《食品科学》：河南农业大学王田林教授等：光热-光动力级联技术在食品杀菌保鲜中的应用研究进展

食品安全已成为全球不能忽视的安全问题，许多食源性疾病暴发归因于微生物感染。常见的食源性致病菌有金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、沙门氏菌，全球每年由于食源性致病菌的污染造成大量的粮食和经济资源损失。

近年来，一种新兴的非特异性抗菌方法——光动力灭活法引起人们的关注，它不易引起细菌耐药，其利用光和光敏剂产生氧化活性物质从而达到灭菌的目的。另一种新的灭菌法——光热灭活法是一种利用光热剂在近红外激光照射下造成局部温度升高，进而破坏致病菌完整性，达到杀菌目的的方法。光热灭活法产生的局部温度升高可以增加细菌细胞膜的通透性，促进细胞摄取光动力灭活产生的氧化活性物质。因此光动力灭活与光热联合使用比单独使用一种方法进行食品灭菌保鲜可获得更好的成效。

河南农业大学食品科学技术学院的李嘉琪、杨梦帆、王田林*等人分别阐述了光动力及光热技术的杀菌机理，归纳了光动力与光热技术级联的优势，以及该级联技术在食品灭菌保鲜中的应用情况，以期为食品灭菌保鲜技术的应用提供理论支撑。

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光敏剂及光动力杀菌

光敏剂是指在光化学反应中能够吸收光子并将能量传递给特定分子，使其参与化学反应的一类天然或者合成的化学物质。例如，姜黄素就是天然的光敏剂之一，姜黄素是一种从姜黄等生姜植物根茎中提取的天然多酚类物质，400～500 nm波长的光即可激发，在体外对大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌和金黄色葡萄球菌等病原菌有明显的抑制作用。姜黄素具有多种生物活性，包括抗氧化、抗菌、抗炎和抗癌活性，在光照下显示出高光敏活性，是一种低毒性的天然光敏剂。吲哚菁绿（ICG）可作为光敏剂，在近红外照射下将分子氧转化为单线态氧，具有优异的光动力作用和生物安全性。碳点（CDs）是一类直径小于10 nm的零维纳米材料，具有发光波长可调、表面功能化易修饰、生物相容性好等优点。

光动力灭菌是结合光敏剂、氧气和可见光产生反应性光产物，高活性光产物为自由基或活性氧，如单线态氧或过氧化氢，这些反应性光产物的产生诱导DNA氧化、膜损伤、脂质和蛋白质破坏或渗漏，最终导致细菌死亡。光动力反应主要有两种类型：第1种类型是在激光照射下，光敏剂处于基态（1PS0）可以吸收光子，变成受激发的单重态（1PS*）。然后，被激发的单重态光敏剂一部分可以通过荧光发射损失能量返回到基态，而其余部分可以通过系统间交叉成功转换到长寿命的三重态光敏剂（3PS*），部分长寿命的三重态光敏剂通过磷光发射衰变至基态，而其余部分与周围的有机物和基态氧反应产生氧化活性物质如过氧化氢、超氧阴离子、羟自由基和单线态氧，它们能够使细菌靶细胞失活，在这个反应过程中，光敏剂会被消耗掉，无法再生。第2种类型是生成的长寿命三重态光敏剂能与三重态氧分子（3O2）反应生成单线态氧，单线态氧将底物还原。在此反应阶段，光敏剂不会被破坏或者消耗，分子会回到基态参与下一轮反应（图1）。光动力抗菌是一个多因素相互作用的动态过程，两种反应类型产生的氧化应激物质会与细菌细胞中多种成分相互作用，导致细菌凋亡。

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光热剂及光热杀菌

光热剂能够吸收适当波长的光，并将吸收的光能转化为热能。光热效应通常表现为材料通过吸收光而温度升高，不同的材料具有不同的光-热转换能力。由光能到热能转换过程中主要涉及3 个机制：等离子体局部加热、半导体中的非辐射弛豫和分子热振动，其共同实现热能的转化导致局部温度升高从而灭活细菌（图2）。

2.1 等离子体局部加热

金属纳米结构中发生的局部热量升高的等离子体激元效应涉及了局部LSPR效应的激发、热电子的增强吸收和弛豫以及向周围介质的热传递。从吸收的光子到金属纳米结构的导带电子的能量转移经历了4 个阶段（图3）。1）表面等离子体激元的共振激发：LSPR是指限制在高导电纳米结构内部的导带电子的集体振荡，集体电子振荡的量子称为等离子体激元，这类似于从光波量子定义的光子以及从声波量子处理的声子。等离子体激元的激发不仅可以在结构表面感应到强电场增强，且可以在谐振频率下产生极大的吸收和散射截面，这两个重要的效应使金属纳米结构可以吸收和集中光能，表现出良好的光热转换能力。2）电子和电子碰撞的无热过程：金属纳米材料表现出很好的导电性，具有一定数量的自由电子和可极化电子。在光照射下，等离子体纳米结构可通过电子跃迁吸收入射光子的能量。当光子能量与LSPR波段匹配时会发生强共振相互作用，增强光吸收。金属纳米材料的自由导电电子从其固有的平衡态位移到结构表面重新定位，并且与外部的电磁波发生同相振荡。由此产生的LSPR光激发是一个全局的非平衡状态，等离子体以极快的速度发生消相和衰变。为了恢复热平衡状态，吸收的电子能量可通过光子的辐射再发射或通过朗道阻尼产生电子空穴对的非辐射释放，该过程电子和电子间发生碰撞不会损失吸收的光子能量。3）电子和声子散射的快速晶格热化：非辐射等离子体衰变产生的高能电子被称为热电荷载流子，其在100 fs～1 ps的时间范围内可快速与低能电子相互作用。通过电子和声子散射的过程与金属晶格耦合。这一弛豫步骤导致纳米结构的晶格热化。4）声子和声子碰撞的缓慢热耗散：金属结构内部的热能通过声子和声子的碰撞释放到周围环境中，随着热耗散和晶格冷却，导带中金属纳米结构的电子最终返回到它们在光激发之前的基态。

2.2 半导体中的非辐射弛豫

半导体的带间和带内电子跃迁也能发挥出很好的光热效应，当具有足够能量的光子激发半导体材料时，会产生能量与带隙相当的电子空穴对。受激发的电子能量可以通过发射光子释放，也可以通过肖克利-里德-霍尔和俄歇复合两种类型的非辐射弛豫过程转移到材料晶格，半导体中通过载流子复合释放声子会增加热量的损失，因此导致晶格的局部温度升高，半导体发热。

2.3 分子的热振动

碳基材料和一些有机聚合物表现出优异的光吸收特性，且通过晶格振动可产生热量。常见的碳键在低能辐射下，这些材料中松散的电子可以从π轨道激发到π*轨道。当入射光子的能量足够强时，材料内的电子会发生跃迁，π电子会从基态激发到更高能态。受激发的电子通过振动电子耦合弛豫到基态后，多余的能量以热的形式释放出来，导致其局部温度升高。

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光热-光动力级联杀菌作用

长期使用单一抗菌方式会降低杀菌效果，仅仅依赖光动力灭菌，产生的氧化应激物质穿透力受限，因此不能彻底杀灭致病菌，而在单独使用光热杀菌的过程中，光的散射和吸收效应不可避免地降低了光热转换效率，靶向性也较低，可能会造成健康组织的损伤，而光热和光动力技术联合使用会产生更好的杀菌效果，光热导致的局部温度升高会增加细菌细胞膜的通透性，高活性氧物质引起细胞内蛋白质、DNA、脂肪和其他分子的光损伤，致使细菌死亡。在近红外激光的照射下，光敏剂和光热剂同时被激发，光能转变为热能，被细菌污染的部位温度升高，细胞膜透过性增加，光敏剂被激发产生的反应性光产物引起细胞氧化损伤，氧化应激物质打破了微生物内部稳态的平衡进而和光热产生的高温协同杀灭微生物（图4）。表1总结了单一技术和级联技术的灭菌效果，光热技术或光动力技术单独使用大都达不到令人满意的灭菌效果。而光热-光动力级联技术在适当波长激发下可实现近乎完全的灭菌效果，这对其在食品杀菌保鲜领域的应用具有重要意义。

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光热-光动力级联技术在食品灭菌保鲜中的应用

4.1 对乳制品中的金黄色葡萄球菌的杀灭作用

金黄色葡萄球菌是一种侵入性病原体，会诱发皮肤和软组织以及血液感染，甚至会导致败血症、感染型心内膜炎。金黄色葡萄球菌也是一种凝固酶阳性的葡萄球菌，是奶牛患有乳腺炎的主要病因之一，能够导致牛奶产量减少、质量变差，造成严重的经济损失。高达50%～70%的金黄色葡萄球菌菌株能够在适当的条件下产生细胞外热稳定的葡萄球菌肠毒素，人们误食了被污染的牛奶及其乳制品会发生葡萄球菌肠中毒和一些过敏性疾病，因而需要研究高效、安全可靠的灭菌方法进行应对。Xie Lan等将具有光动力效应的二氧化钛（TiO2）纳米点嵌入具有光热能力的石墨烯MOF中得到金属钛有机骨架衍生的纳米碳（C-Ti-MOF）（图5A）。在极低的质量浓度（0.16 mg/mL）条件下，使用300 W氙灯照射10 min之后，石墨烯骨架发挥光热效应局部温度升高，与此同时TiO2纳米点介导的光动力作用催化过氧化氢和氧气分别生成超氧阴离子和单线态氧，对金黄色葡萄球菌的杀菌率接近100%。Li Huan等通过在二硫化钼（MoS2）表面引入ICG和银纳米颗粒（AgNPs）构建纳米复合材料（MoS2/ICG/Ag）（图5B）。通过平板计数法证明了MoS2/ICG/Ag对金黄色葡萄球菌达到了几乎彻底灭活的效果，表明其具有优异的广谱抗菌活性。Zhang Baoqu等采用SiO2涂层包覆金纳米棒（AuNRs），以二氢卟吩（Ce6）作为光敏剂通过碳-氨基与其化学偶联得到介孔硅包覆AuNRs负载Ce6的复合纳米材料（AuNRs@SiO2-NH2-Ce6）（图5C），革兰氏阴性菌的细胞壁结构中在肽聚糖层之外还有一层额外的膜，呈3 层保护结构，抑制光敏剂的渗透，AuNRs在激光激发下产生的光热效应物理破坏了其细胞膜结构，增加了其通透性，氧化应激物质更好的进入细菌内部发挥协同杀菌作用，浓度为100 nmol/L的AuNRs@SiO2-NH2-Ce6可以杀死91.68%的金黄色葡萄球菌。光热和光动力的联合使用取得了很好的杀菌效果，同时也具有较低的细胞毒性，可实现对乳制品的良好杀菌保鲜，同时也不会影响食品的品质、外观。

4.2 对猪肉中大肠杆菌的杀灭作用

大肠杆菌血清型O157:H7于1982年首次分离，大肠杆菌O157:H7可引起人类众多疾病，从无症状携带细菌到出现出血性结肠炎甚至发生溶血性尿毒症和可致死的血栓性血小板减少性紫癜等并发症。大肠杆菌属于肠杆菌科和埃希菌属，易污染生猪肉，由于大肠杆菌外表面的疏水性，使其黏附在肉皮、肌肉或脂肪层上，人误食被污染的猪肉后会引起严重的腹泻甚至死亡。Shen Huiying等开发了一种光热和光动力联合作用的纳米复合支架，采用原位生物合成和浸取两种方法合成了一种新型阳离子细菌纤维素（BC）负载MoS2掺杂壳聚糖（CS）复合支架（BC-MoS2-CS）（图6A），在100 W波长为780 nm的红外灯下照射10 min，因材料表面所带的正电荷可以很好地与带负电的细菌细胞壁相互作用，导致对大肠杆菌的靶向吸附能力增强，通过对琼脂平板进行菌落计数，BC-MoS2-CS对大肠杆菌的抗菌率可达到99.9%。Chang Yi等通过在二维多孔类石墨相氮化碳（g-C3N4）上原位生长六氰合铁酸锌纳米球（ZHF）合成纳米复合材料（ZHF/g-C3N4）（图6B），其在可见光和近红外区域（400～900 nm）均具有很好的光吸收能力。ZHF/g-C3N4在808 nm和420 nm波长的双光照射下，g-C3N4发挥光动力抗菌性能产生大量活性氧，ZHF在光照下使局部温度快速升高，对大肠杆菌的抗菌率为99.98%，相较于没有光照的条件下杀菌率显著升高。Su Wei等设计了硅(IV)萘酞菁轴向4-磺酸基苯氧基取代物（SiNC），向其中加入聚氧乙烯蓖麻油（CEL）形成自组装萘酞菁光敏剂（SiNC@CEL）（图6C）。将大肠杆菌菌液均匀涂布在琼脂平板上，37 ℃培养30 min，然后使用780 nm波长的激光照射30 min，进行菌落计数，SiNC@CEL可以灭活所有的大肠杆菌，对大肠杆菌的最小抑制浓度（MIC）为0.2 nmol/L，证明其在近红外光激发下光热和光动力协同发挥出优秀的抗菌效果。综上，光热-光动力级联技术可有效杀灭被污染猪肉中的大肠杆菌，延长猪肉的保质期并保持其良好色泽。

4.3 对饮用水中铜绿假单胞菌的杀灭作用

铜绿假单胞菌是一种普遍存在的机会致病菌，可感染免疫系统较弱的人群，易发生突变，导致其成为抗生素耐药菌株。铜绿假单胞菌可导致肺炎、尿路感染、骨关节、烧伤和血液感染等一系列疾病。铜绿假单胞菌具有很强的适应性和代谢多样性，在人体、土壤、水中普遍存在，人们饮用被污染的水后易引起急性肠道炎等疾病，对于免疫力低下的人群还可能造成生命危险。Fu Jintao等将ICG和葡萄糖氧化酶结合到由Fe3+和单宁酸（TA）组成的金属多酚网络（MPN）包覆的ZIF-8纳米粒子组成的复合材料（ZIF-ICG@ZIF-GOx@MPN）（图7A），在波长808 nm的近红外激光下持续照射，通过平板计数法分析可知ZIF-ICG@ZIF-GOx@MPN对铜绿假单胞菌的杀菌率可接近100%。光热导致的局部高温使细胞膜损伤，导致部分蛋白质和核酸泄漏，产生的活性氧以自由基的形式攻击细胞膜中的不饱和脂肪酸，引起脂质过氧化，改变膜和膜结合蛋白的功能并产生反应性物质，两者协同作用达到更佳的杀菌效果。Feng Huimeng等使用水热法在碳化钛（Ti3C2 MXene）表面负载由硫化铋（Bi2S3）和碘氧化铋（BiOI）原位合成得到具有空心花状异质结构的复合纳米材料（BiOI@Bi2S3/MXene）（图7B）。BiOI结构与（001）晶面的高曝光放大了光的反射和散射，提供了更多的活性位点，提高了光利用率，在808 nm波长的辐照下，复合材料的光热转换效率达到了57.8%，Bi2S3和BiOI之间的异质结在界面处产生内置电场，促进了空穴和电子转移，提高了其光动力抗菌性能。在光热和光动力作用的联合作用下，对铜绿假单胞菌的抑菌效率可达99.7%。Garg等使用中-四(4-羧基苯基)卟吩（TCPP）设计了荧光SiO2包覆的金纳米颗粒（Au@SiO2-TCPP），并将其与半乳糖单脚架（GM）和半乳糖三脚架（GT）偶联得到的纳米复合材料（Au@SiO2-TCPP-GT）（图7C）。在630 nm波长的激光照射10 min后，使用光热摄像机检测其温度可从28.1 ℃上升至53.2 ℃，表明其具有很好的光热能力。同时使用2’,7’-二氯荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）探针检测Au@SiO2-TCPP-GT/GM生成的活性氧，证明其优异的光动力作用。使用琼脂平板将铜绿假单胞菌和Au@SiO2-TCPP-GT/GM共同孵育，在630 nm波长激光照射下，铜绿假单胞菌展现出极低的存活率，光热和光动力协同发挥出高效的抗菌效果。该联合技术可对饮用水中的铜绿假单胞菌实现高效灭活，从而保障人们的饮水安全。

4.4 对水果中的沙门氏菌杀灭作用

沙门氏菌是革兰氏阴性食源性病原体之一，据估计，每年因误食沙门氏菌污染的食品导致100万 人出现食源性疾病，其中死亡人数为15.5万。水果水分及糖分含量高，极易被沙门氏菌污染，被污染的食品经人误食后，会引起胃肠道不适，严重时可诱发菌血症致死。Shao Lele等以沙门氏菌为模型细菌研究了AuNRs的抗菌活性（图8A），以沙门氏菌为模型细菌，使用波长808 nm激光照射10 min，菌落数量明显减少，说明在光照的激发下，AuNRs会具有极高的表面反应性，发挥光动力效应产生羟自由基并同时将光能转化为热能产生光热效应，在两者联合作用下通过破坏细胞膜、降低细胞膜电位和降解DNA导致细菌失活。Wang Jiayi等开发了一种具有光热、光动力和多酚表面电荷的复合活性抗菌材料，以多孔多酚功能化金属有机框架（ZIF-8-TA）作为框架载体（图8B），以黑磷量子点（BPQDs）作为光敏源，所得到的ZIF-8-TA/BPQDs具有优异的光热转换效率（27.92%）、光动力性能和表面电荷，这些因素保证了其优异的广谱抗菌性能，并成功应用于葡萄的灭菌保鲜。Wang Xiao等以CS为基质，原卟啉IX（PPIX）为光敏剂，PDA为光热剂与戊二醛进行交联制备了复合水凝胶（CS-PDA-PPIX）（图8C）。使用808 nm波长激光照射10 min，CS-PPIX-PDA水凝胶不仅能将氧气转化为单线态氧，还能在10 min内诱导温度从25 ℃上升到60 ℃，发挥光热氧化杀菌功能，99.99%的沙门氏菌被灭活。光热-光动力级联技术在对水果进行杀菌保鲜的同时也延缓了水果的水分流失，维持了其原有的风味和色泽，很好地延长了水果的货架期。

综上所述，光热光动力级联技术相较于传统杀菌方法可降低细菌耐药性并表现出极佳的杀菌能力和生物安全性，在食品杀菌保鲜领域具有极大的应用潜力。

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结 语

本文介绍了光热-光动力级联技术的抗菌应用，光热-光动力级联技术相较于传统杀菌技术，具有杀菌作用部位精准可控、可实现高效广谱杀菌、生物安全性高等优点。然而，此级联技术的应用仍处于不断深入研究探索的阶段，其大规模应用于食品杀菌保鲜中仍面临着一些挑战：1）开发探索可同时高效杀灭多种耐药细菌的复合材料，是光热-光动力级联技术未来研究及应用的一个重要方向。2）光敏剂自身存在的缺点影响联合使用的灭菌效果，部分光敏剂如吲哚氰绿在水溶液中不稳定分解加速，会显著降低其光动力作用，降低杀菌效率。可选用具有框架结构的光热材料如MOFs对其进行包埋，增强光敏剂稳定性的同时，可以与其发挥级联抗菌效果。3）光热纳米材料对细菌靶向性差，限制了其抗菌能力。可在光热剂上偶联不同的靶向分子如万古霉素等，以提高其选择性，实现高效抗菌。4）光热-光动力级联技术所需材料及设备成本较高，研究开发所需成本更低、更便携的激光器，探索价格低廉、易于合成、杀菌效果较好的复合材料很有必要。综上所述，随着技术的不断进步、完善和成熟，未来一定会在食品杀菌保鲜领域中得到更广泛的应用。

通信作者：

王田林，河南农业大学校聘教授，博士研究生学历，硕士生导师，研究方向为食品中风险因子的快速检测与高效去除；河南省肉类协会预制菜食品创新研究院副秘书长；河南省健康产业发展研究会食品安全专业委员会委员；信阳市食品安全协会特邀专家。研究方向为食品安全快速检测，现主持国家及省部级以上科研项目4 项，发表论文20余篇，授权专利4 项。

本文《光热-光动力级联技术在食品杀菌保鲜中的应用研究进展》来源于《食品科学》2025年46卷第12期306-315页，作者：李嘉琪，杨梦帆，李天歌，马燕，黄现青，宋莲军，赵建生，王田林。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241001-001。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