突破酸性屏障和热防御机制：光诱导的膜破坏与热效应协同作用，有效灭活果汁中的Alicyclobacillus acidoterrestris

《Food Research International》：Breaking acidic barriers and thermal defenses: Light-induced membrane disruption and heat synergy for efficient inactivation of Alicyclobacillus acidoterrestris in juice

　　本研究针对酸性果汁中耐热菌Alicyclobacillus acidoterrestris的防控难题，开发金属离子增强光敏剂与磁性多巴胺纳米颗粒的复合材料MPDFE。通过光动力效应生成活性氧破坏细胞膜，结合光热效应实现低于63℃的协同杀菌，20分钟内灭活10^6 CFU/mL的细菌，同时保持果汁品质。该技术为热敏型果汁的温和高效灭菌提供了新方案。

　　近年来，随着人们对食品安全和营养需求的日益关注，果汁等液态食品的微生物控制技术成为了食品科学领域的研究热点。传统的热处理方法虽然在杀菌方面效果显著，但其高温过程常常导致果汁中热敏性营养成分和风味物质的降解，从而影响产品的品质和市场接受度。因此，寻找一种既能有效控制微生物，又能最大限度保留果汁营养和风味的温和杀菌技术显得尤为重要。

在众多新型杀菌技术中，光响应抗菌技术因其绿色环保、无残留等优点而受到广泛关注。其中，光热（PT）和光动力（PD）处理是两种具有代表性的技术。光热处理通过光照射引发纳米材料的热效应，实现局部升温，从而破坏微生物的结构；而光动力处理则依赖于光敏剂在光照下产生具有强氧化性的活性氧物种（ROS），进而对微生物造成损伤。尽管这两种技术在食品杀菌中展现出良好的应用前景，但在实际应用中仍面临一些挑战，尤其是在果汁这类酸性环境中，某些耐酸菌种如 Alicyclobacillus acidoterrestris（简称A. acidoterrestris）的生存能力较强，限制了现有技术的杀菌效率。

A. acidoterrestris 是一种典型的耐酸菌，其在酸性果汁中的生长能力与对热的耐受性使其成为果汁生产过程中难以控制的微生物之一。这种细菌不仅能够在低pH值的环境中稳定繁殖，而且其细胞膜富含环烷基脂肪酸，增强了膜的刚性和热稳定性，使其能够抵抗常规的巴氏杀菌工艺。此外，A. acidoterrestris 在生长过程中会释放出一些异味化合物，如愈创木酚，这会严重影响果汁的感官品质和消费者的接受度。因此，如何有效控制这种耐酸耐热菌种的生长，成为了食品工业中亟需解决的问题。

为了解决上述问题，研究团队开发了一种新型的复合材料 MPDFE，该材料结合了金属离子增强的耐酸光敏剂平台与光热模块。MPDFE 的设计基于“光触发膜破坏与低温协同灭活”的策略，旨在克服酸性环境对光敏剂稳定性的影响，并同时增强对 A. acidoterrestris 的灭活效果。具体而言，该材料中的 Fe3? 与 erythrosine（一种食用色素）形成稳定的 ROS 生成系统，能够在酸性条件下持续释放具有强氧化性的活性物质。这些 ROS 会优先破坏细菌的细胞膜，从而削弱其热防御机制。与此同时，磁性聚多巴胺纳米颗粒作为光热单元，能够在近红外光照射下产生局部升温效应，使得细菌在低于63°C的温度下也能被有效灭活。

MPDFE 的优势不仅体现在其高效的杀菌能力上，还在于其良好的生物安全性和可回收性。在完成杀菌处理后，该材料可以通过磁分离技术快速从果汁中去除，避免了残留物对食品品质的潜在影响。此外，研究结果表明，MPDFE 对果汁中的物理化学性质几乎没有干扰，说明其在实际应用中具有较高的可行性。这种技术方案不仅适用于果汁等酸性食品，也为其他热敏性食品的微生物控制提供了新的思路。

在实验过程中，研究团队对 MPDFE 的微观结构、光催化与光热性能、抗菌机制以及生物安全性进行了系统的评估。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的结果显示，MPDFE 具有良好的纳米结构，其表面修饰效果明显，能够有效负载光敏剂并实现功能化。光催化性能测试表明，Fe3? 与 erythrosine 的协同作用显著提升了 ROS 的生成效率，从而增强了对细菌的破坏能力。光热性能测试则证实了磁性聚多巴胺纳米颗粒在近红外光照射下能够产生稳定的局部升温效应，有效促进细菌的灭活。

在抗菌机制方面，研究团队发现 MPDFE 的作用不仅限于单一的光热或光催化效应，而是通过两者的协同作用实现了更高效的杀菌效果。ROS 的生成破坏了细菌的细胞膜，使其失去结构完整性，同时削弱了其热防御机制。而光热效应则在较低温度下对细菌产生进一步的破坏，从而实现协同灭活。这种双重作用机制使得 MPDFE 在处理 A. acidoterrestris 时表现出更高的杀菌效率，能够在20分钟内将果汁中 10? CFU/mL 的 A. acidoterrestris 有效灭活，远高于传统光热处理的效果。

在生物安全性方面，研究团队通过多种实验方法验证了 MPDFE 对人体细胞和食品成分的无害性。实验结果表明，该材料在实际应用中不会对果汁的营养成分和风味造成显著影响，且对细胞无明显毒性。此外，MPDFE 的可回收性也得到了证实，这不仅降低了其在食品加工过程中的使用成本，也符合绿色食品加工的理念。

为了进一步验证 MPDFE 在实际应用中的效果，研究团队将其应用于四种不同类型的酸性果汁中，并对果汁的理化性质进行了评估。实验结果显示，MPDFE 在果汁中的应用不仅有效降低了 A. acidoterrestris 的数量，还保持了果汁的原有品质，包括颜色、味道和营养成分。这表明 MPDFE 在食品工业中具有广泛的应用潜力，尤其是在对热敏感的果汁产品中。

此外，研究团队还探讨了 MPDFE 的制备工艺和优化条件。通过调整 Fe3? 与 erythrosine 的配比、磁性聚多巴胺纳米颗粒的负载量以及光照条件，研究人员成功实现了对 MPDFE 性能的调控。这种灵活的调控能力使得 MPDFE 可以根据不同的果汁类型和微生物污染情况，进行相应的优化，从而提高其杀菌效率和适用性。

在实际应用中，MPDFE 的操作流程相对简便，且具备良好的可扩展性。首先，将 MPDFE 纳米材料加入果汁中，然后在特定波长的光照下进行处理。光照结束后，通过磁分离技术快速去除材料，从而完成整个杀菌过程。这种处理方式不仅减少了对果汁的热损伤，还避免了传统化学杀菌剂可能带来的残留问题，符合当前食品工业对安全、环保和高效杀菌技术的需求。

值得注意的是，MPDFE 的开发不仅为果汁的微生物控制提供了新的解决方案，也为其他食品体系中的抗菌技术研究提供了参考。随着食品工业对高附加值产品的需求不断增长，如何在保证食品安全的同时，最大程度地保留食品的营养和风味，成为了行业发展的关键方向。MPDFE 的成功应用表明，通过合理设计材料的结构和功能，可以实现对复杂食品环境中耐酸耐热菌种的有效控制。

综上所述，这项研究提出了一种基于光响应抗菌原理的新型材料 MPDFE，其通过光催化和光热效应的协同作用，实现了对 A. acidoterrestris 的高效灭活。该材料在酸性果汁中的应用不仅显著提高了杀菌效率，还保持了果汁的原有品质，展现出广阔的应用前景。未来，随着相关技术的进一步发展和优化，MPDFE 有望成为食品工业中一种重要的新型抗菌材料，为热敏性食品的生产提供更加安全和高效的杀菌方案。