4 声敏剂改造

传统的声敏剂大多为有机声敏剂，声敏剂内存在的疏水相互作用力导致声敏剂出现水溶性低、靶向性与稳定性差、利用率低等问题，严重限制了声动力技术的应用研究。为了改善声敏剂的水溶性与稳定性，提高声敏剂的靶向性，学者们对声敏剂进行了一系列的改造研究，声敏剂改造途径主要包括以下几种。

4.1 纳米化

纳米技术是近年来的热门研究课题，有研究表明纳米声敏剂不仅结构稳定，易于进行表面修饰，还具有主动靶向等特性[49-51]。目前声敏剂的纳米改造主要包括两方面，一方面是在不改变声敏剂理化性质的情况下，通过直接改变声敏粒子的粒径，从而提高声敏剂在溶剂中的分散度，使其更容易通过细菌细胞膜。纳米化有效提高了声敏剂的比表面积，使声敏剂与微生物的接触面积显著增大。目前主要是通过溶液-凝胶法、液相沉淀法等途径对声敏剂进行纳米化改造。其中无机纳米二氧化钛因具备良好的声敏特性，在声动力技术中应用广泛，如利用纳米二氧化钛介导的声动力进行污水处理等[52]；另一方面是通过化学键合或者物理包埋等方式，将传统声敏剂与表面具有多种功能基团的亲水性纳米材料复合，使声敏剂的理化性质改变，进而改善声敏剂的水溶性与靶向性[53]。Guo Yanyan等[54]利用二氧化硅纳米粒子作为载体，将纳米二氧化硅表面胺基官能化后，将RB分子共价结合至其表面。制备得到由RB修饰的二氧化硅纳米粒子（图3），并对其杀菌性能进行了研究，实验表明该纳米粒子可使革兰氏阳性菌金黄色假单胞菌与表皮葡萄球菌均减少近8（lg（CFU/mL）），具有十分显著的杀菌效果。

图3 SiO-Npagenumber_ebook=257,pagenumber_book=248-RB纳米粒子的设计原理图[54]22

4.2 声敏剂-抗菌肽复合物

抗菌肽是由细菌、真菌、动植物产生的一类具有抗菌功能的多肽，通常由12～50 个氨基酸组成，其安全性能好且对人体无害[55]。声敏剂-抗菌肽复合物提高声敏剂性能的机理主要在于抗菌肽在氨基酸侧链上携带的正电荷基团可以对细菌细胞与其他细胞差异性结合。即抗菌肽所携带的正电荷可以与带负电荷的细菌通过静电作用相互吸引，二者相互作用形成细胞内外电位差，从而破坏细菌的细胞膜结构，使声敏剂更容易进入细菌细胞内。此外，抗菌肽不容易引起靶细胞产生抗性突变，且兼具广谱抗菌性，可以起到协同灭菌作用[56-57]。因此声敏剂与抗菌肽结合能够有效提高声敏剂的靶向性。2017年，Costley等[20]利用阳离子抗菌肽能够与带负电的细菌特异性结合的特性，将声敏剂RB与抗菌肽(KLAKLAK)2通过偶联反应制备了RB-C(KLAKLAK)2复合物，并使用该复合物对铜绿假单胞菌与金黄色葡萄球菌进行声动力灭菌。经实验验证，相较于单纯使用RB进行声动力灭菌，RB-C(KLAKLAK)2复合物介导的声动力灭菌对两种细菌均具有更为明显的杀菌效果。为了验证该声敏剂优先靶向细菌的能力，Costley等将RB-C(KLAKLAK)2、RB分别与人成纤维细胞、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌一起孵育，并通过测定其紫外分光光度来观察靶向效果，结果发现抗菌肽的加入使声敏剂对细菌的靶向性得到了明显提高。ε-聚赖氨酸是一种应用较多的抗菌肽类。因为ε-聚赖氨酸是一种富含阳离子的聚合多肽，不仅具有广谱抗菌性，还能在人体产生人体必需氨基酸——赖氨酸，因此ε-聚赖氨酸被批准作为一种营养型生物防腐剂添加至食品中。基于其表面富含的阳离子活性物质以及其抗菌性，Soukos等[58]将ε-聚赖氨酸与声敏剂二氢卟酚e6偶联进行声动力灭菌，发现ε-聚赖氨酸-二氢卟酚e6复合物的声动力作用效果比单独使用声敏剂进行声动力灭菌体现出更高的细菌靶向性。此外，Liu Dafeng[59-60]、Zhang Yaxin[61]等通过化学键偶联聚赖氨酸的方式制备了寡聚赖氨酸酞菁锌，实验发现聚赖氨酸的加入有效改善了酞菁锌水溶性差的问题，且随着聚赖氨酸酞菁锌浓度的增加，菌体表面的电荷数增大、菌体壁的损伤程度增加。

4.3 声敏剂-包合物

声敏剂-包合物是指将声敏剂作为客体分子，包合嵌于另一种具备空穴结构的分子中的技术。常用的包合技术主要包括饱和水溶液法、研磨法、冷冻干燥法以及喷雾干燥法等。目前应用较多的包合材料为β-环糊精。β-环糊精是由淀粉生产的环状低聚糖，它具有环状三维结构，其疏水性内腔能够容纳亲脂性客体分子，而亲水性外壳则确保了其能够与水性体系相容[62]。Athanassiou等[63]通过实验研究发现甲基-β-环糊精能有效提高β-内酰胺类抗生素对多种革兰氏阴性菌的释放效果和抗菌活性。Shlar等[64]分别制备了姜黄素水分散液、姜黄素纳米粒子水分散液（curcumin nanoparticles，CNP）与姜黄素-环糊精水分散液（curcumin-cyclodextrin inclusion complex，CCD）（图4），发现环糊精可以使姜黄素形成稳定的水分散体，并在增强姜黄素的溶解性的同时保留姜黄素的活性。Shlar等通过共焦显微镜还发现，相较于姜黄素处理的细菌，CCD处理的细菌在处理后几分钟内即可检测到较高的荧光强度。并通过荧光显微镜进一步观察发现，姜黄素位于环糊精的疏水性内腔，整个包合物可以直接被细胞摄取进入细胞体内发挥作用，CCD对微生物的抗菌能力最高。实验结果表明环糊精与姜黄素络合促进细菌细胞内姜黄素的传递。

图4 姜黄素水分散体制备后的照片（A）以及环糊精与客体分子结合与释放的可逆过程（B）

4.4 声敏剂-脂质体

声敏剂-脂质体复合物是指利用薄膜分散法、逆向蒸发法、复乳法等方法将声敏剂包被于空心脂质体内得到的一种复合物。脂质体是由一种或多种磷脂双分子层组成的封闭微型囊泡，其主要组成成分磷脂是一种两亲分子，在磷脂与水分子发生相互作用时，其极性头部暴露于水相中，而疏水性尾部则被迫朝向磷脂双分子层之间，形成囊泡内外部亲水，磷脂双分子层内疏水的闭合结构[65]。由于囊泡水相与脂质并存，故其既可以包埋、递送水溶性物质，也可以递送脂溶性物质[66]。声敏剂-脂质体能够提高水溶性也正是利用了脂质体的两亲性质。根据不同种类磷脂所带电荷不同，脂质体又分为中性脂质体、负电荷脂质体、正电荷脂质体。细菌的细胞膜因含有酸性磷脂成分而带负电荷，若使用带正电荷的声敏剂脂质体复合物，即可利用静电作用（正负电荷相互吸引）实现声敏剂-脂质体复合物与细菌的特异性识别。Wang Xiaobing等[67]通过薄膜水合的方法，利用小比例的焦脱镁叶绿酸与磷脂复合制备了卟啉-磷脂脂质体复合物，并用该复合声敏剂联合超声波对肿瘤进行声动力治疗，结果证实卟啉脂质体对肿瘤细胞实现了有效的靶向性与声动力学损伤。据此可推测相较于传统声敏剂，声敏剂脂质体复合物在声动力灭菌应用中也能取得更加良好的声动力效果。Dogra等[68]使用新型载体材料聚二乙炔作为声敏剂载体，将姜黄素包裹在含有脂质双层的聚二乙炔-磷脂纳米囊中，制备了姜黄素功能性纳米囊（curcumin-functionalized nanovesicles，CFN）。自由悬浮的CFN优先与大肠杆菌与金黄色葡萄球菌结合，并将菌落总数从5（lg（CFU/mL））降低至不可检测水平。Pang Xin等[69]通过薄膜分散法，利用经过麦芽六糖改性的胆固醇与二硬脂酰磷脂酰甘油制备了智能纳米脂质体平台（图5），用于紫红素18（purpurin 18，P18）的精确递送。脂质体可以改善水溶性，而麦芽六糖则可以通过细菌特异性麦芽糊精转运蛋白途径来特异性识别细菌，其结构内所含的羟基又可与周围的水分子相互作用形成具有稳定和分散粒子作用的水化壳。Pang Xin等利用动态光散射测定发现未使用麦芽六糖修饰的P18纳米脂质体尺寸分布均匀性明显下降。游离P18在小鼠细菌感染部位分布较少但在别的正常部位快速分布，而P18麦芽六糖纳米脂质体在小鼠细菌感染部位观察到时间依赖性荧光积累，正常组织中的荧光逐渐减弱。对其进行抗菌声动力治疗，发现P18麦芽六糖纳米脂质体相比于单纯P18组与P18纳米脂质体组表现出了更加优异的杀菌效果。实验结果证明麦芽六糖修饰的P18脂质体能够有效提高声敏剂的靶向性与声动力技术的杀菌效果。

图5 P18-麦芽六糖纳米脂质体合成示意图（A）以及P18-麦芽六糖纳米脂质体介导的声动力灭菌作用机制示意图（B）[69]

5 超声波强度与频率

超声波是指频率高于20 kHz，能在周围环境中发生压缩与膨胀交替的弹性机械波[70]。通常情况下，超声波的频率越高，强度越大，产生的能量越多，其声动力灭菌作用效果也会越明显，但超声波频率增大的同时也会伴随着超声传播的衰减[71]，故在进行声动力灭菌时要注意选择合适的超声强度与频率，以便提高灭菌效率与质量，节约灭菌成本。而超声波根据频率又可以分为低频超声与高频超声，但由于作用的对象不同，各个领域对超声低频与高频的界定标准还比较模糊。低频超声可以暂时改变细胞膜的通透性。同时产生适量的ROS，但细胞结构没有发生破坏。而高强度超声则会直接导致细菌细胞壁、细胞膜及其内部结构发生物理破坏，是一种不可逆的非热力灭活过程[72]。虽然高频率超声可以不可逆地破坏细菌，但同时也会产生大量的ROS，对周围正常的组织或细胞造成一定的损伤；因此为了保护正常组织，各领域研究主要还是以使用低频、低强度的超声进行声动力灭菌处理。Ninomiya等[73]用超声强度为8 0 0 W/c m2、超声频率为0.5 M H z 与超声强度为0.4 W/cm2、超声频率为1 MHz的两种超声波同时处理TiO2，发现两种超声波联用产生的活性羟自由基比单一超声波处理更多，因此通过该实验也表明了使用不同频率与强度的超声波进行交替组合超声，其治疗效果会优于单一超声作用。

6 结 语

综上所述，现今已有较多关于声动力技术灭活食源性致病菌的基础理论研究。一些学者也开始逐步将声动力技术应用于食品灭菌领域，声动力技术穿透力强、靶向性好、灭菌效果佳，今后必定可以在各类食品加工中展现出优异的灭菌性能。此外利用声敏剂的广谱抗菌性，还可以开发一系列由声敏剂制备的活性抗菌食品包装材料或可食用薄膜等，取代传统包装材料，达到有效延长食品货架期的目的。基于声动力技术在食源性致病菌灭活方面取得的良好研究成果，以及声动力技术在食品应用领域的初步探索成效，可以看到声动力技术作为一项新兴技术在食品灭菌领域具有良好的发展优势与前景。但若要将声动力技术作为食品、医学、环境等各个领域实际应用的抗菌工具，还需要对声敏剂的结构进行进一步改良，灭菌的超声参数（频率、强度）等需要进一步研究，作用机制需要进一步探索。相信随着声动力抗菌技术研究的逐渐深入，声动力技术将作为对抗微生物污染的一种新手段，成为未来的一线抗菌策略。

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