范宇航，周雅菲，劉昊天，陳 倩，劉 騫，孔保華*

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

隨著人們生活方式和食品消費(fèi)習(xí)慣的轉(zhuǎn)變，人們的健康意識(shí)不斷提升，食品安全問(wèn)題逐漸引起了大眾的重視。國(guó)家食品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中心指出，2021年中國(guó)大陸食源性疾病暴發(fā)事件中微生物性致病因子導(dǎo)致的發(fā)病人數(shù)最多，占53.05%[1]。細(xì)菌、真菌、病毒等微生物都會(huì)導(dǎo)致食品污染，進(jìn)而縮短食品貨架期，甚至是食源性中毒[2]。減少食品中致病和有害微生物數(shù)量、保障食品質(zhì)量與安全已經(jīng)成為不可忽視的全球性問(wèn)題。

化學(xué)殺菌和加熱殺菌是兩種主要的傳統(tǒng)食品保鮮技術(shù)?；瘜W(xué)殺菌是指通過(guò)添加化學(xué)與生物抑菌劑來(lái)殺死微生物或抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖，抑菌劑種類(lèi)包括鹵素類(lèi)、氧化劑類(lèi)以及雜環(huán)類(lèi)氣體[3]。實(shí)際操作中過(guò)度使用抑菌劑可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性，甚至危害人體健康[4-5]。加熱殺菌易破壞食品中的熱敏性蛋白質(zhì)，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)成分的損失，無(wú)法滿足人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)健康的需求，因此近年來(lái)超聲波、冷等離子體等新興非熱物理殺菌技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并已逐漸應(yīng)用于食品、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)殺菌技術(shù)相比，非熱物理殺菌技術(shù)可以更好地保持食品營(yíng)養(yǎng)與感官特性，其中光動(dòng)力滅活（photodynamic inactivation，PDI）更是被視作一種有效的細(xì)菌滅活策略。PDI也稱光動(dòng)力療法或光動(dòng)力殺菌，它是利用光和光敏劑（photosensitizer，PS）來(lái)達(dá)到抑制微生物生物活性的目的，具有殺菌效果好、成本低、對(duì)環(huán)境友好、安全等優(yōu)點(diǎn)。PDI技術(shù)為食品工業(yè)提供了新的發(fā)展方向，運(yùn)用PDI技術(shù)延長(zhǎng)貨架期將是未來(lái)食品保質(zhì)保鮮領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。基于此，本文闡述了PDI技術(shù)的基本原理和主要組成，對(duì)食源性微生物及其相關(guān)特征進(jìn)行了介紹，并分析了PDI的具體抗菌機(jī)理，最后總結(jié)了PDI在食品中的應(yīng)用情況，以期使PDI技術(shù)在食品的抑菌和保鮮領(lǐng)域中得到更多的關(guān)注。

1 光動(dòng)力滅活概述

1.1 基本原理

光敏化過(guò)程主要由3 個(gè)部分組成，包括PS、光源和分子氧（3O2）。PDI的基本原理如圖1所示?；鶓B(tài)光敏劑（0PS）在光源的激活下會(huì)躍遷為單重態(tài)（1PS*）。1PS*是不穩(wěn)定的，容易在熒光發(fā)射條件下再次轉(zhuǎn)換為基態(tài)的形式。系間竄越是指處于激發(fā)態(tài)分子的電子發(fā)生自旋反轉(zhuǎn)而使分子的多重性發(fā)生變化的非輻射躍遷的過(guò)程。1PS*也可以系間竄越成相對(duì)穩(wěn)定的激發(fā)三重態(tài)（3PS*），3PS*通過(guò)磷光釋放多余的能量可以再次回到基態(tài)。在3PS*狀態(tài)下會(huì)發(fā)生兩類(lèi)反應(yīng)：I型反應(yīng)機(jī)制為3PS*與周?chē)挠袡C(jī)物和基態(tài)氧反應(yīng)，從它們中獲得電子，生成活性氧（reactive oxygen species，ROS），如過(guò)氧化氫（hydrogen peroxide，H2O2）、超氧陰離子（O2-?）、羥自由基（?OH）和單線態(tài)氧（1O2）等[6]。II型反應(yīng)機(jī)制為3PS*將能量傳遞給三線態(tài)氧分子（3O2）反應(yīng)生成單線態(tài)氧（1O2）。PDI過(guò)程是I型機(jī)制和II型機(jī)制的組合。在實(shí)際過(guò)程中，這兩類(lèi)機(jī)制常常同時(shí)存在。I型機(jī)制和II型機(jī)制反應(yīng)產(chǎn)生的ROS以及自由基的混合物會(huì)引起生物分子氧化和細(xì)胞損傷，在抑制微生物的生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用[7-9]。Hamblin等[10]另外發(fā)現(xiàn)了采用補(bǔ)骨脂素和四環(huán)素作為PS以及添加無(wú)機(jī)鹽能夠增強(qiáng)滅活效果，基于此提出了一種非氧光滅活的III型光化學(xué)途徑，可以有效應(yīng)用到病毒和真菌滅活領(lǐng)域。

圖1 PDI技術(shù)的基本原理示意圖Fig.1 Basic principle of PDI technology

1.2 光敏劑

PS是指一種能夠吸收光子而被激發(fā)的物質(zhì)，它可以將吸收的光能傳遞給另一組分的分子，使其被激發(fā)，而它本身回到基態(tài)，它在PDI技術(shù)中扮演著最為重要的角色[11]。許多細(xì)菌和真菌天然含有內(nèi)源PS，如卟啉和細(xì)胞色素等，但殺菌效果并不十分顯著[12]。加入外源PS可以縮短PDI的照射時(shí)間或擴(kuò)大有效波長(zhǎng)的選擇范圍，從而提高PDI的效率和應(yīng)用。開(kāi)發(fā)和選擇合適的PS已成為食品安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。PS分類(lèi)方法較多，按照時(shí)間發(fā)展順序可以分為3 代：第一代為卟啉類(lèi)化合物，第二代包括卟啉衍生物與金屬酞菁、稠環(huán)醌類(lèi)等化合物，相較于第一代其光敏期更短，作用的光波波長(zhǎng)更長(zhǎng)、作用深度更深[13]。第三代PS是在傳統(tǒng)PS的基礎(chǔ)上結(jié)合了相關(guān)特異性因子，進(jìn)一步提高了PS的靶向作用和特異性[14]。近年來(lái)憑借來(lái)源穩(wěn)定、毒副作用小、光效高等特點(diǎn)，天然PS已然成為食品保鮮領(lǐng)域應(yīng)用最具潛力的PS種類(lèi)[15]。但由于其受到波長(zhǎng)范圍、病源菌種類(lèi)的限制，需要對(duì)天然PS進(jìn)行一定的改造與修飾，包括納米化[16]、多肽修飾[17]和糖基與糖肽修飾[18]。

1.3 光源

光源是PDI的組成部分之一，在光敏化過(guò)程中起到激活PS的作用，其發(fā)光波長(zhǎng)、照光方式以及劑量直接決定了PDI的效果[19]。不同光源類(lèi)型的發(fā)射波長(zhǎng)和功率等特性上存在著一定的差異，在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮相關(guān)特性選擇合適的光源。PDI的光源分為相干光源和非相干光源兩類(lèi)：相干光源一般是由激光器發(fā)射產(chǎn)生的，典型光源包括金屬蒸汽激光器、氦氖激光器、氬離子激光器、Nd：YAG激光器、半導(dǎo)體激光器，其具有滅活效果良好、操作簡(jiǎn)便、耗能較低等優(yōu)點(diǎn)，在PDI中取得了一定的應(yīng)用。非相干光源主要包括白熾燈和發(fā)光二極管（light emitting diode，LED），其中LED是近年來(lái)快速發(fā)展的一種光源，已經(jīng)呈現(xiàn)出替代激光的明顯趨勢(shì)。它不僅在發(fā)光效率、輸出功率和穩(wěn)定性等性能方面有所提升，而且價(jià)格低廉耐用、可與其他技術(shù)結(jié)合共同提高滅活效果[19]。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的無(wú)機(jī)LED、柔性LED與無(wú)線驅(qū)動(dòng)LED已經(jīng)應(yīng)用到動(dòng)物研究和醫(yī)療等領(lǐng)域。

2 食源性微生物及其特征

食品中的有害微生物主要來(lái)源于細(xì)菌、真菌和病毒。尤其是細(xì)菌或真菌，可以在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸及儲(chǔ)存等不同的階段污染食品[20]。在增殖過(guò)程中，一些污染菌可產(chǎn)生毒力因子和毒素等有害物質(zhì)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致各種感染，誘發(fā)疾病[21]。細(xì)菌性污染是數(shù)量最多、涉及面最廣的一類(lèi)食品污染，具有易發(fā)性和普遍性的特點(diǎn)，其中金黃色葡萄球菌在細(xì)菌污染中占到了大多數(shù)。金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）屬于革蘭氏陽(yáng)性和共生細(xì)菌，它可以在人體的皮膚、鼻孔和胃腸道中定植，通過(guò)接觸或者呼吸道分泌物定植的方式污染食物，從而導(dǎo)致葡萄球菌性食物中毒，極少數(shù)情況下還會(huì)危及生命[22]。它的抗性很強(qiáng)，可以生長(zhǎng)在溫度范圍為7.0～48.5 ℃（最適30～37 ℃）、pH值范圍為4.2～9.3（最適7.0～7.5）和氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)15%的環(huán)境中，因此葡萄球菌性食品污染已經(jīng)成為食品工業(yè)和醫(yī)療保健中一個(gè)無(wú)法忽視的問(wèn)題。大腸桿菌（Escherichia coli）也是一種常見(jiàn)食源性疾病的病原體，它通過(guò)整合子、可傳播質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座子傳播抗生素耐藥性基因，這會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大的威脅，涉及到的污染對(duì)象包括農(nóng)田、人體、食品和野生動(dòng)物。尤其是血清型O157:H7，因其極強(qiáng)的傳染性、致病性和病死率受到廣泛關(guān)注，大腸桿菌O157:H7目前尚無(wú)有效的治療方案。

產(chǎn)生霉菌毒素的真菌主要屬于青霉菌、曲霉、鐮刀菌和其他絲狀霉菌。與細(xì)菌不同，真菌的細(xì)胞壁含有幾丁質(zhì)、葡聚糖、脂蛋白和一個(gè)中等通透性屏障。在相同條件下，真菌的抗性更強(qiáng)，產(chǎn)生的真菌毒素在生物合成后可以在食品中長(zhǎng)期存在。真菌毒素污染范圍廣，具有致畸、致癌和致突變性等特點(diǎn)，普遍存在于農(nóng)副產(chǎn)品和動(dòng)物飼料中，全世界每年由于霉變污染真菌毒素引起的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了數(shù)百億美元[23]。400多個(gè)不同真菌毒素已被鑒定，當(dāng)前主要研究的方向?yàn)辄S曲霉毒素、赭曲霉毒素、展青霉素和各種鐮刀菌毒素。

由于難以進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)或培養(yǎng)后不呈現(xiàn)細(xì)胞病理效應(yīng)，食源性病毒一直沒(méi)有得到有效控制，對(duì)公共健康衛(wèi)生造成了嚴(yán)重的威脅。病毒由核酸（一般為DNA或RNA）組成，包裹在衣殼的蛋白質(zhì)外殼內(nèi)。它的體積微小，直徑在17～300 nm，通過(guò)糞口途徑或畜禽產(chǎn)品載體傳播，極少量就能導(dǎo)致機(jī)體發(fā)病。按照來(lái)源可以分為腸道食源性病毒和人畜共患的食源性病毒兩類(lèi)[24]。與細(xì)菌不同，病毒不能在食物中復(fù)制，因此受污染的食物作為媒介感染的能力取決于病毒穩(wěn)定性和宿主敏感性。大多數(shù)流行病都與諾如病毒（norovirus）和甲型肝炎病毒（hepatitis A virus）有關(guān)，其次是戊型肝炎病毒（hepatitis E virus）、沙波病毒（sabo virus）、輪狀病毒（rotavirus），也可能會(huì)對(duì)人類(lèi)構(gòu)成一定威脅。病毒的食源性疾病暴發(fā)通常與生食有關(guān)，如貝類(lèi)、水果和蔬菜。病毒能夠在植物、動(dòng)物和人體中引起多種疾病，其中幼兒、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[25]。

除食源性致病性細(xì)菌、真菌和病毒外，螺旋體（spirochete）、弓形蟲(chóng)（Toxoplasma gondii）等致病病原體也會(huì)引起食源性疾病，危害人體健康。

食品中的常見(jiàn)污染物及其感染途徑和食品媒介等內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 食品中的常見(jiàn)污染物及其特點(diǎn)Table 1 Common contaminants in foods and their characteristics

3 光動(dòng)力滅活在食品殺菌保鮮中的抑菌機(jī)理

PDI對(duì)于食源性微生物的主要抑菌機(jī)制包括破壞微生物結(jié)構(gòu)和功能、氧化細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)、抑制群體感應(yīng)、弱化毒力因子和破壞生物膜結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 PDI的主要抗菌機(jī)理示意圖Fig.2 Mechanism of microbial inactivation by PDI

3.1 破壞微生物結(jié)構(gòu)和功能

在光敏化處理中，細(xì)胞壁外部成分和細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器都是PDI的潛在靶點(diǎn)，作為滅活這些微生物的作用位點(diǎn)。研究表明，PDI在PS的作用下會(huì)靶向?qū)ξ⑸锛?xì)胞結(jié)構(gòu)造成損傷，如質(zhì)膜透化、細(xì)胞內(nèi)容物流出等，促使微生物代謝紊亂和死亡[41]。Hyun等[41]研究了460～470 nm LED照射對(duì)瓊脂培養(yǎng)基和包裝切片奶酪的表面致病菌和腐敗菌的抑菌效果，在4 ℃下460～470 nm LED照射4 d后通過(guò)透射電子顯微鏡觀察到單核細(xì)胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）（以下簡(jiǎn)稱單增李斯特菌）細(xì)胞膜破裂和細(xì)胞質(zhì)成分流出的完整過(guò)程（圖3），發(fā)現(xiàn)單增李斯特菌的細(xì)胞損傷與RNA、蛋白質(zhì)和肽聚糖代謝有關(guān)。

圖3 透射電子顯微鏡下PDI處理單增李斯特菌結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程示意圖[41]Fig.3 Transmission electron microscopic observation of the structural change of Listeria monocytogenes cells treated with PDI[41]

微生物的膜電位和呼吸等功能在光敏化過(guò)程中也會(huì)受到一定影響。Komagoe等[42]通過(guò)原位監(jiān)測(cè)呼吸速率和膜電位的變化，分析卟啉介導(dǎo)的細(xì)菌膜功能的PDI作用，發(fā)現(xiàn)在1 kW鎢放映燈和四(4-N,N,N-三甲基氨基苯基)卟啉（tetrakis(4-N,N,N-trimethylammoniumphenyl)porphyrin，TTMAPP）、四(4-N-甲基吡啶)卟啉（tetrakis(4-N-methylpyridinium)porphyrin，TMPyP）介導(dǎo)的PDI處理10 min對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制率分別達(dá)到了（39±5）%和（17±6）%，同時(shí)膜電位分別下降了（93±2）%和（72±4）%。

3.2 氧化細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)

作為所有微生物及其衍生物的主要成分，蛋白質(zhì)、脂類(lèi)和核酸等生物大分子在PDI過(guò)程中起到了生物靶標(biāo)的作用。在光敏化過(guò)程中，利用可見(jiàn)光或近紅外光激發(fā)PS產(chǎn)生單線態(tài)氧和其他ROS，這些ROS攜帶自由基或自由基離子，會(huì)作用于核酸、蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸等生物大分子，引發(fā)細(xì)胞凋亡和損傷[43]。Bachmann等[44]在研究亞甲基藍(lán)和115 W燈泡介導(dǎo)的PDI對(duì)HIV-1病毒的滅活作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，PDI會(huì)對(duì)核心蛋白質(zhì)、RNA和包膜等細(xì)胞組分造成破壞，在1 μmol/L亞甲基藍(lán)和105 W/m2光照強(qiáng)度條件下，輻照時(shí)間超過(guò)32 min逆轉(zhuǎn)錄酶會(huì)完全失去活性。其他研究也證明一些毒力因子（脂多糖和蛋白酶）在光作用下效力會(huì)降低[45]。

3.3 抑制群體感應(yīng)

細(xì)胞產(chǎn)生信號(hào)分子并釋放到環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境中信號(hào)分子的濃度達(dá)到某一閾值后，細(xì)胞開(kāi)啟細(xì)胞密度依賴的特定基因的表達(dá)，這一機(jī)制稱作群體感應(yīng)。當(dāng)前對(duì)于群體感應(yīng)的研究主要集中在革蘭氏陰性菌上，細(xì)菌通過(guò)群體感應(yīng)作用產(chǎn)生和釋放類(lèi)激素分子——自誘導(dǎo)物，并積聚在細(xì)菌細(xì)胞的外環(huán)境中，其中信號(hào)分子分為?；呓z氨酸內(nèi)酯類(lèi)分子、寡肽類(lèi)分子、AI-2信號(hào)分子和其他的信號(hào)分子4 類(lèi)[46]。PDI對(duì)于微生物群體感應(yīng)的作用機(jī)制主要集中在相關(guān)表達(dá)基因和產(chǎn)生群體效應(yīng)的信號(hào)分子上，作用效果往往受到細(xì)菌種類(lèi)、PS濃度、光照劑量的影響。譚楊[47]在研究PDI處理銅綠假單胞菌時(shí)比較了10 mmol/L氨基酮戊酸、紅光照射劑量108 J/cm2和20 mmol/L氨基酮戊酸、紅光照射劑量108 J/cm2條件下基因（IasI、IasR、rhlI、rhlR）的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)這4 種基因的表達(dá)水平均隨著氨基酮戊酸濃度的增加而逐漸降低。Fila等[48]發(fā)現(xiàn)在單次光波長(zhǎng)411 nm、120 W、9 600 s的LED介導(dǎo)的PDI條件下，大腸桿菌JM109 PSB536的rhl系統(tǒng)中N-丁?；呓z氨酸內(nèi)酯（N-butyryl-homoserine lactone，C4-HSL）信號(hào)分子活性下降了12.0%～63.7%，大腸桿菌JM109 PSB1142的las系統(tǒng)中N-3-氧代十二烷酰-L-同型絲氨酸內(nèi)酯（N-3-oxododecanoyl-L-isoserine lactone，3-oxo-C12-HSL）信號(hào)分子活性下降了45.1%～82.4%。

3.4 弱化毒力因子

PDI可以減輕或消除毒力因子對(duì)于細(xì)胞的傷害。它可以調(diào)節(jié)基因表達(dá)，減少毒力因子的產(chǎn)生、減弱毒力因子的活性或?qū)⑵渲苯訙缁頪49]。Bartolomeu等[50]研究在PS 5,10,15,20-四(1-甲基吡啶鎓-4-基)卟啉四碘化物的條件下，將從固體培養(yǎng)基中收集到的經(jīng)第一個(gè)周期光動(dòng)力滅活的3 株金黃色葡萄球菌（ATCC 6538、2065 MA和SA 3 MRSA）存活菌落進(jìn)行連續(xù)9 個(gè)周期的PDI處理，發(fā)現(xiàn)PDI能夠抑制毒力因子的表達(dá)，有效地滅活高毒株和低毒株金黃色葡萄球菌，且至少連續(xù)10 個(gè)周期治療后不產(chǎn)生光抗性。Tan Yang等[51]利用10 mmol/L的5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，ALA）、630 nm紅光LED、輸出功率密度108 J/cm2、處理時(shí)間20 min條件下處理銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），結(jié)果表明，其毒力因子綠青苷和彈性蛋白酶的抑制率分別達(dá)到了49.4%和45.7%，與對(duì)照組相比具有顯著性差異。毒力因子的抑制效果受到PS濃度和光照劑量的影響。Komerik等[52]使用PS甲苯胺藍(lán)O和632.8 nm、35 mW氦氖激光器介導(dǎo)的PDI對(duì)大腸桿菌脂多糖懸浮液和銅綠假單胞菌蛋白酶上清液進(jìn)行紅光照射，發(fā)現(xiàn)PDI可顯著降低脂多糖和蛋白酶的生物學(xué)活性，且該抑制效果與光能劑量和甲苯胺藍(lán)O濃度呈劑量依賴性。Tubby等[53]研究PS亞甲藍(lán)與665 nm激光聯(lián)合滅活葡萄球菌毒力因子的能力，也發(fā)現(xiàn)亞甲藍(lán)對(duì)V8蛋白酶、α-溶血素和鞘磷脂酶活性的抑制作用呈劑量依賴性。

3.5 破壞生物膜結(jié)構(gòu)

生物膜是指由于細(xì)菌通常附著于物體表面，和胞外分泌物聚集形成的復(fù)雜的群落組織[54]。它在食品工業(yè)中普遍存在，如食品、設(shè)備表面（傳送帶、管道等）和包裝材料（玻璃、聚苯乙烯等）。作為微生物污染的媒介，它能夠保護(hù)病原菌與腐敗菌免受環(huán)境脅迫、作為致病基因水平基因轉(zhuǎn)移的熱點(diǎn)、將原本良性的菌株轉(zhuǎn)化為病原菌以及為抗微生物突變活動(dòng)提供生態(tài)位[12]。近年來(lái)PDI在破壞污染物生物膜和抗菌中表現(xiàn)出了巨大的潛力，許多研究探討了PDI在食品保鮮中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。Martinez等[55]使用不同顆粒濃度光活性金屬卟啉摻雜的共軛聚合物納米粒子和藍(lán)光輻照劑量介導(dǎo)的PDI方案，針對(duì)9 種致病性細(xì)菌菌株進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)PDI可以有效破壞和根除高度相關(guān)的致病性細(xì)菌物種的生物膜，殺死作為固著細(xì)胞的超級(jí)細(xì)菌。PDI對(duì)于生物膜的作用機(jī)制包括破壞生物膜生物分子[56]、調(diào)節(jié)生物膜的基因表達(dá)[57]、破壞與降解胞外聚合物[58]、產(chǎn)生ROS[59]等。PDI抗生物膜效率主要受到光工程變量、PS的結(jié)構(gòu)和劑量、生物膜類(lèi)型（單/多種、厚度、結(jié)構(gòu)等）、接觸面（疏水性、電荷等）和食品環(huán)境因素的影響[12]。

4 光動(dòng)力滅活在食品中的應(yīng)用

PDI在食品保鮮中具有延緩果實(shí)衰老、防止食品腐敗變質(zhì)、提高食品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、調(diào)節(jié)果實(shí)成熟時(shí)間等積極作用，其效果主要受到PS的理化性質(zhì)、光照特性、食品基質(zhì)、目標(biāo)微生物等因素的影響。憑借其低成本、易于控制、滅菌效果好等優(yōu)點(diǎn)，如今在糧食生產(chǎn)、園藝、農(nóng)作物種植、漁業(yè)和畜牧業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。表2是一些常見(jiàn)食品的PDI處理?xiàng)l件。

表2 一些食品的PDI處理?xiàng)l件Table 2 PDI conditions for some foods

4.1 水果和蔬菜

水果和生蔬菜是人類(lèi)公認(rèn)的疾病傳播的媒介之一，如今已經(jīng)成為了食源性疾病的第二大來(lái)源，其中包括大腸桿菌O157:H7、沙門(mén)氏菌（Salmonella）和單增李斯特菌。水果在室溫下貯藏期短，所以保持其新鮮度非常重要。水果對(duì)病原菌的易感性高，因此抑制其中的微生物是防止腐爛的關(guān)鍵因素。Lin Yilin等[65]使用50 μmol/L姜黃素和藍(lán)色LED介導(dǎo)的PDI照射鮮切哈密瓜60 min后，發(fā)現(xiàn)鮮切哈密瓜的需氧微生物總數(shù)減少了1.8（lg（CFU/g））。同樣地，Lin Yilin等[66]利用30 μmol/L姜黃素和LED光照射處理銀耳30 min后，發(fā)現(xiàn)銀耳中梭形桿菌數(shù)減少了1.99（lg（CFU/g））。PDI處理可以很好地保持果蔬的光澤度、硬度、水分和外觀，延緩食品的褐變速度。果蔬在后熟階段產(chǎn)生的酯類(lèi)、醇類(lèi)等芳香族化合物除了賦予其特定香味外還可以防止食品腐敗。光作為調(diào)節(jié)植物二級(jí)代謝產(chǎn)物（如色素和風(fēng)味）的主要環(huán)境因素，可以影響風(fēng)味化合物的產(chǎn)生[67]。Wu Qixian等[68]發(fā)現(xiàn)火龍果經(jīng)過(guò)100 lx紅光照射后，第7天的1-己醇、β-芳樟醇、2-辛烯醛等揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)顯著增加，有效減緩了果實(shí)衰老。在植物成長(zhǎng)的過(guò)程中，酶控制蛋白質(zhì)等大分子和維生素等小分子的合成與分解。其中多酚氧化酶是影響農(nóng)產(chǎn)品外觀的一種重要的酶，它的活性也與果蔬的顏色變化密切相關(guān)。光會(huì)通過(guò)產(chǎn)生二級(jí)代謝產(chǎn)物改變酶的活性，可用于抵抗外部的光氧化脅迫[69]。除此之外，果蔬的基因表達(dá)水平也會(huì)在此過(guò)程中受到影響，PDI可以達(dá)到加速成熟和延緩成熟的目的，進(jìn)而調(diào)節(jié)果蔬的保質(zhì)期。

4.2 肉及肉制品

動(dòng)物源食品中富含水分、蛋白質(zhì)和其他營(yíng)養(yǎng)成分，容易受到多種來(lái)源的微生物污染。與果蔬相比，動(dòng)物源食品保質(zhì)期更短。若處理不當(dāng)會(huì)加速蛋白質(zhì)的降解、脂質(zhì)和色素氧化，表面表現(xiàn)為食品的顏色、氣味和表面黏度異常。肉類(lèi)食品中最常見(jiàn)的微生物是金黃色葡萄球菌、沙門(mén)氏菌和單增李斯特菌。Huang Jiaming等[70]研究了0.2 μmol/L姜黃素和0.54 J/cm2藍(lán)色LED介導(dǎo)的PDI對(duì)鮭魚(yú)的滅活效果，與避光對(duì)照組相比，PDI減緩了在25 ℃儲(chǔ)存期間鮭魚(yú)中單增李斯特菌的增殖速度，最大滅活數(shù)量達(dá)到了4（lg（CFU/g））（滅活率99.99%）。此外，PDI極大地延緩了pH值的升高和揮發(fā)性鹽基氮的產(chǎn)生，延緩了游離脂肪酸的積累，減緩了蛋白質(zhì)的降解和水分流失，從而保持了其質(zhì)地和感官特性。肉制品在烹調(diào)過(guò)程中可以滅菌，同時(shí)這也會(huì)影響其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，因此選擇合適的烹調(diào)溫度和烹調(diào)時(shí)間十分重要。Kim等[71]評(píng)估了405 nm的LED在不同溫度光照條件下對(duì)熟雞肉中沙門(mén)氏菌的影響情況，發(fā)現(xiàn)4 ℃和3.8 kJ/cm2LED照射條件下雞肉中沙門(mén)氏菌的數(shù)量減少了0.8～0.9（lg（CFU/cm2）），而在10 ℃和20 ℃條件下不同大小菌株的沙門(mén)氏菌處理組的生長(zhǎng)僅為受到抑制和減緩，這是由于4 ℃條件下LED照射導(dǎo)致沙門(mén)氏菌細(xì)胞無(wú)法修復(fù)DNA、RNA、蛋白質(zhì)和細(xì)胞壁代謝有關(guān)的細(xì)胞損傷。在實(shí)際生產(chǎn)中為防止肉制品在運(yùn)輸貯藏等環(huán)節(jié)中受到污染，便于攜帶食用，在出廠前需要進(jìn)行一定的包裝，在這種情況下可以應(yīng)用PDI進(jìn)行有效滅菌。即使肉制品外覆蓋透明包裝材料也不會(huì)明顯降低殺菌效果，適用于已包裝食品中。

4.3 乳及乳制品

作為日常飲食之一，乳及乳制品為人類(lèi)提供了豐富的蛋白、維生素、碳水化合物等營(yíng)養(yǎng)成分。但是其極易腐敗，容易受到各種微生物的污染。其中最常見(jiàn)的污染物包括大腸桿菌O157:H7、金黃色葡萄球菌、熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）和單增李斯特菌等。牛奶暴露在光線中會(huì)促進(jìn)脂肪氧化成醛和含硫氨基酸降解，這兩者都會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生異味。巴氏殺菌并不能殺死全部微生物，同時(shí)熱處理還可能對(duì)牛奶的感官特性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值產(chǎn)生不利影響，因此乳制品行業(yè)需要非熱殺菌技術(shù)處理來(lái)幫助保存食品和消除嗜冷菌。Brothersen等[72]發(fā)現(xiàn)牛奶經(jīng)VA、核黃素和4 000 lx LED輻照24 h后，揮發(fā)性化合物中的各種醛、醇、酮、酯的含量明顯下降，牛奶風(fēng)味得到了更好的保留。Saraiva等[73]將500 μg/mL姜黃素作為涂層應(yīng)用到Minas Frescal奶酪中進(jìn)行PDI（λmax＝450 nm，總能量劑量為4.86 J/cm2），發(fā)現(xiàn)PDI不僅對(duì)熒光假單胞菌具有良好的殺菌作用，還可以保持奶酪的硬度和咀嚼性，減少蛋白質(zhì)的水解。PDI在乳及乳制品中已經(jīng)被證實(shí)可以在有效滅活微生物的同時(shí)不影響食品品質(zhì)、顏色外觀和損傷細(xì)胞。

4.4 堅(jiān)果及谷物

堅(jiān)果和谷物等低水分活度食品中的食源性病原體長(zhǎng)期處于休眠狀態(tài)，在接觸有利環(huán)境時(shí)會(huì)被喚醒從而變得活躍。PDI處理低水分食品改善食品保鮮效果的研究較少，但結(jié)果普遍表現(xiàn)出了積極效果。黃曲霉是食品和飼料中主要產(chǎn)生黃曲霉毒素的真菌之一，Temba等[74]研究了50 μmol/L姜黃素、420 nm、60 J/cm2外顯子弧光燈介導(dǎo)的PDI對(duì)于受孢子污染的玉米粒的滅活效果，發(fā)現(xiàn)黃曲霉毒素B1的含量顯著降低，平均為82.4 μg/kg，而未經(jīng)處理的玉米粒在該條件下黃曲霉毒素B1含量高達(dá)305.9 μg/kg。并且在PDI處理中真菌分生孢子和菌絲的光滅活效率在溫度15～35 ℃或pH 1.5～9.0的范圍內(nèi)不受到影響。Glueck等[75]觀察到在姜黃素衍生物SACUR-3結(jié)合435 nm、33.8 J/cm2LED介導(dǎo)的PDI作用下，葫蘆巴種子和綠豆中的大腸桿菌O157:H7數(shù)量減少了2～4 個(gè)對(duì)數(shù)值。由于光在食品表面的不均勻分布，食品的幾何形狀會(huì)影響PDI的滅活效果。當(dāng)食品的形狀趨近于球體，表面積較大時(shí)，可以考慮采用全方位照明的方案。對(duì)于復(fù)雜的三維幾何結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)樣品在單向光源的光場(chǎng)中的主動(dòng)和直接旋轉(zhuǎn)、光源的旋轉(zhuǎn)或開(kāi)發(fā)用于食品去污染的三維光源實(shí)現(xiàn)滅活。

4.5 飲料等液體食品

飲料等液體食品由于其高水分活度容易受到病原體的污染。為了延長(zhǎng)保質(zhì)期，傳統(tǒng)方法采用添加化學(xué)防腐劑以減少微生物的繁殖與生長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著無(wú)添加劑食品的需求增加，消費(fèi)者對(duì)食品安全關(guān)注度日益增加，PDI作為一種新興殺菌手段在液體食品應(yīng)用中得到了關(guān)注。Cho等[76]評(píng)估了赤蘚紅B和100 W、0.4 mW/cm2氙燈介導(dǎo)的PDI對(duì)于番茄汁中大腸桿菌O157:H7、鼠傷寒沙門(mén)氏菌和單增李斯特菌的滅活效果，發(fā)現(xiàn)處理15 min后3 種細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量分別減少了6.77、2.74、6.43（lg（CFU/mL）），而沒(méi)有產(chǎn)生亞致死性損傷細(xì)胞。Ghate等[77]把不同血清型腸道沙門(mén)氏菌（Gaminara、Montevideo、Newport、Typhimurium和Saintpaul）接種到橙汁中，研究了波長(zhǎng)460 nm藍(lán)色LED、不同輻照度、不同溫度介導(dǎo)的PDI效果，通過(guò)模型擬合生存曲線，證明了PDI在食品中的應(yīng)用潛力和降低食品風(fēng)險(xiǎn)的可行性。此外，PDI能夠減輕非酶褐變，顯著降低果汁中的抗壞血酸含量。在進(jìn)行PDI滅活時(shí)，應(yīng)考慮優(yōu)化液體食品的性質(zhì)（粒徑、濁度、顏色）、劑量、照射時(shí)間、溫度等因素。未來(lái)可以探索將PDI與其他非熱技術(shù)或溫和的熱處理相結(jié)合，以進(jìn)一步提高滅活效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

PDI技術(shù)作為一種新型的非熱殺菌技術(shù)，可以對(duì)食品進(jìn)行有效的微生物滅活和保鮮，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)殺菌技術(shù)可能對(duì)食品品質(zhì)影響較大的局限性，能夠有效控制食品中的微生物，可用于延長(zhǎng)蔬菜、水果、肉類(lèi)、堅(jiān)果和飲料等食品的保質(zhì)期，保持食品的營(yíng)養(yǎng)和感官特性。而且PDI技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低，不會(huì)使微生物產(chǎn)生抗藥性，容易在食品工業(yè)中投入應(yīng)用。近年來(lái)關(guān)于PDI對(duì)于微生物病原體和食品保鮮的研究普遍表現(xiàn)出了很好的效果，但大多數(shù)結(jié)果都是建立在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究中，缺少將實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化并應(yīng)用于食品工業(yè)生產(chǎn)。因此，在后續(xù)發(fā)展過(guò)程中可以開(kāi)展PDI在工業(yè)過(guò)程的研究，為PDI在食品領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供依據(jù)?？傊琍DI的出現(xiàn)為食品保鮮提供了更多選擇，能夠促進(jìn)食品行業(yè)的發(fā)展。