姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力殺菌在食品中的潛在應(yīng)用

◎ 李雪娜

（國(guó)家輕工業(yè)食品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)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(shù)，但受能源消耗、可持續(xù)性、成本效益以及在農(nóng)場(chǎng)層面可行性等因素的影響，食品殺菌技術(shù)還存在一些問(wèn)題。例如新鮮果蔬如果處理不當(dāng)，由于易腐性高，幾天內(nèi)就會(huì)變質(zhì)，造成經(jīng)濟(jì)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(shù)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)效果不佳。另一些殺菌技術(shù)，如紫外線和脈沖電場(chǎng)會(huì)對(duì)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(duì)于新的殺菌技術(shù)需求迫切[1]。

1 光動(dòng)力殺菌

光敏化反應(yīng)也稱為光動(dòng)力殺菌，通過(guò)光照射光敏劑實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境的殺菌效果。該殺菌方法原本應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中，最近其在食品中潛在的應(yīng)用前景引起了人們的興趣。據(jù)報(bào)道，光動(dòng)力殺菌在食品基質(zhì)中有很好的作用效果。同時(shí)，光敏劑對(duì)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞、孢子和生物膜具有致死作用，而對(duì)周圍環(huán)境沒(méi)有不利影響，目前還沒(méi)有關(guān)于光敏化的微生物耐藥性的報(bào)道。

與其他現(xiàn)有殺菌技術(shù)相比，光動(dòng)力殺菌的優(yōu)點(diǎn)包括：①高效、經(jīng)濟(jì)。②可再生。③易于維護(hù)。④安全性高。然而，該技術(shù)的主要缺點(diǎn)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(shè)施的消毒殺菌。在很大程度上，這項(xiàng)技術(shù)為食品工業(yè)開(kāi)辟了新的道路，使用光動(dòng)力殺菌技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行消毒時(shí)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(xì)菌的機(jī)制和這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)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(guó)和印度醫(yī)學(xué)中有著長(zhǎng)期的傳統(tǒng)應(yīng)用。姜黃素目前已被批準(zhǔn)作為一種安全的食品添加劑（聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織建議將200 mg·kg-1作為姜黃素消費(fèi)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(yīng)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(jié)構(gòu)如圖1所示，其最穩(wěn)定和最不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)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(xué)結(jié)構(gòu)圖

2.1 溶解度

姜黃素在水中的溶解度較低和化學(xué)穩(wěn)定性差（特別是在堿性溶液中），對(duì)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(jié)構(gòu)、形態(tài)、結(jié)晶度和表面積）、溶劑和應(yīng)用的物理?xiàng)l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(xué)降解，人們廣泛研究了各種封裝包被技術(shù)。一項(xiàng)研究表明，通過(guò)將姜黃素包被在大豆分離蛋白中進(jìn)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(dǎo)的光動(dòng)力對(duì)革蘭氏陰性和陽(yáng)性菌均有殺菌作用，包括單核細(xì)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(xì)胞相比，細(xì)菌形成的生物被膜是一組包圍在細(xì)胞體周圍的聚合物基質(zhì)，增強(qiáng)了細(xì)菌細(xì)胞對(duì)抗生素的抗性。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，光動(dòng)力殺菌技術(shù)可有效消除這些被生物被膜包圍的細(xì)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(dǎo)的光動(dòng)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(guān)，并直接影響到殺菌效果。然而，光劑量對(duì)殺菌效果的影響在文獻(xiàn)報(bào)道中并不一致。通過(guò)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(shì)，顯示出了殺菌效果對(duì)光劑量的依賴性。然而，另一研究結(jié)果表明姜黃素沒(méi)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(duì)變形鏈球菌的殺菌效果相似[7]。

環(huán)境pH可對(duì)姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力的殺菌效果產(chǎn)生影響。通過(guò)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(jié)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(xì)胞膜通透性或提高了微生物細(xì)胞代謝活性，從而有更多的姜黃素進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)。

姜黃素通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞是姜黃素光敏化過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。針對(duì)細(xì)胞膜損傷的亞致死細(xì)菌，姜黃素光動(dòng)力殺菌效果會(huì)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(fù)電荷特性，使其更具耐藥性。為提高革蘭氏陰性菌對(duì)光敏劑的吸收，光敏劑應(yīng)該攜帶更多正電荷。如通過(guò)使用氯化鈣等化合物可以增加姜黃素?cái)y帶正電荷的概率，從而增加姜黃素對(duì)革蘭氏陰性細(xì)菌的滲透，從而提高光動(dòng)力的殺菌效果。相比之下，細(xì)胞質(zhì)膜包被的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌細(xì)胞外部被40～80 nm的肽聚糖壁包圍，孔隙相對(duì)較大，對(duì)滲透沒(méi)有屏障功能，姜黃素更容易進(jìn)入到其細(xì)胞中。

2.3 在食品中的應(yīng)用

姜黃素的光敏化需要430 nm左右的藍(lán)光，這種光的穿透能力較弱，因此姜黃素光動(dòng)力殺菌主要可用于食品或加工設(shè)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(lán)光下照射，導(dǎo)致兩種致病菌減少約3 logCFU·cm-2，而對(duì)顏色和顏色沒(méi)有產(chǎn)生不利影響[9]。同時(shí)，食品形狀和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也會(huì)影響表面殺菌效果。與球形等更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)食品相比，扁平的食品光動(dòng)力殺菌效果更好。球形食品（如綠豆）在照明過(guò)程中需要旋轉(zhuǎn)才能獲得滿意的結(jié)果。然而，無(wú)論姜黃素濃度如何，使用二維光源對(duì)更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)（如綠豆芽）都是無(wú)效的，這與發(fā)芽種子表面不平整有關(guān)，建議采用旋轉(zhuǎn)光源或研制三維光源。

研究表明，與超聲波處理進(jìn)行結(jié)合，可增強(qiáng)姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力殺菌對(duì)橙汁的殺菌效果。結(jié)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(duì)橙汁進(jìn)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(dú)使用超聲波滅活大腸桿菌顯示出相當(dāng)大的潛力。

2.4 對(duì)食品的質(zhì)量和感官影響

維護(hù)食品質(zhì)量屬性（如外觀、顏色、食品的營(yíng)養(yǎng)特性）以及感官特性是衡量殺菌技術(shù)的重要指標(biāo)。隨著姜黃素濃度的升高，可能會(huì)在食品表面呈現(xiàn)黃色，對(duì)原有食品顏色的表現(xiàn)有一定的不利影響。但是，姜黃素對(duì)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(duì)牡蠣中的風(fēng)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(hù)作用，牡蠣的感官特性不受應(yīng)用姜黃素濃度的影響[11]。

3 結(jié)語(yǔ)

食品工業(yè)的首要任務(wù)是延長(zhǎng)保質(zhì)期，保持食品的安全、感官和營(yíng)養(yǎng)屬性。食品工業(yè)中使用的各種殺菌技術(shù)，存在耗時(shí)長(zhǎng)、價(jià)格昂貴、對(duì)耐藥微生物和孢子缺乏有效性以及對(duì)食品的質(zhì)量和感官產(chǎn)生不利影響的缺點(diǎn)。姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力殺菌是一種解決上述問(wèn)題的潛在殺菌技術(shù)，它在各種食品中的適用性正被廣泛研究，無(wú)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(duì)加工食品的感官質(zhì)量產(chǎn)生的不良影響較小。