《Journal of Food Protection》：Antibiofilm Mechanisms and Applications of Natural Compounds
形成于食品接触表面与加工设备上的生物膜是持续性细菌储库，会导致食源性污染与疾病反复发生。传统消毒剂与抗菌处理往往难以清除这类由胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）基质包裹、含有代谢休眠持留菌且具备多种适应性耐药机制的复杂微生物群落。天然化合物（natural compounds, NCs）正日益被视为潜在的替代性抗生物膜制剂，但支持其有效性的证据仍较零散，且整合分子机制与实际食品加工体系应用的研究十分匮乏。本综述评估了包括植物源酚类、生物碱、萜类，以及各类海洋与微生物代谢产物在内的多种天然化合物，探讨其作为高效生物膜控制替代方案的潜力。与传统杀菌剂不同，天然化合物表现出多层面的抗生物膜活性，可靶向生物膜发育的关键阶段：抑制初始细菌黏附与群集运动、干扰群体感应（quorum sensing, QS）与环二鸟苷酸（cyclic diguanylate, c-di-GMP）信号通路、破坏胞外聚合物支架结构。天然化合物还可通过破坏细胞膜、诱导氧化应激及抑制毒力因子，有效根除顽固的持留菌。本综述重点关注适用于食品加工环境与食品接触材料生物膜清除的先进应用策略，包括纳米技术递送系统、表面功能化涂层，以及与常规消毒剂的协同联用方案。综上，这类基于天然化合物的干预措施推动了抗菌思路从单纯杀灭细菌向生态行为调控型生物膜管理转变，有助于在食品供应链中实现更具可持续性与高效性的食源性病原体控制。
引言
微生物在自然、工业与临床环境中既以游离浮游细胞形式存在，也可形成有组织的表面附着生物膜群落。生物膜可被理解为复杂的三维结构，细菌细胞不可逆地附着于表面并被自身产生的胞外聚合物包裹。高度水合且具有黏弹性的胞外聚合物可占生物膜干重的90%，主要由多糖、蛋白质与胞外DNA（extracellular DNA, eDNA）组成，这些结构特征共同赋予被包裹细菌更强的抗干燥、抗剪切应力、抗营养限制、抗宿主免疫应答及抗抗菌剂暴露的能力。
生物膜的形成是动态且受到严格调控的过程。初始阶段为浮游细胞可逆性附着于表面，随后在菌毛、鞭毛等表面附属结构的介导下实现黏附稳定，进入不可逆附着与微菌落形成阶段。在随后的成熟阶段，细胞指数生长伴随大量胞外聚合物产生，最终形成具有空间异质性与复杂三维结构的成熟生物膜。成熟生物膜在后续的分散阶段可发生传播，部分细胞从生物膜脱落，恢复浮游状态并定植于新的表面或环境。
一旦建立，生物膜会在食品生产、临床感染与工业运行等不同场景中造成不利影响。在食品加工体系中，管道、储罐等设备表面极易形成生物膜，成为单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌、大肠杆菌等主要食源性病原体的持续储库。塑料类食品储存材料与包装衍生的微塑料因疏水性、表面粗糙度与化学异质性，近期也被确认为微生物附着与生物膜形成的新型生态位。食品相关表面的生物膜通常对清洁剂与消毒剂具有高耐受性，因此是导致反复污染事件与食品腐败的重要原因，亟需精细的卫生设计与严格的清洁消毒规程。
在临床环境中，约65%–80%的细菌感染与生物膜相关。生物膜内的病原菌细胞对抗生素与宿主免疫防御均表现出更高的耐受性，进而导致感染复发与治疗失败。这类致病性生物膜可分为两类：组织相关慢性感染（如囊性纤维化患者慢性肺部感染、复发性尿路感染）与器械相关生物膜（如留置导管、人工关节、牙科植入物）。这种分类虽源于医学语境，却与食品微生物学挑战存在直接概念对应：组织相关感染类似于在肉类、生鲜农产品、乳制品等复杂生物食品基质上形成的生物膜，其细菌存活由生物相互作用主导；器械相关生物膜则与不锈钢加工设备、水管、塑料传送带等非生物食品接触表面上形成的生物膜具有基本一致的黏附与持留机制。这一对应关系表明，针对生物膜行为的临床见解可为食品工业定向消毒规程的制定提供战略参考。
在工业语境下，生物膜会促进设备表面结垢与腐蚀，降低工艺效率，最终导致设备损耗，造成显著经济损失。上述食品、医疗与工业领域的生物膜挑战共同凸显了对整合控制策略的需求，以及对特异性靶向生物膜耐药机制的新型干预手段的需求。
传统生物膜控制策略及其局限性
随着对生物膜重要性的认识不断加深，目前已开发出物理、化学与生物等多种生物膜控制方法，包括基于抗生素的策略。这些方法的核心目标均为抑制生物膜形成、破坏已建立的群落结构及/或清除被包裹的细胞，但在实际应用中均存在固有局限。
最传统的生物膜控制策略是使用抗生素，这类化合物对浮游细菌细胞具有高效杀灭作用，长期作为临床与食品安全领域微生物控制的基石。然而，由于残留考量带来的监管限制，其在食品环境生物膜控制中的直接使用受到约束。与同菌株的浮游细胞相比，生物膜相关细胞通常对抗生素表现出显著更高的耐受性。被包裹在生物膜内的细菌细胞处于非运动状态，且受到胞外聚合物基质的物理屏蔽。此外，作为固着细胞，它们可将原本用于运动的代谢能量转向防御抗生素的过程。持留菌的形成进一步削弱了抗生素的靶向效果。因此，生物膜根除通常需要达到最小抑菌浓度（minimum inhibitory concentration, MIC）的10–1000倍的抗生素浓度，这在实际场景中会带来非靶标毒性升高、成本增加与抗生素残留风险上升等问题。此外，反复或亚致死浓度的抗生素暴露会对生物膜种群施加强选择压力，促进多重耐药株的出现与慢性持续性感染。因此，基于抗生素的方法日益被视为生物膜控制的辅助手段而非终极解决方案。
除抗生素外，刷洗、高压冲洗、超声处理与机械磨损等物理去除方法是最基础的策略。在食品加工与工业环境中，这些方法可在短期内降低生物膜生物量，但往往不足以完全清除不规则表面或复杂设备结构上的生物膜。表面清洁后残留的细胞可快速重新附着并形成生物膜，因此单纯物理干预的长期有效性有限。为克服传统方法的局限，新兴先进技术聚焦于靶向细菌初始黏附，包括疏水性或亲水性调控、银离子或抗菌剂掺入、抗黏附聚合物涂覆等表面改性与抗黏附涂层技术。尽管这些策略可减少初始细菌附着，但受限于涂层耐久性、食品接触安全性以及长期使用过程中活性成分的逐渐耗竭等问题。
食品加工与临床环境中最常用的生物膜控制剂是化学消毒剂，包括含氯化合物、过氧化物与季铵盐类化合物。这些试剂对浮游细胞表现出强效抗菌活性，但其对胞外聚合物保护的生物膜的渗透往往受限。因此，处理需要高浓度反复施用，可能导致设备腐蚀、环境负担与职业安全风险。此外，生物膜反复暴露于亚致死浓度的消毒剂会通过施加选择压力增强种群内的耐受性或适应性应激反应。
另一类生物膜根除方法是使用靶向胞外聚合物的酶，包括DNase、蛋白酶或多糖降解酶，可分别通过降解胞外DNA、蛋白质或多糖来削弱生物膜结构。然而，这类方法受限于酶在工业条件下的不稳定性、高成本与需反复施用等缺陷。同样，噬菌体或竞争性微生物等生物控制策略虽有探索，但其广泛应用仍受限于宿主特异性、活性谱狭窄以及在复杂环境条件下性能变异性大等约束。
总体而言，抗生素、物理、化学、酶促与生物策略虽可靶向生物膜的特定阶段或组分，但在同时抑制生物膜动态形成过程与多层防御机制方面存在根本局限。尤其是以抗生素与消毒剂为核心的策略会施加强选择压力，可能加速耐药性发展，因此其作为可持续生物膜管理策略的应用受到限制。在此背景下，通过非杀菌或抗毒力机制（包括使用天然化合物）调控生物膜形成与持留的替代方法日益受到关注。
天然化合物作为替代策略的兴起
随着对以抗生素与消毒剂为核心的生物膜控制策略的结构与功能局限性的认识加深，全球对管理生物膜相关感染与污染的替代方法需求不断增长。在此背景下，源自植物、海洋生物、微生物与动物的天然化合物作为生物膜控制的候选方案崭露头角，可作为传统抗菌剂的替代品或佐剂。自然界是一个巨大的生物活性分子储库，这些分子在进化过程中形成了保护生物体与抑制竞争对手的功能。许多此类化合物具有独特的化学结构与作用机制，与合成抗生素截然不同。因此，理解调控生物膜形成与成熟的生物学过程，对于确定天然化合物类抗生物膜制剂的分子靶点及开发合理应用策略至关重要。
天然化合物通过干扰初始表面附着、限制生物膜成熟或破坏并诱导已建立生物膜的分散，靶向生物膜生命周期中发挥作用的关键调控与结构元件。这些效应通过多种机制介导，包括干扰群体感应、抑制细胞黏附、破坏胞外聚合物等关键生物膜组分（如胞外DNA、蛋白质、脂多糖、外多糖与次级信号分子）。通过这些作用，天然化合物可削弱生物膜结构完整性并降低抗菌耐受性。因此，基于天然产物的生物膜根除策略已成为食品、环境与生物医学微生物学领域的研究热点。然而，许多已显示出良好活性的天然化合物仍需进一步优化与验证，包括在真实加工条件下的功效测试、食品接触应用的安全性评估，以及相关场景下的体内评价。
天然化合物在生物膜控制领域日益增长的关注度源于其多项独特优势。首先，天然产物具有极高的化学多样性，便于探索可能绕过现有已知抗菌耐药机制的新型结构模体。其次，许多天然化合物通过影响抗毒力或抗生物膜机制发挥活性，例如抑制群体感应或破坏胞外聚合物基质，而非直接杀菌。这种替代作用模式可降低细菌生存的选择压力，减少经典抗生素耐药性发生的可能性。第三，某些天然化合物可作为有效佐剂，通过破坏胞外聚合物屏障、调节膜特性或调控外排泵活性，恢复生物膜相关细胞对传统抗生素的敏感性。这些发现共同表明，克服微生物持留性需要从单纯提高杀菌强度转向破坏生物膜通讯网络与结构完整性的策略。
基于上述考量，本综述旨在全面整合天然化合物抗生物膜应用的最新进展及其分子机制。综述首先系统讨论了天然化合物的主要类别（如植物源酚类、生物碱与萜类，海洋源代谢产物，微生物次级代谢产物与抗菌肽）。随后聚焦于天然化合物对生物膜生命周期不同阶段的干扰作用，涵盖从抑制初始细菌黏附与运动、破坏群体感应系统、调控环二鸟苷酸信号通路、降解胞外聚合物基质到诱导生物膜分散以及根除持留菌的全过程。最后，综述评估了纳米技术递送系统、联合疗法与工业应用等新兴制剂与应用策略在提升天然化合物用于生物膜根除的稳定性、生物利用度与实际适用性方面的潜力。
食品工业中天然化合物的主要类别与应用
食品科学研究日益转向探索替代性抗生物膜策略。在这些替代方案中，源自食品原料或天然来源的天然化合物因其独特的化学骨架、结构多样性及作用于多个微生物靶点的能力而备受关注。经过数百万年的协同进化选择压力塑造，天然化合物演化出了极为丰富的独特化学骨架，使其成为极具前景的抗生物膜制剂。天然化合物通常依据生物来源进行分类，每个类别均提供不同的化学框架与作用机制，能够干扰微生物生命周期的不同阶段。
植物源化合物
植物是次级代谢产物最丰富且易获取的来源，这些产物是植物抵御病原体与植食动物的先天化学防御物质。尽管许多此类化合物已在传统医学中使用数百年，但当代研究仍在不断揭示其分子靶点，并证实其在抑制微生物黏附、生物膜形成与细胞间信号传导中的作用。
酚类化合物（如黄酮类、单宁类、香豆素类）是一类以酚环为特征的大型异质性家族。这类化合物广泛存在于茶、咖啡、葡萄酒与浆果等膳食来源中，常被报道对食源性病原体具有强效抗氧化与抗菌活性。黄酮类（如槲皮素、山奈酚、木犀草素、柚皮素）广泛存在于水果与蔬菜中，可作为细菌群体感应系统的非竞争性拮抗剂。由于其分子结构与天然自诱导剂相似，它们可结合细菌的群体感应受体蛋白（如铜绿假单胞菌中的LasR与RhlR），但不会激活下游毒力基因的表达。这种受体拮抗作用可有效沉默细菌产生毒力因子与合成胞外聚合物所需的集体基因表达。
单宁（特别是蔓越莓中的原花青素与茶叶中的水解单宁如鞣酸）可强力抑制细菌对表面的黏附。它们通过改变细胞表面疏水性或阻断黏附素受体，防止尿路致病性大肠杆菌等病原体稳定且不可逆地黏附于宿主上皮细胞。虽然这些抗黏附机制主要在感染模型中得到表征，但其潜在的物理化学原理（包括改变细胞表面疏水性与干扰黏附素介导的结合）同样适用于生物膜细菌在非生物食品接触材料上的早期附着过程。因此，在适当的验证前提下，相同的抗黏附过程有望在食品加工场景中加以利用。此外，鞣酸螯合胞外聚合物基质内必需金属离子的能力可破坏生物膜结构稳定性。
香豆素（苯并吡喃酮）是存在于肉桂与零陵香豆等植物中的另一类重要酚类衍生物。与靶向细胞间群体感应受体的黄酮类不同，香豆素主要破坏细胞内环二鸟苷酸信号网络。通过降低环二鸟苷酸水平，它们迫使细菌放弃生物膜状态并恢复为浮游形态，从而在不直接杀死细菌的前提下有效降低毒力。总体而言，酚类化合物所具备的多种机制使其成为控制生物膜相关食品污染的多功能制剂。
生物碱是一类结构多样的含氮碱性化合物，具有显著的抗菌与抗生物膜活性。它们是植物源次级代谢产物，可通过破坏群体感应通路、破坏胞外聚合物基质与抑制毒力因子发挥强效抗毒力效应。值得注意的是，小檗碱与胡椒碱可通过干扰群体感应受体（LasR/RhlR）与抑制胞外聚合物产生来抑制生物膜形成。大麦源膳食生物碱大麦芽碱可降低细菌N-酰基高丝氨酸内酯的合成，从而减少铜绿假单胞菌的生物膜生物量、运动性及关键毒力因子（包括绿脓菌素、弹性蛋白酶、鼠李糖脂与绿脓菌荧光素）的产生。类似地，隐丹参酮可通过下调胞外聚合物相关基因（icaA、atlE）破坏生物膜结构完整性，而7-羟基吲哚与1,3,4-恶二唑衍生物则可通过抑制群集运动、毒素合成与表面定植进一步减弱致病性。
萜类（或类异戊二烯）源自异戊二烯单元，是构成植物精油主要成分的挥发性物质，以强效抗菌效应著称。这类化合物通过互补机制靶向生物膜的不同阶段。以牛至、百里香、肉桂、丁香与茶树精油中的香芹酚与百里香酚为代表的萜类，因其亲脂性可直接攻击细菌细胞膜。它们可快速嵌入脂质双分子层，导致膜透化、膜去极化与细胞内物质泄漏。这种膜破坏作用对抵抗传统抗生素的固着生物膜细胞（尤其是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）尤为有效。至关重要的是，这些萜类的功效并不局限于临床模型。由于许多精油衍生化合物属于食品级，这些膜破坏机制可直接转化应用于食品加工环境。例如，香芹酚与百里香酚已被掺入活性食品包装材料，并用于不锈钢食品接触表面的消毒或表面处理，以减少大肠杆菌与金黄色葡萄球菌等食源性病原体的生物膜形成。萜类还可抑制外排泵。由于外排泵会主动将抗生素排出细菌细胞，从而降低细胞内药物积累并促进多重耐药性，因此靶向外排泵对于对抗成熟生物膜中的抗生素耐受性至关重要。香芹酚与百里香酚可强力阻断金黄色葡萄球菌的NorA外排泵并降低大肠杆菌AcrAB-TolC蛋白的表达，而柠檬醛可靶向铜绿假单胞菌的MexAB-OprM外排泵，通过增加药物滞留来增强抗生素疗效，并与传统抗菌剂产生协同效应，即使在低于最小抑菌浓度的浓度下也是如此。
多种植物精油（包括肉桂、百里香、丁香、姜黄、牛至、大蒜与柠檬草精油）均可从天然来源便捷获取。随着抗菌素耐药性全球危机的加剧，精油作为传统抗生素在食品安全应用中的替代品或佐剂前景广阔。值得注意的是，与纳米技术的结合可降低有效剂量、提升稳定性与局部可用性，同时保持食品基质的物理化学性质与感官特性。据报道，纳米封装精油对单核细胞增生李斯特菌与沙门氏菌等食源性病原体表现出更优的抗生物膜功效，同时能在食品加工条件下保持稳定。关于这些纳米技术递送系统及其具体应用的更详细讨论将在本综述后续部分展开。
海洋与微生物源化合物
海洋环境与多样微生物类群代表了巨大但尚未充分开发的新型化学骨架储库。栖息于高度竞争与异质性生态位中的生物演化出了独特的次级代谢产物，用于通讯、领地防御与竞争者抑制。海藻、放线菌与真菌是卤代化合物、生物表面活性剂与聚酮类等化学多样性抗生物膜制剂的主要生产者。
卤代呋喃酮主要从红藻Delisea pulchra中分离得到，是一类具有历史意义且表征充分的靶向群体感应的抗生物膜制剂。这些化合物在结构上模拟革兰氏阴性菌的N-酰基高丝氨酸内酯自诱导剂，并作为非竞争性拮抗剂发挥作用。卤代呋喃酮与LasR等受体蛋白结合后并非激活受体，而是促进受体的提前降解，从而有效沉默群体感应系统并阻断毒力与胞外聚合物相关基因的协同表达。重要的是，这种机制在不直接抑制细菌生长的前提下抑制集体致病行为，是典型非杀菌性抗生物膜策略的代表。
放线菌（丝状细菌）与真菌是传统抗生素的著名来源，但其次级代谢产物也具有独特的抗生物膜特性。许多微生物物种可产生生物表面活性剂，这类两亲性分子可降低表面张力并改变细胞-表面与细胞-细胞间的相互作用。这些化合物可削弱细菌与非生物及生物底物之间的非特异性相互作用，抑制初始附着，并通过破坏胞外聚合物基质的关键结构组分来破坏预形成的生物膜，从而促进生物膜分散。此外，从深海与极端环境微生物中分离的环状肽与聚酮类对包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌在内的顽固生物膜表现出强效活性。这种活性部分与在固着条件下干扰细胞壁合成及结构完整性有关。尽管这些化合物主要在耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等临床模型中得到评估，但其破坏细胞壁完整性的能力为对抗食品加工设施中密切相关的食源性病原体（如肠毒素型金黄色葡萄球菌）提供了极具相关性的机制途径。然而，在将这些极端微生物源化合物视为食品体系应用方案之前，仍需评估其在不锈钢设备等典型工业表面上的实际抗生物膜功效、安全性与稳定性，这是当前重要的研究空白。这些发现共同凸显了利用微生物次级代谢产物通过有别于经典抗生素的机制来破坏生物膜生存策略的潜力。
抗菌肽
抗菌肽是通常由10–50个氨基酸组成的小分子，主要为阳离子兼性分子，是多种生物先天防御的保守效应分子。抗菌肽通过阻断生物膜发育不同阶段的多种分子过程，发挥强效且多层面的抗生物膜效应。其阳离子特性促进了与带负电组分（革兰氏阳性菌的磷壁酸与革兰氏阴性菌的脂多糖）的静电相互作用，进而通过桶板或环状机制形成膜孔，导致细胞裂解与ATP泄漏。此外，其小尺寸与正电荷使其能够穿透致密且带负电的胞外聚合物基质，从而接触到受保护的固着细胞与持留菌。抗菌肽还可通过靶向胞间多糖黏附素或胞外DNA等组分来破坏生物膜基质，改变基质的力学特性。除了这些细胞外活动，部分抗菌肽可转位进入细菌细胞，干扰关键的细胞内过程。一旦进入细胞，它们可抑制DNA、RNA与细胞壁的生物合成，并破坏必需的细菌信号通路。例如，抗菌肽LL-37可抑制群体感应，并通过增强抽搐运动促进生物膜分散。某些抗菌肽可抑制警报素系统（包括鸟苷5′-二磷酸3′-二磷酸与(p)ppGpp），从而阻断细菌的严紧反应。由于这种多靶点且主要基于物理的作用模式，与依赖单一分子靶点的抗生素相比，抗菌肽降低了耐药性发生的可能性，因此成为预防与根除成熟生物膜的新一代候选方案。
尽管具有强劲的机制潜力，但包括LL-37在内的动物源抗菌肽在食品基质或加工设备上的直接应用仍面临挑战，主要受限于监管约束、有限的食品使用许可与肽生产成本高昂等因素。因此，为将这些有前景的机制特性转化为实际的食品工业应用，研究重点高度集中于细菌素——一类由微生物产生的食品级、核糖体合成的抗菌肽。一个突出的例子是乳酸链球菌素，这是一种羊毛硫抗生素类细菌素，其特征是由硫醚连接的羊毛硫氨酸与甲基羊毛硫氨酸残基或不饱和氨基酸形成的独特环状结构。目前，细菌素在食品中的应用主要分为三类：部分纯化制剂（如乳酸链球菌素）、粗发酵液与产细菌素保护性培养物。值得注意的是，乳酸链球菌素仍是获得美国食品药品监督管理局公认安全（GRAS）认证并用于食品保鲜的主要商业化细菌素。为了进一步提升其在复杂食品环境中的抗生物膜性能与稳定性，当前研究正积极探索多细菌素复配，并采用理性设计（如氨基酸序列修饰）来改造具有更广抑制谱与更高蛋白酶抗性的衍生物。
天然化合物的抗生物膜机制
本节详述天然化合物用于对抗细菌生物膜的多种分子策略如何超越单纯的杀菌活性。具体而言，天然化合物靶向生物膜持留性的关键过程，包括定殖、细胞间通讯、结构完整性与毒力。这些机制共同为开发非常规抗生物膜策略提供了基础框架。
抑制初始附着与运动
生物膜发育的初始阶段是附着，这是促进游离浮游细菌向固着定植者转化的关键步骤。因此，阻止这一阶段是极具成效的生物膜控制策略。天然化合物主要通过靶向参与运动与表面黏附的细胞结构与调控系统来干扰附着。许多细菌依赖鞭毛等表面附属结构进行游动，依赖菌毛或纤毛进行黏附，以接近并稳定定植于表面。天然化合物（尤其是某些植物源多酚与生物碱）已被证明可特异性下调负责合成这些运动与黏附因子的基因表达，或干扰其调控通路。例如，甘牛至提取物可显著降低鞭毛基因的表达，从而削弱细菌向表面移动与定植的能力。与此观察一致，根皮素、表没食子儿茶素没食子酸酯（绿茶来源）与鞣酸等膳食多酚可通过抑制大肠杆菌O157:H7与金黄色葡萄球菌的卷曲菌毛或菌毛介导的表面黏附与早期生物膜形成，支持其阻断从可逆附着向不可逆定植转化的作用。
除了直接干扰黏附结构外，天然化合物还可通过改变细菌细胞表面特性间接抑制附着。萜类与脂肪酸组分可改变细胞表面疏水性与净表面电荷，从而增加与食品接触表面发生初始可逆相互作用的能量壁垒。通过破坏早期附着机制，天然化合物可在保护性胞外聚合物基质形成之前延缓或抑制生物膜发育，使细菌更易被清洁消毒干预措施及（在适用情况下）传统抗菌处理清除。
群体感应调控（群体淬灭）
群体感应是一种精密的细胞间通讯系统，允许细菌通过产生与检测被称为自诱导剂的扩散性信号分子来监测其局部种群密度。从根本上说，这一过程涉及自诱导剂的合成、识别与对胞外自诱导剂的响应，直接或间接调控基因表达，以根据种群密度协调集体行为并促进适应性响应。自诱导剂通常分为三大类：革兰氏阴性菌使用的N-酰基高丝氨酸内酯、革兰氏阳性菌使用的自诱导肽，以及介导种间通讯的自诱导剂-2。约4%–10%的细菌基因组受群体感应调控，证实群体感应在毒力、存活与生物膜发育中发挥着关键调控作用。一旦自诱导剂达到阈值浓度，细菌群落将同步激活胞外聚合物产生、毒力因子表达与生物膜成熟等集体行为所必需的基因。
靶向群体感应被称为群体淬灭，这是一种理想的策略，因为它在不对细菌施加直接生长压力的前提下使感染所需的“社会”功能失活，从而减轻耐药性发展的选择压力。天然化合物主要通过抑制自诱导剂合成或阻断受体结合来实现群体淬灭。许多天然化合物作为竞争性抑制剂，模拟天然自诱导剂的结构。例如，结构上与N-酰基高丝氨酸内酯相似的溴代呋喃酮可结合受体蛋白（如铜绿假单胞菌中的LasR），有效沉默群体感应调控的基因表达。此外，丁香酚与肉桂醛等特定成分可通过直接抑制N-酰基高丝氨酸内酯合酶或下调编码N-酰基高丝氨酸内酯合酶的必需群体感应基因（如lasI与rhlI）的表达来抑制N-酰基高丝氨酸内酯的产生。这些靶向干扰减少了毒力因子的表达，且不会施加传统抗生素通常伴随的强选择压力。
除了合成与受体干扰外，还可通过酶解自诱导剂实现群体淬灭。内酯酶、氧化还原酶与酰基酶等酶可化学降解N-酰基高丝氨酸内酯等信号分子，有效使细菌保持在低密度模式，无法协调生物膜形成。近期研究表明，大蒜、百里香与胡椒薄荷精油可调控这些酶促通路或干扰自诱导剂的稳定性与合成，从而产生广谱抗群体感应活性。至关重要的是，这些群体感应抑制剂已显示出增强传统抗生素对既定生物膜有效性的潜力，为在不利条件下管理顽固生物膜相关感染提供了有力策略。
细胞内信号（环二鸟苷酸）调控
虽然群体感应通过细胞间通讯协调集体行为，但环二鸟苷酸作为一种关键的细胞内次级信使，充当决定细菌生活方式的“主开关”。一般而言，高水平细胞内环二鸟苷酸可促进黏附素与胞外聚合物组分的合成，驱动向固着生物膜状态的转变。相反，低水平环二鸟苷酸可诱导运动基因的表达，触发生物膜分散并恢复浮游状态。天然化合物在破坏这一信号传导能力方面的作用日益得到认可。例如，香豆素已被明确证实可下调环二鸟苷酸代谢相关基因，并显著降低铜绿假单胞菌的细胞内环二鸟苷酸水平。这种降低迫使细菌放弃受保护的生物膜模式，恢复为对宿主防御与抗菌剂更敏感的浮游形态。类似地，表没食子儿茶素没食子酸酯可干扰环二鸟苷酸信号通路，抑制卷曲菌毛与纤维素的合成，而这些成分是生物膜基质形成所必需的。这种对环二鸟苷酸的靶向是与群体感应抑制平行且互补的全面生物膜控制策略。
破坏胞外聚合物基质
尽管干扰信号通路（群体感应与环二鸟苷酸）能有效阻碍生物膜起始，但要根除完全成熟的生物膜，仍需对其已建立的防护屏障进行直接的物理攻击。胞外聚合物基质是成熟生物膜的决定性特征，是抵御抗菌剂与宿主免疫应答的主要防御屏障。胞外聚合物基质的稳定性依赖于其主要聚合物组分（包括多糖、蛋白质与胞外DNA）之间的复杂相互作用。天然化合物通过化学破坏导致渐进性失稳、解体并最终分散成熟生物膜的关键相互作用，靶向这种结构完整性。
在这些组分中，铜绿假单胞菌中的藻酸盐或金黄色葡萄球菌中的聚N-乙酰葡糖胺等多糖构成了基质的大部分体积并提供结构骨架。百里香酚与香芹酚等萜类可嵌入多糖链或螯合稳定阳离子（如Ca2+、Mg2+），从而松动基质内聚力并促进类酶降解。同样，胞外DNA是重要的结构支架，尤其在生物膜发育的早期阶段，并通过结合维持基质完整性所需的二价阳离子促进基质内聚。蓝雪醌（生物碱类）与百里香酚（萜类）等特定植物源化合物可通过抑制胞外DNA释放或阳离子结合来破坏胞外DNA-基质相互作用，从而促进基质降解与支架坍塌。与此同时，多酚类单宁与原花青素可与细菌表面蛋白和脂多糖结合，形成不溶性复合物，并扰乱外膜完整性。这些相互作用削弱了胞外聚合物组分间的内聚力，增加了被包裹细胞对环境胁迫与抗菌剂的敏感性。此外，黄酮类与儿茶素（如绿茶中的表没食子儿茶素没食子酸酯）可氧化或交联胞外聚合物蛋白，从而破坏结构网络并干扰黏附素介导的锚定。通过对多糖、胞外DNA与蛋白质的协同破坏，天然化合物瓦解了胞外聚合物的物理屏障特性，使先前受保护的细菌细胞暴露于抗菌渗透与免疫清除之下。
靶向成熟生物膜中的持留菌：细胞膜完整性、氧化应激与毒力抑制
尽管许多抗生物膜天然化合物主要破坏结构与调控，但某些天然化合物可通过损害细胞完整性、诱导氧化应激与阻断毒力因子合成来直接靶向持留菌。一种主要作用模式涉及改变膜通透性与直接破坏细菌细胞包膜。具体而言，小分子抗菌肽与某些酚类化合物表现出兼性结构，可促进其嵌入脂质双分子层。这种嵌入会导致膜电位丧失、细胞内物质泄漏及随后的代谢衰竭。类似的膜靶向活性也在肉桂醛与丁香酚等植物化学物质中观察到。肉桂醛可穿透胞外聚合物基质到达持留菌，在那里破坏膜完整性并干扰必需代谢过程。在革兰氏阴性菌中，肉桂醛能够穿过外膜这一限制许多传统制剂功效的主要结构屏障。膜通透性增加与内膜损伤进而导致细胞完整性丧失与死亡。丁香酚通过破坏细菌膜与抑制生物膜形成，对葡萄球菌属表现出类似的抗生物膜活性。
除了造成物理破坏外，精油还常通过提高细胞内活性氧水平来诱导氧化应激。由于活性氧会损害病原体存活，精油调节细胞内活性氧水平的能力为靶向持留菌提供了有前景的策略。精油活性与氧化还原失衡之间的相关性已在柠檬草、罗勒、牛至与芳樟醇等多种精油中得到充分证实。
作为对这些杀菌效应的补充，许多天然化合物可通过抑制溶血素、蛋白酶与细胞毒素等毒力相关毒素与酶的合成或活性来减弱致病性。例如，杨梅素与柚皮素可特异性抑制金黄色葡萄球菌的α-毒素产生，而不会对细菌生长施加选择压力；因此，即使持留菌存活，这些化合物也可减弱致病过程。这种对持留菌活力与毒力的双重靶向为缓解成熟生物膜相关感染提供了综合策略。
协同与交互效应
精油成分间的相互作用以及与抗生素或亚致死浓度化学消毒剂的协同增效，是克服生物膜对单一处理固有耐受性的关键策略。鉴于生物膜表现出包括胞外聚合物介导的扩散屏障与生理异质性在内的多层防御系统，单一制剂方法往往不足以实现有效根除。尽管单个天然化合物组分表现出抗菌活性，但精油等复杂混合物常表现出超过各组分作用之和的协同效应。这些效应源于对多个细胞与细胞外结构的同步靶向。特别是，精油已与酶（如DNase I）、纳米颗粒（如生物银纳米颗粒）、维生素（如维生素C）或金属离子（如Zn2+、Cu2+）联用，以增强对革兰氏阴性菌的活性，通过胞外DNA降解、胞外聚合物基质破坏、膜透化、外排泵抑制与改善抗菌渗透，实现>95%的生物膜分散率与99%的生物量降低。这种多因素干扰在使被包裹细胞对共处理药剂敏感的同时，削弱了生物膜结构完整性。然而，这种效应的强度可能受目标物种、浓度、暴露时长以及食品基质组成等环境条件的影响，因此强调需要在真实加工环境下进行验证。总体而言，基于联合的方法增加了机制多样性，并对生物膜防御系统施加了多方面压力，最终提升了抗生物膜功效。
天然化合物的应用与制剂策略
尽管天然化合物在体外条件下常表现出强效抗生物膜功效，但其在食品加工与分销环境中的实际应用常受限于复杂的食品基质、反复的清洁消毒周期以及温度与剪切应力等波动的加工条件。在食品体系中，还必须同时考虑化学稳定性、有效浓度的维持、感官影响与食品接触安全性等因素。因此，仅依靠单独施用活性化合物往往不足以实现稳健的生物膜控制。
出于这些原因，食品科学领域日益聚焦于能够在真实加工条件下稳定发挥天然化合物抗生物膜活性的制剂与应用策略。在这些方法中，纳米技术递送系统、联合策略与加工设备表面功能化已成为将天然化合物转化为食品安全与卫生管理实用解决方案的关键工具。
食品体系中的制剂设计要求
与涉及长期全身暴露的医疗应用不同，天然化合物抗生物膜制剂在食品体系中的应用主要针对食品接触表面或加工环境内的局部作用。因此，制剂设计优先考虑加工条件下的稳定性、表面铺展能力、局部浓度维持以及对食品品质的最小影响，而非最大化生物利用度。
精油与多酚等物质易发生挥发、水溶性差与氧化降解，导致在食品加工过程中快速失活并引发再污染。为克服这些局限，调控天然化合物物理化学性质的制剂策略日益被认为是面向食品的抗生物膜干预措施的重要组成部分。
基于纳米技术的天然化合物递送系统
纳米技术（通常定义为1–100 nm的尺寸范围）已被用作稳定与增强天然化合物在食品加工环境中抗生物膜活性的有效工具。与治疗性药物递送不同，食品应用的主要目标包括改善分散性、减少氧化与挥发、增强表面黏附以及控制释放以维持有效的局部浓度。这些特性有助于在致密的胞外聚合物保护的生物膜内实现足够的暴露。
目前已开发出多种纳米载体以提升天然化合物的稳定性。由磷脂双分子层组成的脂质体可同时包封亲水性与疏水性化合物，在保护精油与多酚免受氧化降解方面特别有效。聚合物或固体脂质纳米颗粒在食品接触表面上具有高物理稳定性与缓释特性。可生物降解的聚合物纳米颗粒可被设计用于延长抗生物膜制剂在加工设备或水系统中的局部滞留时间。
此外，还提出了可与胞外聚合物组分（包括多糖、蛋白质与胞外DNA）相互作用的表面功能化纳米颗粒，以促进其在生物膜核心内的选择性富集。两亲性嵌段共聚物胶束可显著提升疏水性天然化合物的溶解度，并部分减少在食品基质中的非特异性吸附。
这些纳米制剂策略与基于精油的生物膜控制尤为相关。大蒜、牛至与百里香精油的纳米乳液已表现出增强的分散性与储存稳定性，并在比游离油更低的浓度下实现了对食源性病原体生物膜的可比或更优的抑制效果。这种所需剂量的降低在最小化感官影响的同时保持抗菌功效方面具有显著优势。
食品卫生工艺中的联合策略
食品加工环境中形成的生物膜表现出涉及物理屏蔽、代谢休眠与应激适应的复杂多层耐药机制。因此，仅靠单一控制策略往往难以实现完全清除。近期的研究重点是将天然化合物用作常规清洁消毒过程的佐剂，而非作为独立替代品。天然化合物（如特定多酚或萜类）可通过破坏胞外聚合物屏障或抑制细菌外排泵发挥佐剂作用。这些天然化合物使先前受保护的固着细菌对配伍抗生素及含氯或过氧化物类消毒剂变得敏感。这些辅助效应使得在低消毒剂浓度下即可实现有效消毒，同时减少设备腐蚀、环境负担与职业暴露风险。因此，食品体系中的联合策略最好被理解为对生物膜防御结构的先发制人式破坏，而非杀菌强度的简单提升。
除了化学消毒剂外，联合方法的范围还在扩大，纳入了噬菌体与溶菌酶等非抗生素抗菌剂。噬菌体是特异性感染并裂解细菌细胞的病毒。噬菌体疗法在临床上（尤其是针对多重耐药感染）正日益受到重视。当与天然化合物（如群体感应抑制剂）联用时，协同效应十分显著。天然化合物可削弱胞外聚合物基质并破坏群体感应信号传导，使噬菌体能够更有效地穿透生物膜并接触目标细菌。
食品加工与环境系统中的工业应用
抗生物膜天然化合物的实用性广泛延伸至食品加工设备、水系统、包装与储存环境。然而，将实验室成果转化为工业实施仍是一项重大挑战。尽管许多天然化合物在
