利用405纳米LED灯和核黄素介导的光动力疗法控制柑橘果上的意大利青霉菌（Penicillium italicum）

《Food Research International》：Riboflavin-mediated photodynamic treatment with 405?nm LED for control of Penicillium italicum on mandarin fruit

　　•核黄素增强了405纳米LED介导的P. italicum孢子在PBS中的失活效果。
•核黄素介导的光动力诱导（PDI）在405纳米LED光照下增强了活性氧（ROS）的生成。
•孢子失活伴随着脂质过氧化和代谢活性的降低。
•405纳米LED和LED+核黄素组合均抑制了柑橘上的P. italicum生长。
•405纳米LED处理没有对柑橘的品质属性产生不利影响。

引言
柑橘类水果是全球产量最大的水果作物之一，年产量约为1.7亿吨（FAO，2023年）。然而，由于其丰富的营养成分和高水分含量，它们极易受到真菌污染（Chien & Chou，2006年）。果表面的机械损伤会形成微伤口，成为真菌孢子的侵入点。受感染的果实最初会出现水浸状病斑和软化现象，随后出现变色、白色菌丝增殖以及蓝色分生孢子的形成。由于真菌腐烂，全球柑橘类水果的采后损失可高达35%（Khamsaw等人，2022年）。其中，Penicillium italicum（蓝霉）和Penicillium digitatum（绿霉）是导致柑橘果实采后病害的主要病原体。P. italicum即使在低温和低湿度条件下也能存活并繁殖，从而在储存和长途运输过程中加速了感染的传播。尽管P. italicum的致病过程比P. digitatum慢，但其对低温储存条件的更强适应性往往会导致更严重的经济损失（Kanashiro等人，2020年）。因此，迫切需要开发高效且环保的控制策略来减轻柑橘类水果的采后真菌病害（Kanashiro等人，2020年）。

传统上，合成化学杀菌剂被用于控制柑橘在储存和运输过程中的真菌腐烂。然而，由于抗性病原体的出现以及对环境和人类毒性的日益关注，这些杀菌剂的长期效果正在受到挑战。虽然提出了天然替代品，如精油和生物控制剂（例如杀酵母菌），但由于其高挥发性和菌株稳定性及安全性验证的挑战，实际应用仍有限（Kanashiro等人，2020年）。因此，基于光的保存技术作为一种安全且持久的非化学控制策略应运而生。基于光的技术通常根据其波长和能量特性进行分类。例如，UV-C（200–280纳米）通过直接破坏微生物的DNA和RNA显示出强烈的杀菌活性，适用于食品加工中的快速消毒。然而，它对人类的潜在危害以及对食品质量的不良影响（如表面损伤和营养降解）限制了其在储存和运输中的长期使用（Rodoni等人，2026年）。相比之下，发光二极管（LED）因其低毒性和对食品质量的微小影响而受到广泛关注，即使是在长时间光照下也是如此。此外，LED的光谱可调性使其能够实现针对性照明；与光敏剂结合使用时，它们可以高效生成活性氧（ROS），为抑制柑橘中的真菌提供了有效且长期的策略（Kim等人，2025年）。

单独使用405纳米LED照射对Botrytis cinerea和Rhizopus stolonifer具有显著的抑制作用。在体外实验中，所有测试温度和相对湿度条件下，微生物数量减少了超过94%。进一步的研究表明，在草莓中，B. cinerea减少了67%，R. stolonifer减少了19%；在番茄中，分别减少了79%和70%（Ghate等人，2021年）。因此，LED照射本身就可以有效抑制真菌。据此，使用405纳米LED的光动力诱导（PDI）已成为控制果实采后真菌腐烂的有前景的替代策略。值得注意的是，PDI诱导微生物产生抗性的倾向较低，因为光动力生成的ROS会同时损害多个细胞目标，使得通过单一适应机制产生抗性的可能性较小。PDI的机制涉及光吸收后内源性光敏剂（如卟啉）的激发。当这些分子返回基态时，释放的能量与分子氧相互作用，导致细胞内生成ROS，包括单线态氧、过氧化氢、羟基自由基和超氧阴离子（Yu等人，2026年）。这些ROS会对核酸、脂质和蛋白质造成氧化损伤，最终导致微生物死亡（Lee等人，2024年）。与通常针对特定酶或代谢途径的合成杀菌剂不同，PDI具有非特异性、多目标效应，会导致广泛的细胞损伤。因此，即使微生物发生突变以逃避特定攻击，由于多个关键细胞成分的同时受到破坏，存活的可能性也很低。这种多目标机制大大降低了抗性发展的风险，并支持长期应用的有效性（Rodoni等人，2026年）。

最近，外源性光敏剂的使用作为一种增强基于LED的PDI抗菌效果的有效策略引起了广泛关注。多种合成光敏剂，包括四吡咯大环（如卟啉和酞菁）、杂环化合物（如亚甲蓝和甲苯胺蓝O）、吲哚氰绿和补骨脂素，在PDI中的抗菌性能方面进行了广泛研究（Ghorbani等人，2018年）。相比之下，天然光敏剂通常具有更复杂的化学结构，能够参与多种生理过程并对外部刺激或压力作出反应。代表性的天然光敏剂包括姜黄素、金丝桃素、槲皮素和核黄素（RBF）。姜黄素是一种从姜黄中提取的天然多酚，具有很强的抗炎和抗菌活性；然而，由于其水溶性差和快速代谢降解，其应用受到限制。金丝桃素以其强光活性和抗病毒及抗菌效果而闻名，但其使用受到光毒性和组织渗透性的限制。尽管槲皮素在植物中广泛分布并具有抗氧化和抗炎特性，但其生成ROS的效率相对较低，从而限制了其光动力抗菌效果（Wang等人，2023年）。与这些天然光敏剂不同，核黄素（RBF，维生素B2）具有高水溶性、低毒性和优异的生物相容性，使其成为克服其他光敏剂局限性的有希望的候选者。值得注意的是，RBF在405纳米LED光照下能够高效生成ROS。与其他多酚光敏剂相比，RBF在储存和运输过程中的实际应用潜力更为突出（Kim等人，2021年）。鉴于这些有利特性，近期研究越来越多地评估了RBF介导的PDI对特定真菌病原体（如Candida屬、Rhizopus stolonifer和Fusarium solani）的效力（Ki等人，2026年；?opaciński等人，2026年；Zhu等人，2018年）。这些体外研究表明，RBF在光照下作为光敏剂能够有效抑制真菌生长，通过诱导细胞膜和细胞内成分的严重氧化损伤来发挥作用。此外，最新综述强调了其优异的生物安全性，进一步证实了RBF作为抗真菌光动力治疗的高度潜力（Farah等人，2022年）。

然而，尽管RBF主要作为抗细菌PDI系统中的光敏剂进行了研究，但其抗真菌潜力仍较少被探索。虽然真菌具有由几丁质、β-葡聚糖和甘露聚糖组成的复杂多层细胞壁，对ROS的渗透构成障碍，但对于RBF介导的光动力治疗的实际应用而言，更关键的障碍在于农产品的复杂性。特别是，在水果表面的试验中，通常未能证明与单独光照相比RBF能显著提高孢子的失活效果。这一问题在405纳米LED照射时尤为明显，因为405纳米光本身具有内在的抗菌活性（Farah等人，2022年；Ghate等人，2021年）。因此，区分405纳米LED照射的固有抗真菌效果与外源性RBF的附加贡献在受控条件和实际水果条件下的差异是重要的。迄今为止，RBF对柑橘上P. italicum的405纳米LED介导的失活效果的增强程度以及悬浮液和水果系统之间差异的潜在原因仍不够清楚。因此，本研究旨在比较单独使用405纳米LED照射与结合RBF照射对P. italicum的抗真菌效果，确定RBF在柑橘储存期间是否提供额外的抗真菌效益，评估这些处理对果实物理化学性质的影响，并阐明孢子失活的机制。

部分内容略
**霉菌培养和孢子制备**
P. italicum（KACC 44510）从韩国农业培养收集中心（KACC；Wanju-gun，韩国）获得。该霉菌菌株在马铃薯葡萄糖琼脂（PDA；Difco，Sparks，MD，美国）上以25°C的温度在低温培养箱（IL-11-2C，Jeio Tech，Daejeon，韩国）中培养5–10天。至少连续两次进行传代培养以维持最佳生长状态。用无菌刮刀和10毫升PBS收集PDA表面的孢子。