菌機理是光催化抗菌，在紫外光的照射下會產生一些氧化能力很強的ROS，直接攻擊微生物細胞，使細胞蛋白質變異和脂類分解，以此殺死病菌并使之分解[18]。如圖3所示，在紫外光激發下，體系內產生的ROS對細胞的結構和功能造成傷害，包括破壞細胞質膜、超卷曲質粒DNA以及內部細胞器。此外，通過引起細胞滲透性的顯著紊亂，多不飽和磷脂的損傷和細胞壁結構的破壞促使細胞死亡。因此，TPC技術可有效地滅活微生物，包括細菌、真菌、藻類和病毒等[18]。

圖 4 TPC技術滅菌過程[17]Fig. 4 Schematic of the TPC sterilization process[17]

TPC技術對微生物的具體作用機制如圖4所示，紫外光照射下，體系內產生的ROS與細菌接觸（步驟1）；然后對細胞壁脂多糖層和肽聚糖層的位點進行攻擊，脂質膜的過氧化以及蛋白質膜上的最終氧化導致細菌膜受損（步驟2）；細胞滲透性隨之增加，導致細菌細胞中的離子和小分子物質泄漏，該步驟不可逆地破壞了細胞功能，直接降低細胞活力（步驟3）；最后，細胞組分降解，通常與細胞膜的多不飽和磷脂組分的過氧化有關（即必需細胞功能的喪失），導致細胞死亡（步驟4）。另一方面，過氧化物基團壽命長，更有效地攻擊磷脂、多糖和肽聚糖的細胞外物質，以及酶、輔酶和核酸等細胞內物質，由于其與多不飽和脂肪酸作用引起過氧化反應，具有很強的抗菌作用[20]。

TiO2的光生電子和空穴可以直接和細菌的細胞壁或內部組分發生生化反應，使細菌滅活。與常規氯、銀等殺菌劑不同的是，TiO2光催化不僅能夠殺滅細菌，同時可降解細菌釋放出的有毒物質，避免了細菌被殺死后釋放內毒素造成的二次污染[21]。Cho等[22]發現納米TiO2在紫外光下產生的·OH在滅活大腸桿菌方面比氯和臭氧等化學消毒劑更有效。Sondi等[23]對比了目前廣泛用作抗微生物納米顆粒的納米金屬Ag，納米TiO2成本更低，并且能在更短的作用時間（約2 h）顯示抗菌效果，而Ag需要約24 h才能顯示其抗菌效果。

4 在食品包裝中的應用

TiO2在催化過程中具有較強的抑菌作用，不會隨著細胞死亡和自身消耗而降低，不僅可以作為半導體材料產生光電效應，也可用于糖果、調味品和某些粉狀食品，特別是其可直接用于與食品接觸的包裝材料，如瓶子、牛奶盒和包裝箔等[24-27]，同時也應用在農產品的表面消毒和收獲后的疾病控制等方面[7,28]。因此，可采用TPC技術滅活食品中的微生物來確保其質量安全。

TiO2的抗微生物包裝對食源性病原體如鼠傷寒沙門氏菌、副溶血性弧菌和單核細胞增生李斯特菌等均有抵抗作用。Kubacka等[29]將TiO2納米顆粒摻入食品包裝共聚物（乙烯-乙烯醇）中合成了新型抗微生物并且具有光降解性質的聚合物基納米復合材料，研究發現這些材料在殺死革蘭氏陽性（糞腸球菌）和陰性細菌（銅綠假單胞菌）方面表現顯著。此外，劉達玉等[30]將納米TiO2按照一定比例加入聚乙烯薄膜中，制備出聚合物基納米復合保鮮包裝材料，與傳統保鮮袋相比，納米保鮮袋具有較高的機械性能、優異的物理化學性能、優良的加工性能以及較好的生態性能。Bodaghi等[31]研究用TiO2納米復合薄膜包裝的新鮮梨，在紫外燈照射下梨表面的假單胞菌屬、黏液霉菌和嗜溫細菌失活，其制備光催化劑薄膜可以有效地用于水果包裝。Maneerat等[32]發現涂有TiO2的薄膜還可降低檸檬中的褐色病變和青霉菌腐爛感染，TiO2薄膜可有效抑制檸檬的腐爛。陳建中等[33]優選納米TiO2殼聚糖中草藥復方涂膜保鮮劑配方，制備出一種具有保水作用的復合膜，該復合膜能減少果實內部水分的蒸發，抑制氣體交換，Li Dongdong等[34]使用納米TiO2-低密度聚乙烯包裝材料也可以降低草莓的腐爛程度，抑制了乙烯的產生，可以顯著提高草莓的保鮮效果。

TPC技術除了在水果包裝中起到很好的抑菌效果外，在農產品、肉制品和奶酪的包裝方面也有所應用。Long Men等[4]發現納米TiO2在紫外光下對肉制品中常見的革蘭氏陰性菌鼠傷寒沙門氏菌和革蘭氏陽性菌單核細胞增生李斯特菌兩種典型致病菌具有強烈的滅活作用。TiO2與病原體細胞結合，在紫外線下破壞了細胞壁，TiO2通過受損的細胞壁進入細胞，細胞內容物從細胞中釋放，隨后導致細胞死亡。Wang Jiamei等[35]采用TPC技術處理來自雞肉的腐敗微生物，包括熒光假單胞菌和大腸桿菌，結果發現，微生物種類和數量隨著TiO2含量和光強度的增加而降低。在細胞死亡之前也觀察到脂質過氧化增加和細胞膜完整性受損。這些研究均表明，基于納米粒子的抗菌包裝系統在肉制品中應用的潛力。此外，Gumiero等[36]發現TiO2光催化劑可以氧化合適的有機分子，由TiO2介導的光降解過程導致二氧化碳生成，光催化增強了短熟奶酪的結構和微生物穩定性，因此可通過這種方式延長短熟奶酪的保質期。Shahbaz等[37]研究使用TPC技術延長韓國大米、麥芽飲料等產品的保質期時，發現TPC技術與熱處理對抑制需氧菌和大腸菌群的再活化具有相同效果。

5 提高TPC技術的光催化活性策略

盡管TPC技術在太陽能轉化、抗菌和食品包裝等方面已得到了應用，但由于技術的反應能力受很多因素影響，如TiO2晶體結構、晶格缺陷、鏡面狀態等，并且其光譜響應與禁帶寬度有關，TiO2的禁帶寬度較寬，只有高于或等于半導體禁帶寬度的光線照射才能激發其電子的躍遷，產生光催化作用，因此通常采用波長較短的紫外線而不是波長較長的紅外線或太陽光，產生的電子和空穴在催化劑的表面或內部極易復合（約90%）等[14]，這些缺陷極大地限制了它在光催化領域的應用。因此，提高TPC技術的光活性是催化領域研究的熱點[38]。對TiO2進行改性或與其他技術的結合使用，可有效提高光催化效率，使其高效地應用在食品等各個領域。目前，常采用的改性方法有復合半導體、摻雜金屬離子和沉積改性等，也可與膜分離技術、超聲技術、高壓技術等結合使用。

5.1 復合半導體

利用兩個半導體之間的能級差異，抑制電子與空穴的復合，使電荷有效分離，擴展光能激發的范圍。復合半導體比單個半導體具有更高的催化活性，主要是由于復合半導體光催化劑粒子粒徑更加細小，能產生量子尺寸效應，使氧化還原勢增大，光催化反應驅動力增大，導致復合半導體光催化活性增強[17]。SnO2-TiO2復合半導體催化劑在紫外光照射下光生電子易于從TiO2表面向SnO2轉移，電子在SnO2上富集，將O2還原為O2-·相應減少了TiO2表面電子密度；而光生空穴較容易從SnO2的表面轉移到TiO2上，從而減少了電子與光生空穴在催化劑表面的復合幾率，提高了復合半導體的光催化活性，促進光生電子運輸和與空穴的有效分離，而且還能提高對可見光的利用[39]。此外，多孔型TiO2-SiO2納米復合粒子能夠提高微粒分散性、降低電子躍遷帶隙能、增強粒子吸附能力和降低樣品濕度等，比單純的TiO2具有更好的殺菌作用[40]。另外，Piszcz等[41]發現采用溶膠-凝膠法制備WO3-TiO2復合半導催化劑，也可有效降低受激發電子和空穴的復合，使得形成·OH的效率更高。

5.2 摻雜金屬離子

摻雜金屬離子后，TiO2會發生如下變化：1）TiO2的能級發生分裂，能帶結構更加致密，能帶之間的距離變窄，表明TiO2產生了許多新能級（稱為雜質能級），能級間的寬度變窄，使電子在能級間躍遷變得容易；2）TiO2的禁帶寬度變窄，可以使吸收波長紅移；3）TiO2的Fermi能級向上移動，越來越靠近價帶頂；4）TiO2的禁帶向下移動。這些變化均表明TiO2參雜金屬后其中的電子躍遷更容易發生，而且降低發生躍遷需要的能量。研究發現Fe3+不僅在TiO2禁帶寬度變窄和擴展光催化劑的可見光響應中起到重要作用，而且也有助于抑制光生電子和空穴對復合，Fe3+俘獲光生電子以后，光生空穴能夠繼續擴散到TiO2表面發生表面化學反應，生成具有強氧化能力的活性物質O2-·和·OH[42]。此外，摻雜Cu2+的TiO2光催化活性亦顯著提高[43]。

5.3 沉積改性

沉積改性是將貴金屬沉積在TiO2的表面，利于光生電子和空穴的有效分離，抑制光生電子與空穴的復合[44]。廖斌等[45]發現金屬Ag顆粒的沉積使得樣品在紫外光下的光電響應能力和光催化降解能力都有不同程度的提高。此外，趙曉萌等[46]研究了不同溫度對Ag在TiO2表面的沉積效果及其光催化性能的影響，發現當煅燒溫度升高，銳鈦礦型TiO2晶體的結晶度提高、含量增加，光生電子向沉積的Ag上遷移，促使光生電子與空穴分離，使光催化活性增強。

5.4 與其他技術的結合

由于TPC技術只能在高能量的紫外光照射下才會發生能量轉化，而且較長的處理時間和懸浮固體會造成光學衰減，為了克服這種限制提高處理效率，可適當地設計紫外室、調節流速、將諸如脈沖光、高壓處理和溫和熱處理等方式與TPC技術結合。Chai等[47]發現將TPC技術與高壓處理結合使用，柚子果汁中沒有檢測到酵母和霉菌、大腸桿菌、假單胞菌或蠟狀芽孢桿菌的菌落。Yoo等[48]發現TPC技術處理（17.2 mW/cm2、20 min）結合高靜水壓（500 MPa）處理橙子果汁，可有效減少5 個對數的大腸桿菌，保證了產品的安全性和質量。

6 安全性評價

TiO2作為食品添加劑可以用于果凍、油炸食品、可可制品、糖果和沙拉醬等[49]，但是常規微米級TiO2是微溶低毒的，一些研究表明納米TiO2的毒性顯著高于微米級。食品包裝的主要目的是防止食品被微生物等污染，延長食品的保質期，但是食品包裝材料本身的質量安全問題不容忽視。因此需要對納米TiO2進行安全性評價，主要從遷移研究和毒理學研究兩方面進行。

6.1 遷移研究

納米材料從包裝到食品的遷移可能是由于包裝材料表面的擴散、溶解和摩擦造成的，納米材料向食品基質的遷移是復雜的，一些材料與有機物結合，而另一些材料溶解成離子或形成聚集體[51]。盧任杰等[52]研究聚酯類食品包裝材料中納米TiO2在食品模擬物中的遷移規律，結果發現遷移量隨溫度的升高及時間的延長而增加，食品的酸性越強，TiO2的遷移量越大。黃皓等[53]研究改性低密度聚乙烯薄膜中納米TiO2在食品模擬物中的遷移規律，發現TiO2在酸性食品中遷移量最高，而且溫度的升高能夠促進TiO2的遷移，該研究低于歐盟所規定的最大允許遷移量5 mg/kg，納米TiO2改性低密度聚乙烯薄膜能夠作為一種安全的食品包裝膜進行應用。Lian Zixuan等[54]將聚乙烯醇-殼聚糖-TiO2納米復合材料進行高靜水壓力處理，以獲得緊湊和穩定的薄膜，研究納米TiO2從薄膜向4 種食品模擬物（蒸餾水、橄欖油、乙醇和乙酸）中遷移的程度，結果表明11 h后只有極少量的TiO2（＜4.20h10-3‰）遷移到橄欖油中，而在其他幾種食品模擬物中未檢測到。綜上可知，納米材料中的TiO2遷移量很小而且在安全范圍內。此外，基于摻入納米鈦的低密度聚乙烯復合材料的遷移模型顯示，只有直徑小于3.5 nm的納米顆粒才能夠發生遷移，而實際上，復合材料中的大多數納米顆粒會形成直徑大于100 nm的團塊。摻入聚合物中的納米顆粒傾向于聚集并保持牢固地嵌入聚合物基質中不易發生遷移，特別是對于鈦等不易離子化的材料亦是如此[55]。

6.2 毒理學研究

納米材料的毒性可能受其表面形態、組成、電荷以及本身的化學性質的影響[51]。因此，還需要對納米材料的物理化學進行表征，對其體外和體內毒性進行測定，確定包裝中的納米顆粒在與食品接觸時是否有遷移以及遷移量，明確攝入它們對胃腸道和其他器官的影響。目前關于納米材料毒性的研究主要采用動物實驗，集中在研究組織影響、細胞毒性、對遺傳物質DNA分子的結構與表達的影響等方面[50]。Du Xiuming等[56]發現TiO2納米粒子不會誘導小鼠淋巴瘤L5178Y細胞和鼠傷寒沙門氏菌發生突變，不具有誘變毒性。而Sycheva等[57]通過連續7 d給小鼠灌胃TiO2（粒徑分別為33 nm和160 nm，劑量分別為40、200、1 000 mg/kgmb），發現小粒徑（33 nm）、高劑量納米TiO2引起小鼠的肝細胞凋亡和DNA損傷嚴重，炎癥反應或氧化應激可能是其導致遺傳毒性的主要機制。Cui Yaling等[58]將納米TiO2分散在質量分數0.5%的羥丙甲纖維素溶液中，連續灌胃60 d觀察對雌性小鼠的慢性毒性作用，結果發現TiO2納米顆粒主要蓄積在肝臟中，導致組織病理學變化和小鼠肝臟細胞凋亡及肝功能受損。因此，納米TiO2的毒性作用和機制研究結果不一，尚沒有明確的定論[54]。食品安全監管部門也進行了有關納米材料的風險評估，制定和完善了風險管理法規，以為納米技術在食品工業的健康發展提供科學依據[59]。

7 結 語

TPC技術通過在TiO2半導體表面產生ROS降解有機化合物達到滅菌的目的，憑借此特性該技術在食品包裝方面得以應用，能夠降低食源性微生物對產品的危害，但關于其機理的探究尚不完善，以后可從以下幾個方面對TPC技術進行深入研究：一是提高TPC技術作用效率方面，如何提高光效率，尤其是如何利用太陽光或可見光，如何抑制電子和空穴的復合；二是擴大TPC技術對固體表面消毒處理的范圍，包括水果和蔬菜的表面清洗，肉類和肉類產品以及蛋殼的表面消毒；三是減少TPC技術對食品感官及品質的影響，包括對抗氧化劑、脂質氧化、質地和顏色變化以及異味和香氣形成的破壞性影響；四是明確TiO2包裝食品是否具有毒副作用，包括在體外和體內的進一步研究，而且大多數遷移研究都使用模擬物的方式，應加強納米粒子向實際食物中遷移的研究。