细菌、真菌、病毒等微生物都可能会导致食品污染，进而缩短食品货架期，甚至是食源性中毒。 与传统上午化学杀菌和加热杀菌技术相比，非热物理杀菌技术能更好地保持食品营养与感官特性，其中光动力灭活（PDI）更是被视作一种有效的细菌灭活策略。PDI也称光动力疗法或光动力杀菌，它是利用光和光敏剂（PS）来达到抑制微生物生物活性的目的，具有杀菌效果好、成本低、对环境友好、安全等优点。
东北农业大学食品学院的范宇航，周雅菲，孔保华*等人 阐述了PDI技术的基础原理和主要组成，对食源性微生物及其相关特征进行了介绍，并分析了PDI的具体抗菌机理，最后总结了PDI在食品中的应用情况，以期使PDI技术在食品的抑菌和保鲜领域中得到更多的关注。
光敏化过程主要由3 个部分所组成，包括PS、光源和分子氧（3O2）。PDI的基础原理如图1所示。基态光敏剂（0PS）在光源的激活下会跃迁为单重态（1PS*）。1PS*是不稳定的，容易在荧光发射条件下再次转换为基态的形式。系间窜越是指处于激发态分子的电子发生自旋反转而使分子的多重性发生明显的变化的非辐射跃迁的过程。1PS*也可以系间窜越成相对来说比较稳定的激发三重态（3PS*），3PS*通过磷光释放多余的能量能再一次回到基态。在3PS*状态下会发生两类反应：I型反应机制为3PS*与周围的有机物和基态氧反应，从它们中获得电子，生成活性氧（ROS），如过氧化氢（H2O2）、超氧阴离子（O2-•）、羟自由基（•OH）和单线）等。II型反应机制为3PS*将能量传递给三线）反应生成单线）。PDI过程是I型机制和II型机制的组合。在实际过程中，这两类机制常常同时存在。I型机制和II型机制反应产生的ROS以及自由基的混合物会引起生物分子氧化和细胞损伤，在抑制微生物的生长过程中发挥重要作用。
PS是指一种能够吸收光子而被激发的物质，它可以将吸收的光能传递给另一组分的分子，使其被激发，而它本身回到基态，它在PDI技术中扮演着最重要的角色。许多细菌和真菌天然含有内源PS，如卟啉和细胞色素等，但杀菌效果并不十分显著。PS分类方法较多，按照时间发展顺序可大致分为3代：第一代为卟啉类化合物，第二代包括卟啉衍生物与金属酞菁、稠环醌类等化合物，相较于第一代其光敏期更短，作用的光波波长更长、作用深度更深。第三代PS是在传统PS的基础上结合了相关特异性因子，进一步提升了PS的靶向作用和特异性。近年来凭借来源稳定、毒副作用小、光效高等特点，天然PS已然成为食品保鲜领域应用最具潜力的PS种类。但由于其受到波长范围、病源菌种类的限制，需要对天然PS进行一定的改造与修饰，包括纳米化、多肽修饰和糖基与糖肽修饰。
光源是PDI的组成部分之一，在光敏化过程中起到激活PS的作用，其发光波长、照光方式和剂量直接决定了PDI的效果。不同光源类型的发射波长和功率等特性上存在着一定的差异，在实际应用中需要仔细考虑相关特性选择正真适合的光源。PDI的光源分为相干光源和非相干光源两类：相干光源一般是由激光器发射产生的，典型光源包括金属蒸汽激光器、氦氖激光器、氩离子激光器、Nd：YAG激光器、半导体激光器，其具有灭活效果良好、操作简单便捷、耗能较低等优点，在PDI中取得了一定的应用。非相干光源最重要的包含白炽灯和发光二极管（LED），其中LED是近年来加快速度进行发展的一种光源，已经呈现出替代激光的明显趋势。它不仅在发光效率、输出功率和稳定能力等性能方面有所提升，且价格低廉耐用、可与其他技术结合共同提高灭活效果。
在增殖过程中，一些污染菌可产生毒力因子和毒素等有害于人体健康的物质，进而会导致各种感染，诱发疾病。细菌性污染是数量最多、涉及面最广的一类食品污染，具有易发性和普遍性的特点，其中金黄色葡萄球菌在细菌污染中占到了大多数。金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）属于革兰氏阳性和共生细菌，它可以在人体的皮肤、鼻孔和胃肠道中定植，通过接触或者呼吸道分泌物定植的方式污染食物，因此导致葡萄球菌性食物中毒，极少数情况下还会危及到生命。它的抗性很强，可以生长在温度范围为7.0～48.5 ℃（最适30～37 ℃）、pH值范围为4.2～9.3（最适7.0～7.5）和氯化钠质量分数高达15%的环境中，因此葡萄球菌性食品污染慢慢的变成了食品制造业和医疗保健中一个无法忽视的问题。大肠杆菌（Escherichia coli）也是一种常见食源性疾病的病原体，它通过整合子、可传播质粒和转座子传播抗生素耐药性基因，这会对环境能够造成巨大的威胁，涉及到的污染对象包括农田、人体、食品和野生动物。尤其是血清型O157:H7，因其极强的传染性、致病性和病死率受到广泛关注，大肠杆菌O157:H7目前尚且没有有效的治疗方案。
产生霉菌毒素的真菌主要属于青霉菌、曲霉、镰刀菌和其他丝状霉菌。与细菌不同，真菌的细胞壁含有几丁质、葡聚糖、脂蛋白和一个中等通透性屏障。在相同条件下，真菌的抗性更强，产生的真菌毒素在生物合成后可以在食品中长期存在。真菌毒素污染范围广，具有致畸、致癌和致突变性等特点，都会存在于农副产品和动物饲料中，全世界每年由于霉变污染真菌毒素引起的经济损失达到了数百亿美元。
由于难以进行细胞培养或培养后不呈现细胞病理效应，食源性病毒始终没得到有效控制，对公共健康卫生造成了严重的威胁。病毒由核酸（一般为DNA或RNA）组成，包裹在衣壳的蛋白质外壳内。它的体积微小，直径在17～300 nm，通过粪口途径或畜禽产品载体传播，极少量就能导致机体发病。按照来源可大致分为肠道食源性病毒和人畜共患的食源性病毒两类。与细菌不同，病毒不能在食物中复制，因此受污染的食物作为媒介感染的能力取决于病毒稳定性和宿主敏感性。大多数流行病都与诺如病毒（norovirus）和甲型肝炎病毒（hepatitis A virus）有关，其次是戊型肝炎病毒（hepatitis E virus）、沙波病毒（sabo virus）、轮状病毒（rotavirus），也有一定可能会对人类构成一定威胁。病毒的食源性疾病暴发通常与生食有关，如贝类、水果和蔬菜。病毒能够在植物、动物和人体中引起多种疾病，其中幼儿、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。
除食源性致病性细菌、真菌和病毒外，螺旋体（spirochete）、弓形虫（Toxoplasma gondii）等致病病原体也会引起食源性疾病，危害人体健康。食品中的常见污染物及其感染途径和食品媒介等内容见表1。
PDI对于食源性微生物的主要抑菌机制包括破坏微生物结构和功能、氧化细胞内大分子物质、抑制群体感应、弱化毒力因子和破坏生物膜结构（图2）。
在光敏化处理中，细胞壁外部成分和细胞内细胞器都是PDI的潜在靶点，作为灭活这些微生物的作用位点。研究表明，PDI在PS的作用下会靶向对微生物细胞结构造成损伤，如质膜透化、细胞内容物流出等，促使微生物代谢紊乱和死亡。Hyun等研究了460～470 nm LED照射对琼脂培养基和包装切片奶酪的表面致病菌和腐败菌的抑菌效果，在4 ℃下460～470 nm LED照射4 d后通过透射电子显微镜观察到单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）（以下简称单增李斯特菌）细胞膜破裂和细胞质成分流出的完整过程（图3），发现单增李斯特菌的细胞损伤与RNA、蛋白质和肽聚糖代谢有关。微生物的膜电位和呼吸等功能在光敏化过程中也会受到一定影响。
作为所有微生物及其衍生物的主要成分，蛋白质、脂类和核酸等生物大分子在PDI过程中起到了生物靶标的作用。在光敏化过程中，利用可见光或近红外光激发PS产生单线态氧和其他ROS，这些ROS携带自由基或自由基离子，会作用于核酸、蛋白质和不饱和脂肪酸等生物大分子，引发细胞凋亡和损伤。
细胞产生信号分子并释放到环境中，当环境中信号分子的浓度达到某一阈值后，细胞开启细胞密度依赖的特定基因的表达，这一机制称作群体感应。当前对于群体感应的研究大多分布在在革兰氏阴性菌上，细菌通过群体感应作用产生和释放类激素分子——自诱导物，并积聚在细菌细胞的外环境中，其中信号分子分为酰基高丝氨酸内酯类分子、寡肽类分子、AI-2信号分子和其他的信号分子4 类。PDI对于微生物群体感应的作用机制大多分布在在相关表达基因和产生群体效应的信号分子上，作用效果往往受到细菌种类、PS浓度、光照剂量的影响。
PDI能减轻或消除毒力因子对于细胞的伤害。它能调节基因表达，减少毒力因子的产生、减弱毒力因子的活性或将其直接灭活。 毒力因子的压制效果受到PS浓度和光照剂量的影响。
生物膜是指由于细菌通常附着于物体表面，和胞外分泌物聚集形成的复杂的群落组织。它在食品制造业中都会存在，如食品、设备表面（传送带、管道等）和包装材料（玻璃、聚苯乙烯等）。作为微生物污染的媒介，它能够保护病原菌与腐败菌免受环境胁迫、作为致病基因水平基因转移的热点、将原本良性的菌株转化为病原菌以及为抗微生物突变活动提供生态位。近年来PDI在破坏污染物生物膜和抗菌中表现出了巨大的潜力，许多研究探讨了PDI在食品保鲜中的应用和发展的新趋势。PDI对于生物膜的作用机制包括破坏生物膜生物分子、调节生物膜的基因表达、破坏与降解胞外聚合物、产生ROS等。PDI抗生物膜效率主要受到光工程变量、PS的结构和剂量、生物膜类型（单/多种、厚度、结构等）、接触面（疏水性、电荷等）和食品外因的影响。
PDI在食品保鲜中具有延缓果实衰老、防止食品腐败变质、提高食品营养品质、调节果实成熟时间等非消极作用，其效果主要受到PS的理化性质、光照特性、食品基质、目标微生物等因素的影响。凭借其低成本、易于控制、灭菌效果好等优点，如今在粮食生产、园艺、农作物种植、渔业和畜牧业等领域已得到了广泛的应用。表2是一些常见食品的PDI处理条件。
水果和生蔬菜是人类公认的疾病传播的媒介之一，如今慢慢的变成了了食源性疾病的第二大来源，这中间还包括大肠杆菌O157:H7、沙门氏菌（Salmonella）和单增李斯特菌。PDI处理可以很好地保持果蔬的光泽度、硬度、水分和外观，延缓食品的褐变速度。果蔬在后熟阶段产生的酯类、醇类等芳香族化合物除了赋予其特定香味外还可以有效的预防食品腐败。光作为调节植物二级代谢产物（如色素和风味）的主要外因，可以影响风味化合物的产生。在植物成长的过程中，酶控制蛋白质等大分子和维生素等小分子的合成与分解。其中多酚氧化酶是影响农产品外观的一种重要的酶，它的活性也与果蔬的颜色变化紧密关联。光会通过产生二级代谢产物改变酶的活性，可用于抵抗外部的光氧化胁迫。除此之外，果蔬的基因表达水平也会在此过程中受一定的影响，PDI能够达到加速成熟和延缓成熟的目的，进而调节果蔬的保质期。
肉类食品中最常见的微生物是金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和单增李斯特菌。Huang Jiaming等研究了0.2 μmol/L姜黄素和0.54 J/cm 2 蓝色LED介导的PDI对鲑鱼的灭活效果，与避光对照组相比，PDI减缓了在25℃储存期间鲑鱼中单增李斯特菌的增殖速度，最大灭活数量达到了4（lg（CFU/g））（灭活率99.99%）。此外，PDI极大地延缓了pH值的升高和挥发性盐基氮的产生，延缓了游离脂肪酸的积累，减缓了蛋白质的降解和水分流失，从而保持了其质地和感官特性。肉制品在烹调过程中可以灭菌，同时这也会影响其营养价值，因此选择正真适合的烹调温度和烹调时间十分重要。在实际生产中为防止肉制品在运输贮藏等环节中受到污染，便于携带食用，在出厂前有必要进行一定的包装，在这种情况下能应用PDI进行相对有效灭菌。即使肉制品外覆盖透明包装材料也不会明显降低杀菌效果，适用于已包装食品中。
乳及乳制品极易腐败，容易受到各种微生物的污染。巴氏杀菌并不能杀死全部微生物，同时热处理还可能对牛奶的感官特性和营养价值产生不利影响，因此乳制品行业需要非热杀菌技术处理来帮助保存食品和消除嗜冷菌。Brothersen等发现牛奶经VA、核黄素和4 000 lx LED辐照24 h后，挥发性化合物中的各种醛、醇、酮、酯的含量显而易见地下降，牛奶风味得到了更好的保留。PDI在乳及乳制品中已经被证实可以在有效灭活微生物的同时不影响食品品质、颜色外观和损伤细胞。
坚果和谷物等低水分活度食品中的食源性病原体一直处在休眠状态，在接触有利环境时会被唤醒从而变得活跃。PDI处理低水分食品改善食品保鲜效果的研究较少，但结果普遍表现出了积极效果。由于光在食品表面的不均匀分布，食品的几何形状会影响PDI的灭活效果。当食品的形状趋近于球体，表面积较大时，可优先考虑采用全方位照明的方案。对于复杂的三维几何结构，能够最终靠样品在单向光源的光场中的主动和直接旋转、光源的旋转或开发用于食品去污染的三维光源实现灭活。
PDI作为一种新兴杀菌手段在液体食品应用中得到了关注。Cho等评估了赤藓红B和100 W、0.4 mW/cm 2 氙灯介导的PDI对于番茄汁中大肠杆菌O157:H7、鼠伤寒沙门氏菌和单增李斯特菌的灭活效果，发现处理15 min后3 种细菌细胞数量分别减少了6.77、2.74、6.43（lg（CFU/mL）），而没有产生亚致死性损伤细胞。Ghate等把不同血清型肠道沙门氏菌（Gaminara、Montevideo、Newport、Typhimurium和Saintpaul）接种到橙汁中，研究了波长460 nm蓝色LED、不同辐照度、不一样的温度介导的PDI效果，通过模型拟合生存曲线，证明了PDI在食品中的应用潜力和降低食品风险的可行性。此外，PDI能够减轻非酶褐变，明显降低果汁中的抗坏血酸含量。在进行PDI灭活时，应考虑优化液体食品的性质（粒径、浊度、颜色）、剂量、照射时间、温度等因素。未来可以探索将PDI与其他非热技术或温和的热处理相结合，以进一步提升灭活效果。
PDI技术作为一种新型的非热杀菌技术，可以对食品进行相对有效的微生物灭活和保鲜，弥补了传统杀菌技术可能对食品品质影响较大的局限性，能够有效控制食品中的微生物，可用于延长蔬菜、水果、肉类、坚果和饮料等食品的保质期，保持食品的营养和感官特性。而且PDI技术简单易操作、成本低，不会使微生物产生抗药性，容易在食品制造业中投入应用。近年来关于PDI对于微生物病原体和食品保鲜的研究普遍表现出了很好的效果，但大多数结果都是建立在实验室规模的研究中，缺少将实验结果转化并应用于食品制造业生产。因此，在后续发展过程中可以开展PDI在工业过程的研究，为PDI在食品领域的大规模应用提供相关依据。总之，PDI的出现为食品保鲜提供了更多选择，可以在一定程度上促进饮食业的发展。
博士、博导。国务院特殊津贴获得者，黑龙江省“龙江学者”，省“龙江科技英才”，省杰出青年基金获得者，省教学名师，省头雁团队骨干成员。任中国畜产品加工学会常务理事及肉品分会主任委员，中国农业机械学会农副产品机械分会副理事长，国家肉类加工产业技术联盟副理事长等，农业部国家牛肉加工分中心主任。获国家和省部级科技奖励12 项，包括国家科学技术进步二等奖1 项，省部级科技一等奖4 项、二等奖4 项。发表学术论文590余篇，其中发表SCI论文270余篇，EI论文90余篇, 15篇SCI为ESI高引论文（top 1%），为爱思唯尔（Elsevier）高被引学者，H-index 55，入选斯坦福大学发布的全球前2%科学家榜单，入选全球前10万顶尖科学家榜单。荣获中国肉品加工业“十大杰出科技人物”。获得为中国食品产业产学研创新发展中做出突出贡献的“杰出科研人才奖”。获得由中国肉类协会颁发的“中国肉类产业科技领军人物”称号。编写教材和著作22部，两次获得国家出版基金的资助，并获得华夏英才出版基金的资助。取得授权专利40余项，指导博士研究生45 人，硕士研究生145 人。
本文《光动力灭活在食品杀菌保鲜中的研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷17期373-381页. 作者：范宇航，周雅菲，刘昊天，陈倩，刘骞，孔保华. DOI:10.7506/spkx0920-188. 点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。
实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。
非热加工专栏：江苏大学邹小波、石吉勇教授等：米糠非热稳定化处理技术探讨研究进展
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