综述：天然色素介导的光动力失活在食品微生物控制中的机制与应用

本综述系统阐述了天然色素（如姜黄素、叶绿素、花青素等）作为光敏剂（PS）在可见光激发下通过I型（电子转移，产生活性氧如O2-•和•OH）和II型（能量转移，产生1O2）光动力失活（PDI）机制，实现对食源性微生物的多靶点、低耐药性抑制，并探讨了其纳米递送、可食用涂层及光活性包装等食品级应用策略与生物安全性。

　　

天然色素介导的光动力失活机制

在食品科学与安全领域，利用天然色素进行光动力失活（Photodynamic Inactivation, PDI）是一种新兴的非热力杀菌策略。其核心机制在于光敏剂（Photosensitizer, PS）在特定波长可见光激发下，通过光物理过程产生活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS），进而对微生物细胞造成不可逆的氧化损伤。

光动力过程始于光敏剂吸收光子能量，从基态（¹PS）跃迁至激发单重态（¹PS），随后通过系间窜越形成寿命较长的激发三重态（³PS）。处于三重态的光敏剂可通过两条主要途径与周围分子相互作用：I型机制涉及电子或氢原子转移，光敏剂与底物（如细胞膜成分）直接反应，生成超氧阴离子（O₂^-•）、羟基自由基（•OH）等自由基；II型机制则是将能量转移给基态氧分子（³O₂），生成高反应活性的单线态氧（¹O₂）。

不同类型的ROS具有不同的氧化电位和生物靶点。•OH氧化能力最强（约+2.8 V vs NHE），能无差别攻击脂质、蛋白质和DNA；O₂^-•氧化性较弱，主要作为其他ROS的前体；而¹O_{2作为一种亲电试剂，优先攻击不饱和脂质和含硫氨基酸。这种多靶点攻击机制使得微生物难以发展出耐药性。}

天然色素的光动力效能与其化学结构密切相关。扩展的共轭双键系统（如类姜黄素和类胡萝卜素）增强了可见光吸收和系间窜越效率。金属配位（如叶绿素中的Mg²⁺）能稳定三重态，促进II型反应。羟基和糖基化等取代基则影响电子密度，调节I型反应活性。

微生物对PDI的敏感性因其细胞结构而异。革兰氏阳性菌由于具有较厚但多孔的肽聚糖层，通常对ROS更敏感；而革兰氏阴性菌的外膜结构则提供了一定的物理屏障，使其相对耐受。

配方策略增强光动力应用

尽管天然色素潜力巨大，但其直接应用常受限于水溶性差、光降解快等问题。先进的配方策略是克服这些瓶颈的关键。

微胶囊化和纳米载体技术（如脂质体、固体脂质纳米粒SLNs、聚合物纳米球）能有效保护色素，提高其稳定性和生物利用度。例如，负载姜黄素的PLGA（聚乳酸-羟基乙酸共聚物）纳米粒子在果汁模型中显示出增强的ROS产量和杀菌效果。喷雾干燥、离子凝胶等技术可用于制备易于在食品中分散的色素粉末或颗粒。

可食用涂层和光活性包装是将PDI技术应用于食品表面的有效方式。将叶绿素、姜黄素等色素与壳聚糖、海藻酸钠、淀粉等可食性生物聚合物结合，制成涂层或薄膜，涂覆于新鲜果蔬表面或作为包装材料。在储存或运输过程中接受环境光或特定光照时，这些材料能原位产生ROS，抑制表面微生物生长，延长货架期。

为提高光稳定性和靶向性，研究者还探索了共包埋抗氧化剂（如生育酚）、pH响应性载体或配体修饰的纳米载体等策略，旨在提高色素在微生物膜附近的局部浓度，减少对食品基质的不良影响。

生物安全性与毒理学评估

将天然色素作为光动力剂用于食品，其安全性至关重要。细胞毒性试验（如使用人肠道上皮细胞模型Caco-2、HT-29）表明，在食品相关的光照剂量下，姜黄素、叶绿素等色素对哺乳动物细胞毒性很低，半数抑制浓度（IC₅₀）通常远高于有效抗菌浓度。溶血性试验也显示，尤其是经封装后的色素系统，溶血率低于5%的安全阈值。

与合成防腐剂（如苯甲酸钠）或合成光敏剂（如亚甲蓝）相比，天然色素通常具有更好的生物相容性、更低的残留毒性，并能被可见光（而非有害的紫外线）激活，符合消费者对清洁标签的偏好。

在监管方面，许多天然色素（如姜黄素E100、叶绿素E140）已获得美国FDA的GRAS（公认安全） status或欧盟的食品添加剂批准。然而，将其作为抗菌剂使用属于新功能，可能需要根据抗菌成分指南进行重新评估，包括长期暴露、光毒性及降解产物安全性等数据。

在食品系统中的实际应用与挑战

实验室研究已证实天然色素PDI对多种食源性致病菌和腐败菌（如大肠杆菌E. coli、金黄色葡萄球菌S. aureus、李斯特菌L. monocytogenes）的有效性。例如，低浓度（微摩尔级别）的姜黄素在蓝光LED照射下可实现数log的菌落减少。

在食品模型中的应用也取得进展。叶绿素-壳聚糖涂层结合可见光照能显著降低鲜切叶菜表面的沙门氏菌载荷；姜黄素纳米乳液在果汁模型中不仅能抑制微生物，有时甚至能保留或增强抗氧化能力。研究也扩展到海鲜（如鲈鱼片）等动物源性食品，显示出延长保质期的潜力。

然而，食品基质的复杂性（pH值、离子强度、脂质、蛋白质含量）会显著影响ROS的生成和效力。例如，酸性环境有利于花青素的稳定性，而姜黄素在弱碱性条件下活性更高。高盐或富含脂质/蛋白质的体系可能淬灭ROS，需要调整色素浓度或光照参数。

工业应用还面临成本、光在非透明食品中的穿透深度、感官兼容性以及法规明确化等挑战。未来研究需聚焦于机理导向的色素/载体工程、标准化光照方案、以及涵盖真实食品矩阵的安全性与品质评估框架的 harmonization，以推动该技术从实验室走向产业化。

通过优化配方设计和应用策略，天然色素介导的光动力失活有望成为一种安全、有效、环境友好的食品保鲜工具，为减少化学防腐剂的使用、保障食品安全提供新途径。