声动力技术在食品杀菌领域的研究进展(一)

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1声动力概念

声动力技术是在光动力技术的基础上建立与发展起来的,指在超声波的作用下,通过激活声敏剂分子产生一系列杀菌物质,从而达到灭菌效果的方法[7]。1989年,日本学者Umemura等[8]首次提出,采用超声波激活从血红蛋白中提取的有机声敏剂血卟啉联合治疗肿瘤,结果发现血卟啉在声场中可产生细胞毒性,Umemura等[9]将这种治疗方法命名为声动力技术。1990年,Yumita等[10]研究了超声与血卟啉联合对肿瘤细胞的抑制作用,发现声动力技术对肿瘤的生长抑制率可达到74%,而单纯超声的抑制率仅为15%。超声与血卟啉联合对抑制肿瘤细胞生长具有协同增效作用。

鉴于声动力技术在抑制肿瘤细胞方面取得的卓越成效,有部分学者开始将目光转向声动力抑制微生物生长方面的研究。1994年,Pitt等[11]发现67kHz的超声与庆大霉素联用增强了对铜绿假单胞菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病菌的灭活作用。在此基础上,众多研究人员开始对其协同作用进行了进一步的探索。2009年,MaXiaopeng等[12]根据光动力技术在各领域的应用情况,推测声动力不但可以治疗肿瘤细胞,或许也可以对微生物产生杀伤作用,并推测其将以穿透力强的独特优势以及产生类似于光的自由基机制,成为一种极具前景的新型抗菌策略。2011年,LiuBin等[13]研究发现在超声波和环丙沙星与左旋氟沙作用下,大肠埃希氏菌的活性显著降低。

2声动力技术杀菌作用机理

关于声动力技术杀菌的作用机理至今依旧是许多科研人员的研究热点,对其确切机理仍尚存争议。但可以肯定的是,声动力技术能够发挥其灭菌作用与超声波、声敏剂和氧气三者密不可分。

图1声动力技术杀菌机理

3声敏剂概述

声敏剂是指一种选择性作用于目标细胞的化学物质,其在一定频率与强度的超声波作用下可产生声动力效应破坏目标细胞。声敏剂是声动力技术的核心要素,声敏剂的研发也是声动力研究的核心问题[34]。

基于声动力技术的作用机制,理想的声敏剂应该符合以下特点:1)对正常细胞不会产生明显的细胞毒性,本身安全、有效、无毒,且副作用少;2)对超声波敏感且具有稳定的化学结构[35];3)具有特异富集特性,能够作用于目标细胞,且仅在暴露于超声刺激后才具有生物活性;4)在超声刺激下能产生引起细胞损伤的自由基中间体,这些物质具有热不稳定分子,能够通过塌陷的空化气泡内部或者紧邻的热解气化而被热激活(如偶氮化合物),亦或是具有表面活性,能够聚集在空化气泡的气液相界面的物质[29]。通常,大多数光敏化合物可用作超声敏化剂,目前广泛应用的声敏剂主要有以下几类。

3.1卟啉类化合物

3.1.1血卟啉及其衍生物

血卟啉是一种红色卟啉类天然产物,以血卟啉为基础,科学家们相继研发出了一系列性能更加优异的血卟啉衍生物,主要包括原卟啉IX[38]、血卟啉单甲醚(hematoporphyrinmonomethylether,HMME)、ATX-70[39]等。相对于其他血卟啉衍生物,血卟啉单甲醚具有结构稳定,对目标细胞选择性高,对正常组织无毒或低毒[40],且能够快速从组织清除等优异特质,是目前血卟啉衍生物介导的声动力抗菌技术中应用最广泛的声敏剂。2014年,庄德舒等[41]使用HMME联合1MHz超声对金黄色葡萄球菌进行声动力杀菌发现,超过95%的细菌菌落被有效杀死,而无HMME组的杀菌率仅为38%,即在一定浓度范围内,单纯使用血卟啉单甲醚不会明显影响金黄色葡萄球菌的存活率,在血卟啉单甲醚介导的声动力技术中,随着HMME的浓度提高与超声强度的增强,金黄色葡萄球菌的存活率逐渐降低,这意味着声动力技术有可能成为一项应用于食品杀菌领域的新技术。

3.1.2叶绿素类

叶绿素是一种亲脂性镁卟啉色素,具有良好的生物相容性。主要由卟啉环和脂肪烃侧链两部分组成,其中在卟啉环内还含有一个镁离子。叶绿素主要分布于植物叶绿体的类囊体膜中,通常可以从绿色植物中直接提取叶绿素或者从蚕沙中分离得到。相较于叶绿素,叶绿素衍生物在声动力技术中表现出更优异的细菌灭活效果。在声动力抗菌技术中应用较多的叶绿素衍生物为叶绿酸-金属络合物(chlorophyll-metal,Chl-M)(Chl-Fe、Chl-Cu、Chl-Mg、Chl-Zn)和二氢卟吩e6。

叶绿素在酸性条件下不稳定,卟啉环中的镁离子容易被氢离子置换,形成去镁叶绿素,即叶绿酸。将叶绿酸与其他金属离子结合,将形成结构更为稳定的化合物——Chl-M。叶绿酸-金属络合物水溶性好且对生物分子具有强亲和力。2012年,JinXudong等[42]研究发现,Chl-M联合超声能够明显提高ROS的产率,且Chl-Fe的作用效果最为明显。通过进一步的研究还发现,ROS种类主要为单线态氧和羟自由基。ROS是破坏目标细胞的关键因素,ROS的产生表明Chl-M具有作为声敏剂的潜能。

3.2黄原酮类

根据《关于2023年部分节假日安排的通知》:BNCC将于2023年4月29日至5月3日放假调休,共5天。4月23日(星期日)、5月6日(星期六)上班。

2019年11月21日,2019中国食品微生物标准与技术应用大会在北京召开,20日下午北纳生物副总经理孙禛禛,招商部刘玉抵京准备出席会议。

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