紫外線與殺菌增效劑聯合應用的研究進展

何慧靈, 黃海梅, 嚴 楚, 江析昕, 崔澤華,任 昊, 廖曉萍, 劉雅紅, 孫 堅

(1. 嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室, 廣東 廣州 510006 ; 2. 華南農業大學獸醫學院 國家獸醫微生物耐藥性風險評估實驗室, 廣東 廣州 510642 ; 3. 華南農業大學獸醫學院, 廣東 廣州 510642 ;4. 廣州市白云區畜牧獸醫站, 廣東 廣州 510550)

抗生素的不合理使用導致細菌耐藥性的問題越來越普遍,減少抗菌藥物的使用已成為全世界的共同目標,尋找可靠的抗生素替代物也成為當務之急。紫外線(Ultraviolet,UV)殺菌作為一種廣譜且不易產生耐藥性的滅菌方法,目前廣泛應用于工業、畜牧業和臨床等多個領域。然而,紫外線殺菌過程受到多種因素影響,使得其殺菌效果不理想。將紫外線和殺菌增效劑進行聯合是提高紫外線殺菌效率快捷有效的方法之一。

1 紫外線概述

1.1 紫外線介紹 紫外線按波長可以劃分:A波段(UVA,320～400 nm)、B波段(UVB,275～320 nm)、C波段(UVC,200～275 nm)和D波段(UVD,100～200 nm)。UVC能夠殺死大部分細菌和病毒,主要作用機制是紫外線穿透微生物細胞膜,脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)吸收輻射能量導致其結構發生改變,阻止DNA的復制,最終導致細胞裂解死亡[1]。UVA 的殺菌機制主要是通過激發微生物的內源性光敏色素,使其與氧氣反應形成活性氧(Reactive oxygen species,ROS),從而引發細胞氧化損傷,導致微生物失活[2]。

1.2 紫外線殺菌局限性 紫外線殺菌效果受到輻射劑量、照射強度和照射時間等因素影響,滅菌過程中可通過延長照射時間,增加照射強度以達到良好的殺菌效果。然而,增加照射時間會引起電耗能增加,增加照射強度易對物體本身性質產生影響。同時,紫外線滅活的微生物具有修復潛力,可通過光修復或暗修復來修復損傷的DNA[3]。此外,紫外線用于環境消毒時易對人體造成損傷,其直接照射皮膚時能夠穿過人體皮膚表層到達真皮層深處(圖1),長期暴露在紫外線照射下會導致光老化和免疫抑制,最終導致光致癌[4]。

2 紫外線殺菌增效劑

2.1 植物精油類 植物精油是通過物理方法從植物中分離的復雜混合物,具有廣泛的抗菌活性,對環境和人體危害小。精油抗菌機制主要為改變細胞膜的通透性,造成細胞內容物泄露和生理功能紊亂,導致菌體死亡[5]。基于部分植物精油綠色、安全的特點,可將其應用于畜禽養殖過程和肉制品存儲。茶樹精油可作為活性成分摻入用于治療動物皮膚感染的制劑中,可控制頭皮屑、痤瘡、虱和皰疹等皮膚感染[6]。

2.2 有機酸類 有機酸是指酸性的有機化合物,部分有機酸具有抗菌、增加適口性和改善免疫功能等多種藥理功能,因而被廣泛應用于動物生產中。Mroz 等[7]發現,飼用有機酸飼料添加劑能夠顯著改善動物的健康狀況,提高抵抗疾病能力、個體生長速度和日糧利用效率,改善屠體品質。同時,作為一種食品防腐劑,有機酸可有效殺滅食品腐敗菌,如大腸桿菌和李斯特菌,延長食品保質期[8]。

2.3 消毒劑類 次氯酸鹽、過硫酸鹽等具有強氧化性的消毒劑本身對病原菌具有殺滅作用。次氯酸鹽在水中生成次氯酸,進入細菌體內分解生成新生態氧,可使菌體的蛋白質等物質變性,致死病原微生物[9]。過硫酸鹽可產生強氧化性的硫酸根自由基,使細胞膜破裂,對內容物造成氧化損傷,導致細菌死亡[10]。

2.4 其他增效劑 酚類、維生素和抗生素等也可作為紫外線殺菌增效劑。香芹酚可預防和治療動物胃腸道的感染,將香芹酚聯合藍光能夠協同殺滅多種細菌,有望用于表面創口消毒,防止膿毒癥的發生[11]。UVA 和月桂酰精氨酸乙酯聯合具有協同殺菌作用,目前用于新鮮農產品表面消毒,并有望應用于食品工業和醫療領域[12]。

3 紫外線與增效劑聯合的作用機制

3.1 氧化應激 當細菌暴露于UVA 時,會產生相對低水平的ROS,破壞細菌 DNA、細胞膜和細胞內蛋白。在 UVA 照射下,細胞對壓力變得更加敏感,氧化劑更容易穿透細胞并誘導細胞內氧化。Yoshimoto等[13]研究表明,核黃素可作為引發劑氧化色氨酸或葉酸,紫外光可活化色氨酸或葉酸的氧化分子,產生超氧化物或單線態氧,超氧陰離子歧化生成高濃度H2O2,從而具有細胞毒性(圖2)。

圖2 利用核黃素作為引發劑,通過葉酸或色氨酸的光敏反應產生H2O2[13]

3.2 細胞膜損傷 細胞膜損傷是 UVA 和增效劑聯合殺菌的主要機制之一。暴露在UVA下,細菌脂質膜和膜蛋白變性以損傷細胞膜,改變細胞膜的通透性。在膜受到初始損傷后,氧化作用將繼續向細胞內更深處的位點進行,并延伸至細菌胞內物質,引起細胞外膜的分解,導致胞質膜紊亂,繼而導致細胞死亡[13,14]。

3.3 抑制DNA修復 UVC通過破壞病原菌DNA,阻止微生物復制達到良好的殺菌效果。將UVC與咖啡因等物質聯合,能夠通過干擾光解酶與受損DNA的特異性結合來抑制光修復[15]。UVC破壞微生物DNA的同時也導致細胞通透性屏障受損,使過硫酸鈉和次氯酸鈉等強氧化性物質擴散進細胞內,對其內容物和DNA造成氧化破壞,進而導致細胞死亡[10]。

3.4 其他可能機制 核苷酸池是 ROS 的一個重要作用靶點,鳥嘌呤由于低氧化還原電位特別容易被氧化。UVA 與增效劑聯合作用增加了 ROS 的產生,使得鳥嘌呤容易被氧化為 7,8-二氫-8-氧鳥嘌呤形式[16],其脫氧核糖核苷酸(8-氧基脫氧鳥嘌呤,8-oxo-dG)具有潛在的誘變性,與胞嘧啶和腺嘌呤同時形成堿基對,最終誘導細菌死亡。

4 紫外線聯合殺菌增效劑的應用

4.1 工業環保領域 廢水微生物中,腸道病原微生物以多樣性和致病性位居榜首。將 UVC(254 nm)與活性淤泥聯合能夠有效清除水體中的病毒含量,降低因水傳播而引起病毒性腸炎暴發的可能性[17]。研究表明,將紫外線與次氯酸鈉或過硫酸鹽聯合對污水進行處理,對出水糞大腸菌和枯草芽孢桿菌具有更加徹底的殺菌效果,同時,游離余氯的存在可以有效抑制菌體復活,對于保證出水水質安全具有重要意義[18,19]。

4.2 醫療衛生領域 在醫療機構中,消毒滅菌是預防和控制病患間交叉感染的重要舉措。多重耐藥微生物是衛生保健相關感染的常見原因,發生感染后會對患者的預后產生負面影響。Ha 等[20]將紫外線與乙醇聯合運用,對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌等常見致病菌具有協同殺菌作用,除菌效果更好,效率更高。紫外線與增效劑聯合也可應用于疾病治療方面,白癜風作為一種多發性皮膚病,應用紫外線與他克莫司軟膏聯合治療取得了良好效果[21]。此外,口腔補骨脂素與UVA 聯合使用常用于造血干細胞移植常見并發癥的治療,是一種針對皮膚且副作用少的輔助和免疫抑制治療方法[22]。

4.3 食品安全領域 食源性病原菌已成為重大公共衛生挑戰之一,在世界范圍內造成重大疾病和死亡。紫外線的應用為食品殺菌提供了一種新的可能性,更好地保存了食品的外觀和風味。將 UVA 與對羥基苯甲酸丙酯和沒食子酸聯合,能夠有效處理新鮮農產品上殘留的大腸桿菌和李斯特桿菌等,并且無毒、無污染[23,24]。Seok 等[25]將 UVA 與檸檬酸聯合應用于奶酪加工,能夠有效殺滅殘留在奶酪及其包裝上的細菌,并且保存了奶酪本身的狀態和風味,為食品安全提供了新的保障。此外,將紫外線與磁性納米材料聯合使用,成功提高了蜂蜜、果蔬和茶葉等農產品中的農藥殘留降解率,抑制了內部微生物的生長繁殖。

5 展望

細菌和真菌等病原微生物給各行業的發展帶來巨大困擾,對人類健康造成了威脅。紫外線與增效劑的聯合突破了紫外線殺菌的局限性,提供了一種有效、快速且成本低的滅菌方法。紫外線殺菌增效劑涵蓋了消毒劑、抗生素、植物精油和有機酸等物質,為對抗病原菌提供了更多有效的途徑(表1)。有機酸和植物精油等天然產物具有安全、無污染、不產生耐藥性的特性,聯合紫外線應用于食品加工,能夠避免食品質量和感官特性發生不良變化,延長食品保質期。在醫療領域,UVA很難被活細胞吸收,且對皮膚刺激性小,銀屑病和牛皮癬的UVA光療,也提示了UVA與增效劑的聯合具有用于活體消毒的開發前景。

表1 紫外線殺菌增效劑的作用機理及其應用

UVC通過破壞病原微生物DNA進行殺菌,但細菌等能夠修復損傷DNA,使滅菌效率降低。將UVC與修復酶抑制劑聯合使用,能夠有效抑制DNA修復。將強氧化劑與UVC聯合,在破壞DNA的同時,可對細菌蛋白結構和細胞膜等物質造成損傷,顯著提高UVC的殺菌效率。UVA 照射增加了ROS 的生成,導致脂質、蛋白質和 DNA 的氧化。此外,UVA能夠導致膜功能障礙并增加細菌的膜通透性,將UVA與植物精油和有機酸等物質聯合使用,可能增加植物精油和有機酸等物質進入胞內,對細菌結構造成影響。將不同波長的紫外線進行聯合,也可以達到良好的殺菌效果,將UVA和UVC進行聯合,對病原微生物DNA造成損傷的同時,增加了細胞內部的氧化損傷,多種機制共同發揮作用,可提高殺菌效率。紫外線與增效劑聯合作用機制的研究為尋找更有效的增效劑提供了新的思路,利于各產業領域開發新的增效劑,持續健康發展。