◎ 李雪娜
(國家輕工業(yè)食品質(zhì)量監(jiān)督檢測南京站,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)場層面可行性等因素的影響,食品殺菌技術(shù)還存在一些問題。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會(huì)對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)對于新的殺菌技術(shù)需求迫切[1]。
光敏化反應(yīng)也稱為光動(dòng)力殺菌,通過光照射光敏劑實(shí)現(xiàn)對周邊環(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),光敏劑對營養(yǎng)細(xì)胞、孢子和生物膜具有致死作用,而對周圍環(huán)境沒有不利影響,目前還沒有關(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)開辟了新的道路,使用光動(dòng)力殺菌技術(shù)對產(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。
姜黃素(C21H20O6)是從姜黃根狀莖(姜科)中提取的一種多酚化合物,在中國和印度醫(yī)學(xué)中有著長期的傳統(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
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。
姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力對革蘭氏陰性和陽性菌均有殺菌作用,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,光劑量對殺菌效果的影響在文獻(xiàn)報(bào)道中并不一致。通過將光劑量從10增加到100 J·cm-2,金黃色葡萄球菌的減少量呈增加趨勢,顯示出了殺菌效果對光劑量的依賴性。然而,另一研究結(jié)果表明姜黃素沒有光劑量的依賴性。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姜黃素對變形鏈球菌的殺菌效果相似[7]。
環(huán)境pH可對姜黃素介導(dǎo)的光動(dòng)力的殺菌效果產(chǎn)生影響。通過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)。
姜黃素通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞是姜黃素光敏化過程中的關(guān)鍵步驟。針對細(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光敏劑的吸收,光敏劑應(yīng)該攜帶更多正電荷。如通過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)膜包被的革蘭氏陽性細(xì)菌細(xì)胞外部被40~80 nm的肽聚糖壁包圍,孔隙相對較大,對滲透沒有屏障功能,姜黃素更容易進(jìn)入到其細(xì)胞中。
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,而對顏色和顏色沒有產(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)在照明過程中需要旋轉(zhuǎn)才能獲得滿意的結(jié)果。然而,無論姜黃素濃度如何,使用二維光源對更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)(如綠豆芽)都是無效的,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。
維護(hù)食品質(zhì)量屬性(如外觀、顏色、食品的營養(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,對原有食品顏色的表現(xiàn)有一定的不利影響。但是,姜黃素對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]。
食品工業(yè)的首要任務(wù)是延長保質(zhì)期,保持食品的安全、感官和營養(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、價(jià)格昂貴、對耐藥微生物和孢子缺乏有效性以及對食品的質(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,且對加工食品的感官質(zhì)量產(chǎn)生的不良影響較小。