姜黃素介導的光動力冷殺菌技術在食品中的研究進展

張帥，劉若雨，李晨，姚麗麗，熊曉輝，崔曉文

(南京工業大學 食品與輕工學院，江蘇 南京, 211816)

目前食品殺菌技術大多采用傳統的熱殺菌技術。熱殺菌技術雖然可以有效地殺滅食品中的微生物，但同時也會改變食品本身的一些特性，包括營養成分、風味、色澤和新鮮度。姜黃素介導的光動力冷殺菌技術是一種以姜黃素為光敏劑的新型冷殺菌方法，在保證具有一定殺菌效果的同時，也能保持食品本身的營養成分和感官特性。姜黃素的最大激發波長為425 nm[1]，處于激發態的姜黃素將能量傳遞給周圍的氧分子，產生活性氧引起生物大分子氧化和細胞損傷[2-3]，導致食品中的微生物細胞死亡。本文重點介紹了姜黃素介導光動力冷殺菌技術(curcumin-mediated photodynamic cold pasteurization technology, CMPDT)在食品中的應用進展，同時，對影響姜黃素介導光動力冷殺菌技術殺菌效果的因素進行了總結。為未來食品殺菌過程中應用姜黃素介導光動力冷殺菌技術提供參考。

1 姜黃素介導的光動力冷殺菌技術

1.1 姜黃素

姜黃素(C21H20O6)是從姜科植物姜黃根莖中提取的小分子質量多酚類化合物，是一種天然光敏劑和食品添加劑[4]，具有安全性高、來源廣、無污染等優點和食品染色、抗菌、抗腫瘤等功能[5]。姜黃素味苦，具有芳香、辛辣的氣味，因此姜黃素不用于調味甜點和蛋糕，而是用于米飯、肉類和魚類菜肴等食品中。姜黃素作為著色劑可添加至醬鹵制品中并增加醬鹵制品的風味[6]。姜黃素作為天然光敏劑對單增李斯特菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、沙門氏菌等有強烈的殺滅效果。

1.2 殺菌原理

光動力冷殺菌技術處理過程主要涉及光敏劑、光和氧分子。處于基態的光敏劑吸收所需波長的光躍遷至激發態進而發生一系列光化學反應，產生大量的活性氧，導致細胞壞死和凋亡[7]。當光敏劑吸收特定波長的光后，形成不穩定的單重激發態。單重激發態的光敏劑容易失去能量，退回到單線態的基態。所以單重激發態的光敏劑可以通過一種稱為“系統內跨越”的形式，形成更穩定的三重激發態。三重激發態光敏劑有充足時間將其能量與氧分子相互作用產生單線態氧，這種反應被稱作Ⅱ型光化學反應。涉及電子的轉移形成自由基正負離子的Ⅰ型光化學反應，也可使激發態光敏劑發生電子轉移形成活性氧。和Ⅰ型光化學反應相比，Ⅱ型光化學反應更容易產生活性氧，因此許多光敏劑包括姜黃素都被認為是Ⅱ型光化學反應機制來產生活性氧[4,7]。

姜黃素的光毒性不但對食品中微生物有殺滅作用，而且針對微生物形成的生物被膜具有一定的清除效果。在食品加工過程中，pH、溫度、濕度等環境因素會使食品生產設備表面以及食品表面容易產生生物被膜，生物被膜是指包裹在細胞外的微生物組織聚集體，是由群體感應(quorum sensing, QS)系統控制形成的[8]。GAYANI等[9]表明姜黃素作為光敏劑可以影響細菌QS系統，破壞生物膜的結構，從而對生物被膜產生清除效果。BONIFCIO等[10]使用姜黃素冷殺菌技術可使英諾克李斯特菌的生物膜細胞降低4.9 lgCFU/mL。檀利軍等[11]發現，隨著姜黃素濃度和光照時間的增加，生物被膜粗糙度顯著增加。生物被膜粗糙度的增加將極大地促進姜黃素附著在生物被膜表面，這可能進一步有助于增強CMPDT的殺菌能力。因此，CMPDT可以清除食品生產設施表面以及食品表面產生的生物被膜。

1.3 對細菌細胞的損傷

微生物經過CMPDT處理后，其細胞膜以及細胞內成分，特別是蛋白質、RNA和DNA發生了顯著變化。通過共聚焦激光掃描顯微鏡可以觀察到生物膜中顯著的結構改變和顯著降低的黏附能力[12]。BHAVYA等[13]證明，CMPDT能夠破壞膜的完整性和滲透性，導致細胞內物質的大量泄漏。此外，除了細胞壁損傷和細胞質物質的釋放，在光動力處理洋蔥伯克霍爾德氏菌后，還觀察到基因組DNA的顯著損傷和蛋白質表達的降低。有研究證明[14]，CMPDT可以降低RecA蛋白(一種依賴ATP的蛋白質，參與DNA修復、重組和生物膜形成)的表達，抑制微生物DNA的修復。

HUANG等[12]研究發現光照強度對DNA有顯著的影響，而對蛋白質損傷影響不明顯，并且觀察到微生物的RNA有顯著損傷，其損傷程度也與姜黃素濃度直接相關。使用掃描和透射電子顯微鏡觀察微生物的外部和內部結構變化，發現細胞表面的形態已經變形。增加姜黃素濃度和光照強度對細胞形態沒有顯示出任何顯著影響，但可以加速微生物細胞質的降解。

2 姜黃素介導的光動力冷殺菌技術在食品中 的應用

2.1 殺菌效果

姜黃素的光吸收峰在400～500 nm，可以被波長<500 nm的藍光激發，進而對食品中的微生物產生殺滅效果。由于藍光的穿透能力較差，CMPDT通常被認為是一種表面殺菌方法。因此，它主要用于食品或加工設施表面微生物菌的滅活。DE OLIVEIRA等[15]研究表明，將姜黃素溶液(10 mg/L, pH 3.0)噴灑在接種了大腸桿菌O157∶H7的萵苣、菠菜和番茄上，光照強度為20.4 kJ/m2，最終大腸桿菌O157∶H7降低了3 lgCFU/mL，對產品的顏色和質地沒有不利影響。它能夠減少水果和蔬菜上微生物的污染情況，降低食源性疾病的風險。CMPDT還可以延長水果的貨架期，AL-ASMARI等[16]對棗進行了實驗，噴灑姜黃素的濃度為1～2 mmol/L，可以使棗在室溫下的保存期延長1倍，并減少腐敗微生物的出現。CMPDT不僅對水果、蔬菜等食品有較好的殺菌效果，對于水產品、肉等食品也有一定程度的殺菌效果。表1列舉了CMPDT對幾種典型食品的殺菌效果。

表1 各種食品經姜黃素介導光動力殺菌處理及其效果Table 1 The effect of curcumin mediated photodynamic pasteurization on various foods

2.2 對食品感官特性的影響

CMPDT對于食品的感官特性有較好的保護作用。HU等[20]通過測定即食水母中揮發性鹽基氮(total volatile basic nitrogen, TVB-N)的含量，評估CMPDT對即食水母的質量的影響。貯存14 d后，經過明礬處理的即食水母的TVB-N值達到6 mg/100g，而采用CMPDT處理的樣品TVB-N值顯著降低，說明CMPDT對即食水母的保存有較好的效果。HU等[20]對比了經過CMPDT處理后的即食水母和未經過處理的即食水母的營養成分，研究發現CMPDT處理后的即食水母的水分含量、脂肪、蛋白質、碳水化合物沒有發生顯著變化，說明CMPDT能夠有效地保持即食水母中的營養成分。同時也對經過CMPDT處理過的即食水母進行了感官評價，通過對氣味、質地、總體偏好的評估顯示了經過CMPDT處理的即食水母具有更好的風味和品質。LIU等[21]研究了CMPDT對牡蠣品質和貨架期的影響，光動力處理后牡蠣的保存期從8 d延長至12 d。與對照組相比，CMPDT組的總游離氨基酸含量(對照組：234.30 mg/100g，CMPDT：813.02 mg/100g)較高，游離脂肪酸含量(對照組：0.071 mEq/L，CMPDT：0.0455 mEq/L)較低。這表明處理后的牡蠣腐敗微生物的代謝水平較低，CMPDT對延長牡蠣貨架期和提高牡蠣品質有積極作用。但文章中并未提及長時間的光照可能會引起的溫度小范圍上升，溫度的升高會導致牡蠣進一步失水，從而對其整體外觀以及感官特性產生負面影響。HUANG等[22]通過硬度、顏色、肌肉纖維的完整性探究了CMPDT對三文魚品質的影響，并且用磁共振成像分析來評估三文魚的新鮮度。結果表明CMPDT有效地防止了三文魚顏色的變化，延緩了水分的流失，從而保持了其質地和感官特性。

2.3 與其他殺菌技術耦合

由于CMPDT對食品內部的殺菌效果較差。因此，可以采用和其他冷殺菌技術耦合來增強殺菌效果。通過將CMPDT與超聲波處理技術相結合，增強了CMPDT對橙汁的殺菌效果[13]。結果顯示，橙汁中金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的菌落總數分別降低了2.35、4.26 lgCFU/mL。與單獨進行CMPDT處理相比，兩種殺菌技術的耦合對食品中的微生物有更好的殺菌效果。HU等[20]研究證明，3.5%明礬和CMPDT處理即食海蜇在4 ℃條件下的貨架期可延長達1個月，與10%明礬作為防腐劑的保鮮效果相似。這顯示了兩種方法耦合處理作為殺菌和保鮮技術的潛力，以減少食品中化學防腐劑的用量。

CMPDT除與其他冷殺菌技術耦合外，還可以與各種抗生素、抑菌劑以及強金屬耦合對微生物進行協同殺菌。CMPDT耦合環丙沙星已經顯示了對金黃色葡萄球菌和鼠傷寒沙門氏菌有更好的殺菌效果[23-24]。通過添加鈷與姜黃素進行復合，鈷-姜黃素復合物的抗菌活性顯著增強[25]。這些協同效應表明姜黃素和不同的殺菌材料進行復合，會顯著提高姜黃素復合物的抗菌特性。

2.4 與其他冷殺菌技術比較

盡管CMPDT的發展有很大進步，但它并不適用于所有食品，并且該技術本身還存在一定的缺陷：對食品內部存在的微生物殺滅效果較差以及殺菌過程中長時間光照可能會引起眼部不適。表2列舉了不同殺菌技術的優缺點以及應用范圍。

表2 不同冷殺菌技術的比較Table 2 Comparison of different cold pasteurization techniques

2.5 姜黃素在食品中溶解度的提高

姜黃素雖然能添加在許多食品中，但如何更好地溶解在食品中，保持姜黃素的光動力活性，是CMPDT殺滅微生物過程中需要克服的問題。姜黃素難溶于水，易溶于乙醇，在中性、酸性溶液中呈黃色，在堿性溶液中呈紅褐色[30-32]。姜黃素的溶劑、溫度、攪拌速度、溶解時間等條件，都會影響姜黃素的溶解速率[33]。以混合時間為例，與10 min混合相比，48 h混合可獲得姜黃素在大豆油中更高的溶解度。

由于姜黃素在水中的溶解度較低，限制了其在食品基質中的分散性和利用率。為了解決這一問題，GMEZ-ESTACA等[34]開發了電液霧化法制備了直徑達1.2 μm的姜黃素明膠微粒。包埋后姜黃素的水溶性和利用率都顯著提高(分別是市售姜黃素的38.6倍和11.3倍)。LAI等[35]制備了姜黃素-β-環糊精復合物作為新型光敏劑，證實了姜黃素-β-環糊精復合物在藍光照射下也能產生活性氧，對金黃色葡萄球菌，單增李斯特菌，大腸桿菌有更強的殺菌效果。無論是制備姜黃素明膠微粒，還是制備姜黃素復合物等新型光敏劑都是以提高CMPDT對微生物的殺菌效果為目的，使CMPDT適用于不同類型的食品。

雖然對提高姜黃素在食品中的溶解度的研究已經取得了一定的進展，但姜黃素是不可以無限量的添加到食品當中。歐洲食品安全局將姜黃素定義為非致癌化合物，并授權其在歐盟用作食品添加劑[36]。美國食品藥品監督管理局認證姜黃素為安全的食品添加劑。作為食品添加劑，GB 2760—2016 《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》規定了姜黃素在不同食品中的使用量，在冷凍飲品(食用冰除外)中最大使用量是0.15 g/kg；在可可制品、巧克力和巧克力制品(包括代可可脂巧克力及制品)以及糖果中最大使用量是0.01 g/kg；在面糊(如用于魚和禽肉的拖面糊)、裹粉、煎炸粉中的最大使用量是0.3 g/kg；在裝飾糖果(如工藝造型，或用于蛋糕裝飾)、頂飾(非水果材料)和甜汁、方便米面制品以及調味糖漿中的最大使用量是0.5 g/kg。

3 影響食品中姜黃素介導的光動力冷殺菌效 果的因素

3.1 姜黃素的濃度

姜黃素濃度是影響CMPDT殺菌效果的重要因素。HUANG等[12]證實了CMPDT與姜黃素濃度有關，采用平板計數法對單增李斯特菌的菌落總數進行檢測。當光照強度為0.54 J/cm2，姜黃素濃度為0.2 μmol/L時，單增李斯特菌的菌落總數減少了4.2 lgCFU/mL，當姜黃素濃度增加至1 μmol/L時，單增李斯特菌的菌落總數低于平板計數法的最低檢測限。但于金珅等[2]發現較高的姜黃素濃度可能會使殺菌效果降低，這可能是因為姜黃素的濃度過高會產生自我屏蔽作用，阻止有效的藍光傳輸到姜黃素分子內，可影響CMPDT對微生物的殺菌效果[37]。

3.2 光照強度

除姜黃素濃度外，光照強度也可能會影響CMPDT殺菌效果。當光照強度從0.11 μJ/cm2增加到0.54 μJ/cm2時，單增李斯特菌的菌落總數顯著下降。當光照強度增加到1.62 μJ/cm2時，單增李斯特菌的菌落總數低于最低檢測限度[12]。當姜黃素濃度為0.75 μmol/L時[38]，光照強度從10 μJ/cm2增加到100 μJ/cm2。金黃色葡萄球菌的菌落總數減少量由1.51 lgCFU/mL～7.58 lgCFU/mL。光照強度的增加還能增強CMPDT對微生物形成的生物被膜的清除效果，ABDULRAHMAN等[39]發現，當光照強度從5 μJ/cm2增加到10 μJ/cm2時，生物被膜的清除效果顯著增強。

3.3 菌株種類

CMPDT已被證明對食品中的多種微生物有效，但針對不同的微生物所產生的殺菌效果并不相同。ZHENG等[8]發現CMPDT處理不同細菌時，要達到相似的殺菌效果，所需要的姜黃素濃度和光照強度等條件是有差異的。PENHA等[40]發現姜黃素介導的光動力冷殺菌技術對微生物殺菌效率的差異是微生物外部結構的差異引起的。CMPDT最主要的作用部位是細菌的外部結構，革蘭氏陰性菌呈現復雜的外膜，具有兩個脂質雙層，作為細胞和環境之間的物理和功能屏障，因此，革蘭氏陰性菌對CMPDT有很強的抗性。而大多數革蘭氏陽性菌細胞具有由肽聚糖層構成的厚壁，具有相對高的孔隙率和滲透性，這使CMPDT對革蘭氏陽性菌有較強的殺滅效果[41]。

3.4 酸堿度

食物pH也可能對殺菌效果有一定的影響，大多數食物都是酸性的，但也有例外，比如蛋黃，它是堿性的。對食物酸堿度起主要作用的酸因食品種類而異。例如，蘋果中的主要酸是蘋果酸，而菠蘿中的主要酸是檸檬酸。因為這些酸具有不同的大小和極性，這影響了它們滲透細胞膜的能力。所以會引起細菌細胞的不同反應[42-43]。

酸堿度對殺菌效果的重要性主要體現在兩項研究中，第一項研究[42]評估了細胞外酸堿度(4.5～9.5)對大腸桿菌O157∶H7、梅毒螺旋體和單核細胞增生李斯特菌在光照下的殺菌效果。結果顯示，革蘭氏陽性菌單核細胞增生李斯特菌在顯著酸性的酸堿度(4.5)下對光照更敏感，而兩種革蘭氏陰性菌在顯著堿性的酸堿度下更敏感。雖然革蘭氏陽性菌在酸性的酸堿度下更高的敏感性可以解釋為它們缺乏外膜，但對于革蘭氏陰性菌更大的敏感性，作者假設是由于革蘭氏陰性菌在堿性環境下膜脂質的皂化作用。第二項研究[42]評估了蘋果酸、檸檬酸和乳酸在相同的pH值(4.5)下對4種食源性病原體的影響。其中乳酸是最有效的，其次是檸檬酸和蘋果酸。這可能是因為蘋果酸只能降低細胞內的酸堿度，而乳酸和檸檬酸在進入細胞時具有破壞細胞膜的額外能力。

4 結論與展望

CMPDT對食品中的微生物有較好的殺菌效果，延緩食品的腐敗，延長貨架期，對食品的感官特性影響較小。CMPDT的殺菌效果很大程度上取決于姜黃素在不同食品基質中的溶解度，所以許多研究制備了新型的姜黃素復合材料來提升在食品中的溶解度。CMPDT還可以結合其他冷殺菌技術或其他抗菌劑，對食品中的微生物有更高效的殺滅效果。但CMPDT仍存在一些缺點：(1)不能穿過食品表層，對食品內部進行殺菌，更適用于食品設備以及食品包裝材料的表面殺菌;(2)食品中不同種類的微生物、食物的pH都會影響CMPDT的殺菌效果。針對CMPDT的特點，我們可以進一步研究：(1)開發更高效的姜黃素復合物的新型光敏劑，在藍光的激發下更快速的產生活性氧;(2)提高姜黃素在水環境中的溶解度，還可以提高細胞對姜黃素的攝取量，從而提高光動力殺菌的效率;(3)在食品包裝材料中加入姜黃素或姜黃素復合物，在藍光的照射下，使包裝材料本身對食品中的微生物具有一定的殺滅能力。