高壓C02殺菌機理及對芽孢類細菌殺菌效果研究

高媛　周先漢　曾慶構

摘要：高壓C0處理技術在有效地殺滅微生物和酶的同時，能很好地保持食品原有的營養(yǎng)成分、色澤、氣味，同時因成本低廉、安全無毒等優(yōu)點受到廣泛關注。在高壓C0殺菌中，最難殺滅的是芽孢類細菌，相對細菌來說具有更高的抗熱、抗壓及抗輻射性能。因此對芽孢的殺滅效果常作為衡量食品滅菌效果的重要指標。本文回顧了國內(nèi)外研究狀況，提出了高壓C0殺滅芽孢類細菌需解決的基礎問題。

關鍵詞：高壓C0;芽孢;殺菌

由于常用的熱力殺菌用于液態(tài)食品存在難以克服的弊端及食品保鮮加工的迫切需要，國內(nèi)外許多學者以及食品科技界人士均致力于開發(fā)新型殺菌技術。這類技術須兼具殺滅效果好、無化學殘留及毒副作用、成本低廉、便于大規(guī)模應用等優(yōu)點。隨著科學技術手段的不斷進步，有研究發(fā)現(xiàn)，高壓C0對多數(shù)的食品微生物有較好的殺滅作用。

一、高壓C0殺菌技術簡介

高壓C0殺菌技術作為一種新興的“冷殺菌”技術受到廣泛關注，在有效地殺滅微生物、保證食品貯藏安全的同時，也能滿足消費者對于“原汁原味”的追求，符合“最低加工”的理念。此外，其還具有操作壓力相對較低、經(jīng)濟可行、運行成本低等優(yōu)點。

二、國內(nèi)外研究概況

國外研究現(xiàn)狀。1951年，F(xiàn)raser使用C02、N2、N20及Ar氣對大腸桿菌進行試驗，能夠達到95%到gg%的殺菌率[1]，但gg%的殺滅效果距離大多數(shù)場合大于6個對數(shù)的殺菌率要求相距甚遠[2]。Foster于1962年使用高壓N2進行了6種微生物殺菌試驗，觀測到5 8.g%的微生物細胞破裂[3]。Kamihira等1987年發(fā)現(xiàn)，高壓C02對某些微生物有致死作用。Taniguchi等用C02氣體對一些熱敏性物質(zhì)進行殺菌試驗，并對嗜熱脂肪芽孢桿菌（Geobacillus stearothermophlilus）等產(chǎn)芽孢陽性菌通過添加夾帶劑的方法，獲得了較好的殺菌效果[4-6]。Lin等人改進實驗裝置，采用靜態(tài)加壓的方法對微生物的致死做了較為詳細的研究，酵母細胞的殺菌率達到7個對數(shù)值以上，或被完全殺滅[7]。Isenschmid等研究了高壓CO2對酵母細胞活性的影響，發(fā)現(xiàn)CO2在溶液中的濃度是影響酵母菌致死率的主要因素[8]。隨后Ballestra等針對大腸桿菌和真菌孢子的研究發(fā)現(xiàn)，提高溫度有助于增強CO：的殺菌作用[9-10]。Hong等研究了乳酸菌在高壓C02下的致死過程，推測高壓C02處理會給細胞膜帶來一定損傷。隨后幾年里，有許多學者針對不同的微生物展開研究，在工藝條件合適的情況下，高壓C02能夠得到好的殺滅效果，滿足實用殺菌的要求[11-13]。

國內(nèi)研究狀況。賈世儒等以面包酵母為對象，考察了超臨界CO：對其活性影響[14]。結果表明，增加菌體含水量、延長處理時間、提高壓力，均有利于提高殺滅效果。柏冰等報道，IMPa的CO2處理4min，可殺滅37.2%的啤酒酵母[15]，同時發(fā)現(xiàn)壓力、時間、酵母溶液濃度等參數(shù)對殺菌效果也有影響。廖小軍、胡曉松等于2006年開展了超臨界C02對高純度辣根過氧化物酶（HRP）的酶活力及其二級和三級結構的影響，揭示了酶失活機理[16]。廖小軍課題組還開展了蘋果汁中接種大腸桿菌的殺菌試驗研究，在合適的處理條件下（52℃，45MPa，30min）能夠達到7.66殺滅對數(shù)值。重慶大學鍋爐燃燒研究室與美國威斯康星大學的R.S.Amaon教授合作，設計并建造了高壓C02殺菌試驗裝置，對高壓C02滅菌機理展開了較為系統(tǒng)的試驗研究[17]。

高壓CO2殺菌機理。關于高壓C02殺菌技術的研究報道很多，Garcia-Gonzalez等將高壓C02殺菌機制概括為以下7個步驟：二氧化碳溶解于微生物外部的介質(zhì)中;細胞膜的改性;微生物細胞內(nèi)部pH的降低;細胞內(nèi)部pH的降低引起關鍵酶的鈍化，進而使細胞內(nèi)的新陳代謝受到抑制;分子態(tài)二氧化碳和碳酸氫根離子對新陳代謝的直接抑制效應;微生物內(nèi)部的電解質(zhì)平衡被打破;細胞或細胞膜中重要組分的流失。但這7個步驟中的大部分步驟并不是完全按順序進行的，而是以非常復雜和相關的方式同時發(fā)生[18]。

三、高壓C02殺滅芽孢的效果

常規(guī)處理。Rao等對Bacillus subtilis使用高壓二氧化碳處理結合高溫（82℃以上）發(fā)現(xiàn)處理后芽孢的內(nèi)膜受到破壞，大量DPA釋放，孢核發(fā)生水合，芽孢失去抗性后被殺滅，并對高壓二氧化碳殺滅芽孢的機制進行總結，如圖1所示[19-20]。

協(xié)同處理。Spilimbergo等實驗表明Bacillus subtilis在7.OMPa，75℃的條件下處理120min能夠達到7個對數(shù)值。其他協(xié)同方法還有添加乳酸鏈球菌素、抗菌素等物質(zhì)。Zhang等研究報道，高壓C02/H202協(xié)同處理（27.5MPa，60℃，240min，200ppm的H202）能夠殺滅Bacillus pumilus孢子超過6個對數(shù)值[21]。

四、小結

高壓C02殺菌還未形成系統(tǒng)的理論體系，技術研究較局限，成果不能共享，存在的問題主要有以下方面：

實驗條件模式化。研究者采用的對象偏向模式微生物，細胞懸液的制備都采用無菌水或緩沖液或轉接到指定基質(zhì)中進行處理，與現(xiàn)實條件相差較大，應根據(jù)具體加工對象更加有針對性地設計殺菌工藝參數(shù)，借鑒指示菌殺菌規(guī)律，使殺菌技術更貼近實際生產(chǎn)。

內(nèi)生芽孢的殺菌機制研究較少。由于芽孢核區(qū)含水量（40%）遠低于營養(yǎng)細胞，細胞膜多且結構致密，芽孢殼能夠阻止化學藥品滲入，對于營養(yǎng)細胞內(nèi)部pH降低的殺菌機制不適于解釋芽孢的殺菌處理。實現(xiàn)食品衛(wèi)生條件要求的6個對數(shù)值的殺菌要求，高壓C02處理芽孢和其他殺菌方法比不具優(yōu)勢。因此，采用相應的協(xié)同方法就顯得重要。

實驗數(shù)據(jù)難以對結論形成有力支持。高壓C02可能直接殺滅微生物，也有可能造成的只是微生物損傷?，F(xiàn)有殺菌機理的大部分的結論是通過對實驗結果的觀察推測得到的，需要更明確的實驗數(shù)據(jù)的支持。

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