姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力冷殺菌技術(shù)在食品中的研究進(jìn)展

目前食品殺菌技術(shù)大多采用傳統(tǒng)的熱殺菌技術(shù)。熱殺菌技術(shù)雖然可以有效地殺滅食品中的微生物，但同時(shí)也會(huì)改變食品本身的一些特性，包括營(yíng)養(yǎng)成分、風(fēng)味、色澤和新鮮度。姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力冷殺菌技術(shù)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(shí)，也能保持食品本身的營(yíng)養(yǎng)成分和感官特性。姜黃素的最大激發(fā)波長(zhǎng)為425 nm[1]，處于激發(fā)態(tài)的姜黃素將能量傳遞給周圍的氧分子，產(chǎn)生活性氧引起生物大分子氧化和細(xì)胞損傷[2-3]，導(dǎo)致食品中的微生物細(xì)胞死亡。本文重點(diǎn)介紹了姜黃素介導(dǎo)光動(dòng)力冷殺菌技術(shù)(curcumin-mediated photodynamic cold pasteurization technology, CMPDT)在食品中的應(yīng)用進(jìn)展，同時(shí)，對(duì)影響姜黃素介導(dǎo)光動(dòng)力冷殺菌技術(shù)殺菌效果的因素進(jìn)行了總結(jié)。為未來(lái)食品殺菌過(guò)程中應(yīng)用姜黃素介導(dǎo)光動(dòng)力冷殺菌技術(shù)提供參考。

1 姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力冷殺菌技術(shù)

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(zhì)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(lái)源廣、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)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(diào)味甜點(diǎn)和蛋糕，而是用于米飯、肉類和魚(yú)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(fēng)味[6]。姜黃素作為天然光敏劑對(duì)單增李斯特菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、沙門氏菌等有強(qiáng)烈的殺滅效果。

1.2 殺菌原理

光動(dòng)力冷殺菌技術(shù)處理過(guò)程主要涉及光敏劑、光和氧分子。處于基態(tài)的光敏劑吸收所需波長(zhǎng)的光躍遷至激發(fā)態(tài)進(jìn)而發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的活性氧，導(dǎo)致細(xì)胞壞死和凋亡[7]。當(dāng)光敏劑吸收特定波長(zhǎng)的光后，形成不穩(wěn)定的單重激發(fā)態(tài)。單重激發(fā)態(tài)的光敏劑容易失去能量，退回到單線態(tài)的基態(tài)。所以單重激發(fā)態(tài)的光敏劑可以通過(guò)一種稱為“系統(tǒng)內(nèi)跨越”的形式，形成更穩(wěn)定的三重激發(fā)態(tài)。三重激發(fā)態(tài)光敏劑有充足時(shí)間將其能量與氧分子相互作用產(chǎn)生單線態(tài)氧，這種反應(yīng)被稱作Ⅱ型光化學(xué)反應(yīng)。涉及電子的轉(zhuǎn)移形成自由基正負(fù)離子的Ⅰ型光化學(xué)反應(yīng)，也可使激發(fā)態(tài)光敏劑發(fā)生電子轉(zhuǎn)移形成活性氧。和Ⅰ型光化學(xué)反應(yīng)相比，Ⅱ型光化學(xué)反應(yīng)更容易產(chǎn)生活性氧，因此許多光敏劑包括姜黃素都被認(rèn)為是Ⅱ型光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制來(lái)產(chǎn)生活性氧[4,7]。

姜黃素的光毒性不但對(duì)食品中微生物有殺滅作用，而且針對(duì)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(guò)程中，pH、溫度、濕度等環(huán)境因素會(huì)使食品生產(chǎn)設(shè)備表面以及食品表面容易產(chǎn)生生物被膜，生物被膜是指包裹在細(xì)胞外的微生物組織聚集體，是由群體感應(yīng)(quorum sensing, QS)系統(tǒng)控制形成的[8]。GAYANI等[9]表明姜黃素作為光敏劑可以影響細(xì)菌QS系統(tǒng)，破壞生物膜的結(jié)構(gòu)，從而對(duì)生物被膜產(chǎn)生清除效果。BONIFCIO等[10]使用姜黃素冷殺菌技術(shù)可使英諾克李斯特菌的生物膜細(xì)胞降低4.9 lgCFU/mL。檀利軍等[11]發(fā)現(xiàn)，隨著姜黃素濃度和光照時(shí)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(jìn)姜黃素附著在生物被膜表面，這可能進(jìn)一步有助于增強(qiáng)CMPDT的殺菌能力。因此，CMPDT可以清除食品生產(chǎn)設(shè)施表面以及食品表面產(chǎn)生的生物被膜。

1.3 對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的損傷

微生物經(jīng)過(guò)CMPDT處理后，其細(xì)胞膜以及細(xì)胞內(nèi)成分，特別是蛋白質(zhì)、RNA和DNA發(fā)生了顯著變化。通過(guò)共聚焦激光掃描顯微鏡可以觀察到生物膜中顯著的結(jié)構(gòu)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(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的大量泄漏。此外，除了細(xì)胞壁損傷和細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)的釋放，在光動(dòng)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(zhì)表達(dá)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(zhì)，參與DNA修復(fù)、重組和生物膜形成)的表達(dá)，抑制微生物DNA的修復(fù)。

HUANG等[12]研究發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度對(duì)DNA有顯著的影響，而對(duì)蛋白質(zhì)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(guān)。使用掃描和透射電子顯微鏡觀察微生物的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞表面的形態(tài)已經(jīng)變形。增加姜黃素濃度和光照強(qiáng)度對(duì)細(xì)胞形態(tài)沒(méi)有顯示出任何顯著影響，但可以加速微生物細(xì)胞質(zhì)的降解。

2 姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力冷殺菌技術(shù)在食品中 的應(yīng)用

2.1 殺菌效果

姜黃素的光吸收峰在400～500 nm，可以被波長(zhǎng)<500 nm的藍(lán)光激發(fā)，進(jìn)而對(duì)食品中的微生物產(chǎn)生殺滅效果。由于藍(lán)光的穿透能力較差，CMPDT通常被認(rèn)為是一種表面殺菌方法。因此，它主要用于食品或加工設(shè)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(qiáng)度為20.4 kJ/m2，最終大腸桿菌O157∶H7降低了3 lgCFU/mL，對(duì)產(chǎn)品的顏色和質(zhì)地沒(méi)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(fēng)險(xiǎn)。CMPDT還可以延長(zhǎng)水果的貨架期，AL-ASMARI等[16]對(duì)棗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，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(zhǎng)1倍，并減少腐敗微生物的出現(xiàn)。CMPDT不僅對(duì)水果、蔬菜等食品有較好的殺菌效果，對(duì)于水產(chǎn)品、肉等食品也有一定程度的殺菌效果。表1列舉了CMPDT對(duì)幾種典型食品的殺菌效果。

表1 各種食品經(jīng)姜黃素介導(dǎo)光動(dòng)力殺菌處理及其效果
Table 1 The effect of curcumin mediated photodynamic pasteurization on various foods

2.2 對(duì)食品感官特性的影響

CMPDT對(duì)于食品的感官特性有較好的保護(hù)作用。HU等[20]通過(guò)測(cè)定即食水母中揮發(fā)性鹽基氮(total volatile basic nitrogen, TVB-N)的含量，評(píng)估CMPDT對(duì)即食水母的質(zhì)量的影響。貯存14 d后，經(jīng)過(guò)明礬處理的即食水母的TVB-N值達(dá)到6 mg/100g，而采用CMPDT處理的樣品TVB-N值顯著降低，說(shuō)明CMPDT對(duì)即食水母的保存有較好的效果。HU等[20]對(duì)比了經(jīng)過(guò)CMPDT處理后的即食水母和未經(jīng)過(guò)處理的即食水母的營(yíng)養(yǎng)成分，研究發(fā)現(xiàn)CMPDT處理后的即食水母的水分含量、脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物沒(méi)有發(fā)生顯著變化，說(shuō)明CMPDT能夠有效地保持即食水母中的營(yíng)養(yǎng)成分。同時(shí)也對(duì)經(jīng)過(guò)CMPDT處理過(guò)的即食水母進(jìn)行了感官評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)氣味、質(zhì)地、總體偏好的評(píng)估顯示了經(jīng)過(guò)CMPDT處理的即食水母具有更好的風(fēng)味和品質(zhì)。LIU等[21]研究了CMPDT對(duì)牡蠣品質(zhì)和貨架期的影響，光動(dòng)力處理后牡蠣的保存期從8 d延長(zhǎng)至12 d。與對(duì)照組相比，CMPDT組的總游離氨基酸含量(對(duì)照組：234.30 mg/100g，CMPDT：813.02 mg/100g)較高，游離脂肪酸含量(對(duì)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(duì)延長(zhǎng)牡蠣貨架期和提高牡蠣品質(zhì)有積極作用。但文章中并未提及長(zhǎng)時(shí)間的光照可能會(huì)引起的溫度小范圍上升，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致牡蠣進(jìn)一步失水，從而對(duì)其整體外觀以及感官特性產(chǎn)生負(fù)面影響。HUANG等[22]通過(guò)硬度、顏色、肌肉纖維的完整性探究了CMPDT對(duì)三文魚(yú)品質(zhì)的影響，并且用磁共振成像分析來(lái)評(píng)估三文魚(yú)的新鮮度。結(jié)果表明CMPDT有效地防止了三文魚(yú)顏色的變化，延緩了水分的流失，從而保持了其質(zhì)地和感官特性。

2.3 與其他殺菌技術(shù)耦合

由于CMPDT對(duì)食品內(nèi)部的殺菌效果較差。因此，可以采用和其他冷殺菌技術(shù)耦合來(lái)增強(qiáng)殺菌效果。通過(guò)將CMPDT與超聲波處理技術(shù)相結(jié)合，增強(qiáng)了CMPDT對(duì)橙汁的殺菌效果[13]。結(jié)果顯示，橙汁中金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的菌落總數(shù)分別降低了2.35、4.26 lgCFU/mL。與單獨(dú)進(jìn)行CMPDT處理相比，兩種殺菌技術(shù)的耦合對(duì)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(zhǎng)達(dá)1個(gè)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(shù)的潛力，以減少食品中化學(xué)防腐劑的用量。

CMPDT除與其他冷殺菌技術(shù)耦合外，還可以與各種抗生素、抑菌劑以及強(qiáng)金屬耦合對(duì)微生物進(jìn)行協(xié)同殺菌。CMPDT耦合環(huán)丙沙星已經(jīng)顯示了對(duì)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(guò)添加鈷與姜黃素進(jìn)行復(fù)合，鈷-姜黃素復(fù)合物的抗菌活性顯著增強(qiáng)[25]。這些協(xié)同效應(yīng)表明姜黃素和不同的殺菌材料進(jìn)行復(fù)合，會(huì)顯著提高姜黃素復(fù)合物的抗菌特性。

2.4 與其他冷殺菌技術(shù)比較

盡管CMPDT的發(fā)展有很大進(jìn)步，但它并不適用于所有食品，并且該技術(shù)本身還存在一定的缺陷：對(duì)食品內(nèi)部存在的微生物殺滅效果較差以及殺菌過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間光照可能會(huì)引起眼部不適。表2列舉了不同殺菌技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用范圍。

表2 不同冷殺菌技術(shù)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(dòng)力活性，是CMPDT殺滅微生物過(guò)程中需要克服的問(wèn)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(shí)間等條件，都會(huì)影響姜黃素的溶解速率[33]。以混合時(shí)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(zhì)中的分散性和利用率。為了解決這一問(wèn)題，GMEZ-ESTACA等[34]開(kāi)發(fā)了電液霧化法制備了直徑達(dá)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(huán)糊精復(fù)合物作為新型光敏劑，證實(shí)了姜黃素-β-環(huán)糊精復(fù)合物在藍(lán)光照射下也能產(chǎn)生活性氧，對(duì)金黃色葡萄球菌，單增李斯特菌，大腸桿菌有更強(qiáng)的殺菌效果。無(wú)論是制備姜黃素明膠微粒，還是制備姜黃素復(fù)合物等新型光敏劑都是以提高CMPDT對(duì)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(duì)提高姜黃素在食品中的溶解度的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但姜黃素是不可以無(wú)限量的添加到食品當(dāng)中。歐洲食品安全局將姜黃素定義為非致癌化合物，并授權(quán)其在歐盟用作食品添加劑[36]。美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局認(rèn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)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(yú)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(diào)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(dǎo)的光動(dòng)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(shí)了CMPDT與姜黃素濃度有關(guān)，采用平板計(jì)數(shù)法對(duì)單增李斯特菌的菌落總數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)光照強(qiáng)度為0.54 J/cm2，姜黃素濃度為0.2 μmol/L時(shí)，單增李斯特菌的菌落總數(shù)減少了4.2 lgCFU/mL，當(dāng)姜黃素濃度增加至1 μmol/L時(shí)，單增李斯特菌的菌落總數(shù)低于平板計(jì)數(shù)法的最低檢測(cè)限。但于金珅等[2]發(fā)現(xiàn)較高的姜黃素濃度可能會(huì)使殺菌效果降低，這可能是因?yàn)榻S素的濃度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生自我屏蔽作用，阻止有效的藍(lán)光傳輸?shù)浇S素分子內(nèi)，可影響CMPDT對(duì)微生物的殺菌效果[37]。

3.2 光照強(qiáng)度

除姜黃素濃度外，光照強(qiáng)度也可能會(huì)影響CMPDT殺菌效果。當(dāng)光照強(qiáng)度從0.11 μJ/cm2增加到0.54 μJ/cm2時(shí)，單增李斯特菌的菌落總數(shù)顯著下降。當(dāng)光照強(qiáng)度增加到1.62 μJ/cm2時(shí)，單增李斯特菌的菌落總數(shù)低于最低檢測(cè)限度[12]。當(dāng)姜黃素濃度為0.75 μmol/L時(shí)[38]，光照強(qiáng)度從10 μJ/cm2增加到100 μJ/cm2。金黃色葡萄球菌的菌落總數(shù)減少量由1.51 lgCFU/mL～7.58 lgCFU/mL。光照強(qiáng)度的增加還能增強(qiáng)CMPDT對(duì)微生物形成的生物被膜的清除效果，ABDULRAHMAN等[39]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照強(qiáng)度從5 μJ/cm2增加到10 μJ/cm2時(shí)，生物被膜的清除效果顯著增強(qiáng)。

3.3 菌株種類

CMPDT已被證明對(duì)食品中的多種微生物有效，但針對(duì)不同的微生物所產(chǎn)生的殺菌效果并不相同。ZHENG等[8]發(fā)現(xiàn)CMPDT處理不同細(xì)菌時(shí)，要達(dá)到相似的殺菌效果，所需要的姜黃素濃度和光照強(qiáng)度等條件是有差異的。PENHA等[40]發(fā)現(xiàn)姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力冷殺菌技術(shù)對(duì)微生物殺菌效率的差異是微生物外部結(jié)構(gòu)的差異引起的。CMPDT最主要的作用部位是細(xì)菌的外部結(jié)構(gòu)，革蘭氏陰性菌呈現(xiàn)復(fù)雜的外膜，具有兩個(gè)脂質(zhì)雙層，作為細(xì)胞和環(huán)境之間的物理和功能屏障，因此，革蘭氏陰性菌對(duì)CMPDT有很強(qiáng)的抗性。而大多數(shù)革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞具有由肽聚糖層構(gòu)成的厚壁，具有相對(duì)高的孔隙率和滲透性，這使CMPDT對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌有較強(qiáng)的殺滅效果[41]。

3.4 酸堿度

食物pH也可能對(duì)殺菌效果有一定的影響，大多數(shù)食物都是酸性的，但也有例外，比如蛋黃，它是堿性的。對(duì)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?yàn)檫@些酸具有不同的大小和極性，這影響了它們滲透細(xì)胞膜的能力。所以會(huì)引起細(xì)菌細(xì)胞的不同反應(yīng)[42-43]。

酸堿度對(duì)殺菌效果的重要性主要體現(xiàn)在兩項(xiàng)研究中，第一項(xiàng)研究[42]評(píng)估了細(xì)胞外酸堿度(4.5～9.5)對(duì)大腸桿菌O157∶H7、梅毒螺旋體和單核細(xì)胞增生李斯特菌在光照下的殺菌效果。結(jié)果顯示，革蘭氏陽(yáng)性菌單核細(xì)胞增生李斯特菌在顯著酸性的酸堿度(4.5)下對(duì)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(yáng)性菌在酸性的酸堿度下更高的敏感性可以解釋為它們?nèi)狈ν饽?，但?duì)于革蘭氏陰性菌更大的敏感性，作者假設(shè)是由于革蘭氏陰性菌在堿性環(huán)境下膜脂質(zhì)的皂化作用。第二項(xiàng)研究[42]評(píng)估了蘋果酸、檸檬酸和乳酸在相同的pH值(4.5)下對(duì)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?yàn)樘O果酸只能降低細(xì)胞內(nèi)的酸堿度，而乳酸和檸檬酸在進(jìn)入細(xì)胞時(shí)具有破壞細(xì)胞膜的額外能力。

4 結(jié)論與展望

CMPDT對(duì)食品中的微生物有較好的殺菌效果，延緩食品的腐敗，延長(zhǎng)貨架期，對(duì)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(zhì)中的溶解度，所以許多研究制備了新型的姜黃素復(fù)合材料來(lái)提升在食品中的溶解度。CMPDT還可以結(jié)合其他冷殺菌技術(shù)或其他抗菌劑，對(duì)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(diǎn)：(1)不能穿過(guò)食品表層，對(duì)食品內(nèi)部進(jìn)行殺菌，更適用于食品設(shè)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(huì)影響CMPDT的殺菌效果。針對(duì)CMPDT的特點(diǎn)，我們可以進(jìn)一步研究：(1)開(kāi)發(fā)更高效的姜黃素復(fù)合物的新型光敏劑，在藍(lán)光的激發(fā)下更快速的產(chǎn)生活性氧;(2)提高姜黃素在水環(huán)境中的溶解度，還可以提高細(xì)胞對(duì)姜黃素的攝取量，從而提高光動(dòng)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(fù)合物，在藍(lán)光的照射下，使包裝材料本身對(duì)食品中的微生物具有一定的殺滅能力。