天然来源的光敏剂对牛奶中大肠杆菌的抗菌光动力活性

时间：2026年3月28日

来源：Biocatalysis and Agricultural Biotechnology

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光动力灭活技术通过核黄素和姜黄素在体外及牛奶中抑制大肠杆菌，姜黄素在62.50 μg/mL浓度下实现7 log CFU/mL抑制率，牛奶中需250 μg/mL浓度结合薄层照射，导致脂质过氧化但保留蛋白质结构。

布鲁娜·巴尔奈·萨拉伊瓦（Bruna Barnei Saraiva）|罗热里奥·阿莱松·迪亚斯·贝泽拉（Rogério Aleson Dias Bezerra）|雷亚娜·雷吉娜·贝尔特拉梅·马查多（Rayanne Regina Beltrame Machado）|卡蒂埃尔·达·席尔瓦·索扎·坎帕尼奥利（Katiele da Silva Souza Campanholi）|莫妮卡·雷吉娜·达·席尔瓦·斯卡皮姆（Monica Regina da Silva Scapim）|塞尔索·瓦塔鲁·纳卡穆拉（Celso Vataru Nakamura）|热拉尔多·塔德乌·多斯桑托斯（Geraldo Tadeu dos Santos）|玛加利·索亚雷斯·多斯桑托斯·波扎（Magali Soares dos Santos Pozza）

马林加州立大学动物科学系，科伦坡大道5790号 - 大学园区，马林加87020-900，巴西

摘要

本研究旨在评估核黄素（RIB）和姜黄素（CUR）对大肠杆菌（Escherichia coli，简称E. coli）的光毒性作用，分别在体外实验和牛奶样本中进行测试。采用光照处理（PDI）方法，通过薄层照射或连续搅拌的方式对牛奶进行处理，并评估了这些处理对牛奶物理化学性质的影响。结果表明，姜黄素在浓度为62.50 μg/mL时，在体外实验中能够有效抑制E. coli，抑制效果达到7 log CFU/mL。这种效应归因于膜的光损伤，导致细胞质内容物释放。在牛奶环境中，使用250 μg/mL的姜黄素并进行薄层照射后，E. coli的数量减少了0.9 log CFU/mL。核黄素也表现出光毒性活性。此外，薄层照射技术的效果更为显著。值得注意的是，所采用的处理方法并未改变牛奶中的蛋白质组成或引发氧化反应。然而，光照过程确实导致了脂质过氧化。光敏剂（PS）的浓度会影响样品的颜色。因此，由核黄素和姜黄素介导的光动力灭活技术具有降低牛奶中E. coli数量的潜力，可作为食品工业的辅助加工方法。

引言

原始牛奶中的微生物群由来自环境和哺乳动物的复杂多样的细菌组成，这种微生物组成显著影响最终产品的质量（Li等人，2023年）。污染的主要来源包括不当的处理方式、乳腺感染以及牛奶与动物及挤奶设备表面的直接接触（Bagel和Sergentet，2022年）。未经巴氏杀菌或巴氏杀菌不充分的牛奶可能含有病原微生物，如大肠杆菌（E. coli）。这种革兰氏阴性细菌与食源性疾病爆发及多重耐药性的出现有关，因此人们对可能受污染的牛奶的消费越来越担忧（Baylis，2009年）。

鉴于此，为了满足全球化需求、市场竞争力以及对新鲜健康食品的需求，人们正在研究创新的非热处理技术（Rathod等人，2021年）。这些技术旨在降低微生物数量、延长保质期并保持感官品质。然而，由于设备投资巨大和能耗较高，某些处理方法在实际应用中存在困难（Zhang等人，2019年）。

近年来，光动力灭活（PDI）技术因成本效益高、环境可持续性强且在微生物去污方面效果显著而受到重视。该技术利用光敏剂（PS）在吸收适当波长的光子后释放能量或电子，从而产生高毒性的活性氧（ROS），这些活性氧能够诱导肿瘤细胞凋亡并使微生物失活（Cossu等人，2021年）。不过，这项新兴技术仍需在不同条件和实验模型下进一步研究（Saraiva等人，2021年）。先前的研究已表明，牛奶的光学密度会减弱到达微生物的光线强度，从而降低处理效果（dos Anjos等人，2020年）。此外，可见蓝光的穿透能力有限，需要改进方法以确保均匀的三维照射（Glueck等人，2017年）。

在乳制品研究中，姜黄素（CUR，C₂₁H₂₀O₆）是常用的光敏剂（Yu等人，2022年；Saraiva等人，2024a）。姜黄素是一种橙黄色的疏水性多酚，分子量较低，是从姜黄（Curcuma longa L.）的根茎中提取的最活跃成分（O'Callaghan和Kerry，2014年；Cutrim和Cortez，2018年）。另一种天然来源的光敏剂是核黄素（RIB，C₁₇H₂₀N₄O₆），它是一种常用的食品着色剂，在光照下可产生活性氧（Li等人，2021年）。

本研究重点探讨了使用核黄素和姜黄素在体外灭活E. coli的效果，并通过透射电子显微镜（TEM）观察细胞结构损伤情况。还测试了不同照射技术对牛奶物理化学性质的影响。

实验部分

体外实验：水溶液中E. coli的光灭活

实验采用因子设计（2x2x6），变量包括光敏剂（姜黄素和核黄素）、光动力灭活处理（有光照和无光照）以及不同浓度的光敏剂（0、15.63、31.25、62.5、125和250 μg/mL）。实验重复四次，按照Saraiva等人（2021年）的方法制备样品。姜黄素在420 nm处具有最大吸收峰（Kocaadam和Şanlier，2017年）。

光敏剂的光毒性（体外实验）

结果显示，核黄素和姜黄素在体外光动力灭活过程中均表现出显著效果，尤其是在高浓度E. coli（ATCC 25922）的情况下（图2）。所有评估因素（光敏剂浓度和照射条件）均具有显著影响（p值< 0.0001）。此外，两个或三个因素的组合之间也存在显著交互作用。经过光动力灭活处理的样品中，细胞存活率为4.2 ± 2.8 log CFU/mL。

讨论

体外光动力灭活实验的结果表明，光敏剂与光照结合使用时对E. coli具有协同抗菌作用，会产生极具毒性和致命性的活性氧。这种损伤是非特异性的、即时的且不可逆的，导致微生物高度死亡，从而降低了其产生防御机制或耐药性的可能性（Maisch，2015年）。

此外，这种组合方法还提高了处理效果。

结论

姜黄素在黑暗条件下具有抗菌作用，在光动力灭活过程中比核黄素更有效，在浓度为62.50 μg/mL时，能够在体外灭活7 log CFU/mL的E. coli。核黄素也表现出光毒性，光损伤会导致细菌膜严重损伤，使细胞质部分或全部泄漏。在牛奶中，两种光敏剂都能减少细菌数量，但需要较高浓度。薄层照射技术能提高灭活效率。

作者贡献声明

布鲁娜·巴尔奈·萨拉伊瓦（Bruna Barnei Saraiva）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目管理、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。罗热里奥·阿莱松·迪亚斯·贝泽拉（Rogério Aleson Dias Bezerra）：实验实施、数据分析。卡蒂埃尔·达·席尔瓦·索扎·坎帕尼奥利（Katiele da Silva Souza Campanholi）：概念构建。莫妮卡·雷吉娜·达·席尔瓦·斯卡皮姆（Monica Regina da Silva Scapim）：实验监督。雷亚娜·雷吉娜·贝尔特拉梅·马查多（Rayanne Regina Beltrame Machado）：实验实施、数据分析。玛加利·索亚雷斯·多斯桑托斯·波扎（Magali Soares dos Santos Pozza）：撰写 – 审稿与编辑。