上海海洋大学谢晶教授等 | 声动力技术及声敏剂在食品杀菌中的应用/中国食品科学技术学会

食品安全问题一直是全球关注的焦点，随着经济全球化的不断发展，这一挑战日益严峻。微生物污染作为食品安全最不容忽视的威胁之一，是食源性疾病的主要诱因，其防控技术的革新是目前的研究热点。目前主流的杀菌技术是通过热处理或化学杀菌的方式进行杀菌。热杀菌主要包括巴氏杀菌、微波杀菌、超高温杀菌等，然而热处理会破坏食品中热敏性成分并影响产品色泽和风味等品质；化学杀菌法主要是添加卤素类杀菌剂、氧化剂类杀菌剂以及杂环类气体杀菌剂对食品进行杀菌处理，然而，添加化学试剂杀菌难免产生污染及试剂残留，细菌也会产生耐药性，长期使用甚至会对人体产生不利影响。因此，诸如高密度二氧化碳杀菌、电子束辐照杀菌、脉冲强光杀菌及声动力杀菌等新型非热杀菌技术正逐步应用于食品工业，在实现高效杀菌的同时也可以较好地保持食品品质。

声动力杀菌技术是在光动力技术的基础上建立与发展起来的一种新型非热杀菌技术，主要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。该文概述了声动力技术的杀菌机理、声敏剂种类，以及该技术在不同种类食品中的应用，并展望其未来发展方向，为促进该技术的研究和应用提供参考。

1. 声动力技术概述

声动力技术的定义：声动力技术(Sonodynamic technology, SDT)的发展历史悠久，其与光动力技术密不可分。它是基于光动力技术改良与发展的一种在食品安全与贮藏领域具有较高发展潜力的新型非热杀菌技术，通常是利用超声波激活声敏剂，产生活性氧（Reactive oxygen species，ROS）并促进微生物细胞凋亡以达到杀菌的目的。

声动力技术的杀菌机理：声动力技术的杀菌机制一直是科学家们研究的焦点，然而，其详细机制至今尚未完全揭示。目前能够确定的是声动力技术的杀菌机制与超声空化作用、声敏剂被激活并释放氧自由基（ROS生成），以及超声热效应三者密不可分（图1）。

空化作用作为一种流体动力学现象，是指在超声作用下液体中微泡空化核发生振荡、膨胀、收缩及爆裂等一系列动力学过程。当超声波在液态介质之间传递时，液体中的微气泡不断受到激发，产生空化微气泡，并随着超声振动、收缩甚至坍塌，这一现象便被称之为空化效应。

活性氧（ROS）是一种可以使周围底物被氧化的高反应性化合物，可使细胞产生一系列不可逆性损伤。其主要代表物包括羟基自由基、过氧化物、超氧化物、单线态氧、次氯酸盐以及脂质过氧化物等高活性分子。

超声处理过程中会引起介质强烈振动，介质分子的运动越来越快，分子之间相互作用力也越来越大，从而导致介质温度升高的现象被称为超声波的热效应。随着空化效应的进行，微气泡发生内爆崩溃，导致其周围环境温度骤升，压力激增，并伴随大量能量的释放。

图1 声动力技术的杀菌机理

声动力技术与光动力技术的比较：如图2所示，光动力技术的杀菌机制主要基于两种类型的光化学反应（I型和II型），该反应由特定分子参与，并由特定波长的光源激活光敏剂，进而引发光子吸收和能量传递过程。其中，I型反应涉及电子转移过程，生成过氧化氢和羟基自由基等活性氧自由基，而II型反应涉及能量转移过程，生成单线态氧。最后由这些ROS共同作用导致细胞死亡。

注：1PS0:基态光敏分子；1PS*：激发单重态光敏剂分子；3PS*：激发三重态光敏剂分子；1O2：单线态氧。

图2 光动力杀菌机理

由声动力技术的灭菌机制可知，该技术有更为复杂的活性氧产生机制，相较于光动力技术的单一活性氧生成机制更为高效。此外，光的穿透力不足，只能作用于食品基质的表面，而超声波可以穿透食品基质，达到更深层次的杀菌效果（图3）。

图3 声动力杀菌和光动力杀菌比较图

2. 声敏剂概述

声敏剂能选择作用于目标细胞，且能在超声波作用下产生声动力效应而破坏细胞结构。从声动力技术的杀菌机理来看，敏化剂是决定其杀菌效率的重要因素之一。此外，由于存在声致发光的现象，大多数的光敏剂都可被用作声敏剂。

理想的声敏剂应具有以下几个特点：①较低的毒性，副作用少且具有较好的生物相容性；②可作用于目标细胞，仅可被超声波激活其生物活性并释放ROS；③具有较高的电子利用率；④可以产生自由基中间体。

表1 声敏剂的分类

有机分子声敏剂能在超声波照射下通过声致发光或声化学热解产生ROS，具有较高的生物相容性及优异的生物降解性，然而有水溶性低、靶向性差、稳定性差的缺点。有机分子声敏剂也是使用时间最久的声敏剂，它们在声动力技术的发展中起着至关重要的作用。

无机纳米声敏剂相较于有机声敏剂毒性大、不稳定的缺点，具有低毒性、化学结构稳定等特点。纳米技术的发展为SDT技术提供了良好的平台。一些无机纳米材料可以被声致发光所激活实现电子-空穴的分离，从而产生ROS杀死肿瘤细胞。研究人员将这些无机纳米材料应用于SDT中，成功发现一系列具备卓越声敏活性的无机纳米粒子声敏剂，特别是一些小型的无机纳米粒子可以通过组织外渗的方式渗入血管，进而渗入肿瘤。

有机-无机杂化纳米声敏剂是一种新型的声敏剂，它通过将有机和无机材料相结合，对传统有机声敏剂进行了改良。研究人员通常将金属离子/团簇和有机声敏分子配位，从而形成有机-无机杂化纳米声敏剂。

3. 声动力技术在食品灭菌中的应用

随着声动力技术的发展，其在食品工业中展示出多场景适用性（图4）。由于该技术独特的作用形式，其在不同的食品基质中通常展现出不同的效果。一般而言，低黏度的食品基质更适宜于声动力杀菌技术的应用，而高黏度基质则可能因声动力穿透力的减弱而受到限制。这种穿透力的减弱可归因于在黏稠介质中摩擦力的增加而导致超声波的传播受阻。此外，声动力技术作用于不同食品时，可产生一些良好的副作用（例如对液体的乳化、均质，对肉类的嫩化作用等）。同时食品领域的杀菌对于声敏剂的选择尤为重要，抗生素类声敏剂对人体有毒副作用，不适用于食品杀菌，而应选择安全、无副作用的食品来源的声敏剂。

图4 声动力技术在食品灭菌中的应用领域

4. 未来展望

声动力技术作为一种新型杀菌技术，为食品非热杀菌领域带来了新的曙光，科学家已将其逐步应用于各种食品的杀菌。目前的研究表明它有着巨大的应用潜力，然而其产业化应用仍面临诸多挑战：

1）首先是声动力技术确切的杀菌机制仍不明确，阻碍了该技术的进一步发展。未来应从多角度出发，对声动力的杀菌机制进行更深入研究，包括但不限于空化效应与活性氧生成的协同作用，不同声敏剂对杀菌效果的影响等，从而为其在实际应用中的优化提供理论支持。

2）不同超声参数对不同食品基质的作用具有显著差异，当前尚未找到不同食品的最佳超声参数。各类食品应具有不同的杀菌标准，需针对不同食品的成分、结构、保质期等特性，定制化地调整声动力技术参数，以达到最佳的杀菌效果与食品品质保持。

3）声敏剂的开发和应用存在局限性。虽然目前已研究出多种声敏剂，但是能真正应用于食品杀菌的声敏剂仍屈指可数，其原因在于对人体安全、无毒的条件限制了很多声敏剂的开发和在食品工业中的应用。未来科学家应致力于寻找更多可食用、安全的声敏剂或对现有声敏剂加以改良，以拓宽声动力杀菌技术在食品行业的应用范围。

4）单一声动力杀菌技术效果有限，未来可以配合其它非热杀菌技术联合使用，如与CO2等杀菌气体或光动力、微波杀菌等技术联用，进一步提升其杀菌效果。

原文链接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=GWCpWhBv_VNYLNUtDz5pzwBBJGGk4V2LQEonT7SynjougCHSw1tKj_PTXfGbWGc_gePHcy0c-C7zw2MVTWZjWDmNtZQPv4wo8mv8hNp847MyYwvtskvmQHUAnasrFM9paADu4hbi6Fvfu1qVRtiIZU-Y3wIpWgb5zatwTe7kAt5XieGKyBnTmw==&uniplatform=NZKPT&language=CHS