本期介紹上海海洋大學食品學院謝晶教授等發表在《中國食品學報》第25卷第6期特約專欄上的文章《聲動力技術及聲敏劑在食品殺菌中的應用》。
食品安全問題一直是全球關注的焦點，隨著經濟全球化的不斷發展，這一挑戰日益嚴峻。微生物污染作為食品安全最不容忽視的威脅之一，是食源性疾病的主要誘因，其防控技術的革新是目前的研究熱點。目前主流的殺菌技術是通過熱處理或化學殺菌的方式進行殺菌。熱殺菌主要包括巴氏殺菌、微波殺菌、超高溫殺菌等，然而熱處理會破壞食品中熱敏性成分并影響產品色澤和風味等品質；化學殺菌法主要是添加鹵素類殺菌劑、氧化劑類殺菌劑以及雜環類氣體殺菌劑對食品進行殺菌處理，然而，添加化學試劑殺菌難免產生污染及試劑殘留，細菌也會產生耐藥性，長期使用甚至會對人體產生不利影響。因此，諸如高密度二氧化碳殺菌、電子束輻照殺菌、脈沖強光殺菌及聲動力殺菌等新型非熱殺菌技術正逐步應用于食品工業，在實現高效殺菌的同時也可以較好地保持食品品質。
聲動力殺菌技術是在光動力技術的基礎上建立與發展起來的一種新型非熱殺菌技術，主要指在超聲波的作用下，通過激活聲敏劑分子產生一系列殺菌物質，從而達到滅菌效果的方法。該文概述了聲動力技術的殺菌機理、聲敏劑種類，以及該技術在不同種類食品中的應用，并展望其未來發展方向，為促進該技術的研究和應用提供參考。
1. 聲動力技術概述
聲動力技術的定義：聲動力技術(Sonodynamic technology, SDT)的發展歷史悠久，其與光動力技術密不可分。它是基于光動力技術改良與發展的一種在食品安全與貯藏領域具有較高發展潛力的新型非熱殺菌技術，通常是利用超聲波激活聲敏劑，產生活性氧（Reactive oxygen species，ROS）并促進微生物細胞凋亡以達到殺菌的目的。
聲動力技術的殺菌機理：聲動力技術的殺菌機制一直是科學家們研究的焦點，然而，其詳細機制至今尚未完全揭示。目前能夠確定的是聲動力技術的殺菌機制與超聲空化作用、聲敏劑被激活并釋放氧自由基（ROS生成），以及超聲熱效應三者密不可分（圖1）。
空化作用作為一種流體動力學現象，是指在超聲作用下液體中微泡空化核發生振蕩、膨脹、收縮及爆裂等一系列動力學過程。當超聲波在液態介質之間傳遞時，液體中的微氣泡不斷受到激發，產生空化微氣泡，并隨著超聲振動、收縮甚至坍塌，這一現象便被稱之為空化效應。
活性氧（ROS）是一種可以使周圍底物被氧化的高反應性化合物，可使細胞產生一系列不可逆性損傷。其主要代表物包括羥基自由基、過氧化物、超氧化物、單線態氧、次氯酸鹽以及脂質過氧化物等高活性分子。
超聲處理過程中會引起介質強烈振動，介質分子的運動越來越快，分子之間相互作用力也越來越大，從而導致介質溫度升高的現象被稱為超聲波的熱效應。隨著空化效應的進行，微氣泡發生內爆崩潰，導致其周圍環境溫度驟升，壓力激增，并伴隨大量能量的釋放。
圖1 聲動力技術的殺菌機理
聲動力技術與光動力技術的比較：如圖2所示，光動力技術的殺菌機制主要基于兩種類型的光化學反應（I型和II型），該反應由特定分子參與，并由特定波長的光源激活光敏劑，進而引發光子吸收和能量傳遞過程。其中，I型反應涉及電子轉移過程，生成過氧化氫和羥基自由基等活性氧自由基，而II型反應涉及能量轉移過程，生成單線態氧。最后由這些ROS共同作用導致細胞死亡。
注：1PS0:基態光敏分子；1PS*：激發單重態光敏劑分子；3PS*：激發三重態光敏劑分子；1O2：單線態氧。
圖2 光動力殺菌機理
由聲動力技術的滅菌機制可知，該技術有更為復雜的活性氧產生機制，相較于光動力技術的單一活性氧生成機制更為高效。此外，光的穿透力不足，只能作用于食品基質的表面，而超聲波可以穿透食品基質，達到更深層次的殺菌效果（圖3）。
圖3 聲動力殺菌和光動力殺菌比較圖
2. 聲敏劑概述
聲敏劑能選擇作用于目標細胞，且能在超聲波作用下產生聲動力效應而破壞細胞結構。從聲動力技術的殺菌機理來看，敏化劑是決定其殺菌效率的重要因素之一。此外，由于存在聲致發光的現象，大多數的光敏劑都可被用作聲敏劑。
理想的聲敏劑應具有以下幾個特點：①較低的毒性，副作用少且具有較好的生物相容性；②可作用于目標細胞，僅可被超聲波激活其生物活性并釋放ROS；③具有較高的電子利用率；④可以產生自由基中間體。
表1 聲敏劑的分類
有機分子聲敏劑 能在超聲波照射下通過聲致發光或聲化學熱解產生ROS，具有較高的生物相容性及優異的生物降解性，然而有水溶性低、靶向性差、穩定性差的缺點。有機分子聲敏劑也是使用時間最久的聲敏劑，它們在聲動力技術的發展中起著至關重要的作用。
無機納米聲敏劑 相較于有機聲敏劑毒性大、不穩定的缺點，具有低毒性、化學結構穩定等特點。納米技術的發展為SDT技術提供了良好的平臺。一些無機納米材料可以被聲致發光所激活實現電子-空穴的分離，從而產生ROS殺死腫瘤細胞。研究人員將這些無機納米材料應用于SDT中，成功發現一系列具備卓越聲敏活性的無機納米粒子聲敏劑，特別是一些小型的無機納米粒子可以通過組織外滲的方式滲入血管，進而滲入腫瘤。
有機-無機雜化納米聲敏劑 是一種新型的聲敏劑，它通過將有機和無機材料相結合，對傳統有機聲敏劑進行了改良。研究人員通常將金屬離子/團簇和有機聲敏分子配位，從而形成有機-無機雜化納米聲敏劑。
3. 聲動力技術在食品滅菌中的應用
隨著聲動力技術的發展，其在食品工業中展示出多場景適用性（圖4）。由于該技術獨特的作用形式，其在不同的食品基質中通常展現出不同的效果。一般而言，低黏度的食品基質更適宜于聲動力殺菌技術的應用，而高黏度基質則可能因聲動力穿透力的減弱而受到限制。這種穿透力的減弱可歸因于在黏稠介質中摩擦力的增加而導致超聲波的傳播受阻。此外，聲動力技術作用于不同食品時，可產生一些良好的副作用（例如對液體的乳化、均質，對肉類的嫩化作用等）。同時食品領域的殺菌對于聲敏劑的選擇尤為重要，抗生素類聲敏劑對人體有毒副作用，不適用于食品殺菌，而應選擇安全、無副作用的食品來源的聲敏劑。
圖4 聲動力技術在食品滅菌中的應用領域
4. 未來展望
聲動力技術作為一種新型殺菌技術，為食品非熱殺菌領域帶來了新的曙光，科學家已將其逐步應用于各種食品的殺菌。目前的研究表明它有著巨大的應用潛力，然而其產業化應用仍面臨諸多挑戰：
1）首先是聲動力技術確切的殺菌機制仍不明確，阻礙了該技術的進一步發展。未來應從多角度出發，對聲動力的殺菌機制進行更深入研究，包括但不限于空化效應與活性氧生成的協同作用，不同聲敏劑對殺菌效果的影響等，從而為其在實際應用中的優化提供理論支持。
2）不同超聲參數對不同食品基質的作用具有顯著差異，當前尚未找到不同食品的最佳超聲參數。各類食品應具有不同的殺菌標準，需針對不同食品的成分、結構、保質期等特性，定制化地調整聲動力技術參數，以達到最佳的殺菌效果與食品品質保持。
3）聲敏劑的開發和應用存在局限性。雖然目前已研究出多種聲敏劑，但是能真正應用于食品殺菌的聲敏劑仍屈指可數，其原因在于對人體安全、無毒的條件限制了很多聲敏劑的開發和在食品工業中的應用。未來科學家應致力于尋找更多可食用、安全的聲敏劑或對現有聲敏劑加以改良，以拓寬聲動力殺菌技術在食品行業的應用范圍。
4）單一聲動力殺菌技術效果有限，未來可以配合其它非熱殺菌技術聯合使用，如與CO2等殺菌氣體或光動力、微波殺菌等技術聯用，進一步提升其殺菌效果。
原文鏈接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=GWCpWhBv_VNYLNUtDz5pzwBBJGGk4V2LQEonT7SynjougCHSw1tKj_PTXfGbWGc_gePHcy0c-C7zw2MVTWZjWDmNtZQPv4wo8mv8hNp847MyYwvtskvmQHUAnasrFM9paADu4hbi6Fvfu1qVRtiIZU-Y3wIpWgb5zatwTe7kAt5XieGKyBnTmw==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
