含銅鐵素體不銹鋼抑制食品腐敗的作用

張 壯 楊春光 趙金龍 李 綺 楊 柯

(1.遼寧大學(xué)化學(xué)院, 遼寧 沈陽 110036；2.中國科學(xué)院金屬研究所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心，遼寧 沈陽 110016)

隨著生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量有了更高層次的追求。近年來頻發(fā)的食物中毒及食源性疾病事件引起了人們對食品安全的極大重視，如何延長食品保鮮期已成為家庭食品安全的主要關(guān)注點(diǎn)之一[1-2]。由于微生物可以利用食品中的營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)自身生長繁殖形成生物膜[3-4]，導(dǎo)致食品易腐敗變質(zhì)，縮短食品的保鮮期。因此，尋找通過調(diào)控食品的生物污染來預(yù)防食品腐敗的存儲環(huán)境，對于加強(qiáng)大眾食品安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，楊柯課題組所研發(fā)的抗菌不銹鋼很大程度上滿足了人們對抗菌生活制品的需求，在一定程度上為抑制食品的微生物污染、延長食品保鮮期提供了新的研究方向。鐵素體不銹鋼在廚房設(shè)施、微波爐、冰箱、洗碗機(jī)、食品運(yùn)輸車、運(yùn)輸管道等與食品相關(guān)的領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[5]。含銅鐵素體不銹鋼不僅具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、成形性能、外觀質(zhì)量及成本低廉等特點(diǎn)，還具備強(qiáng)烈、長效的抗菌功能[6-7]，能在一定程度上抑制微生物所導(dǎo)致的食品腐敗。但目前尚未開展相關(guān)的研究。

本文以含銅430鐵素體不銹鋼(430-Cu不銹鋼)作試驗(yàn)材料，以430不銹鋼作對照材料，初步研究了430-Cu不銹鋼延緩鮮榨果汁及新鮮魚肉腐敗的作用，分析了含銅鐵素體不銹鋼與食品接觸的可行性和科學(xué)性，以期通過調(diào)控食品表面及保存環(huán)境中的微生物對食品進(jìn)行防腐保鮮，為含銅鐵素體不銹鋼在食品行業(yè)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)用430不銹鋼和430-Cu不銹鋼由中國科學(xué)院金屬研究所提供，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 430和430-Cu不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

試驗(yàn)用兩種不銹鋼采用25 kg真空感應(yīng)爐在相同工藝條件下冶煉，鑄錠在1 100 ℃保溫30 min后鍛造成5 mm厚的試板。將兩種不銹鋼在800 ℃保溫30 min水冷固溶處理。隨后對430-Cu鋼進(jìn)行抗菌熱處理：在550 ℃保溫1 h后冷卻至室溫，以析出足夠的抗菌富Cu相。將兩種試驗(yàn)材料分別線切割成10 mm×10 mm×5 mm和40 mm×40 mm×5 mm的試樣[8]，用砂紙打磨至1 000號，然后采用體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精溶液清洗。

用鮮榨橙汁和新鮮魚肉作為研究對象。試驗(yàn)前對橙汁進(jìn)行滅菌處理，將新鮮魚肉切成40 mm×40 mm的塊狀。

1.2 抗菌性測試

采用平板計(jì)數(shù)法[9]檢測試驗(yàn)材料的抗菌性能，在超凈臺進(jìn)行。試驗(yàn)用細(xì)菌為大腸桿菌(Escherichiacoli,E.coli, ATCC 25922)，是一種食源性致病菌。選用Luria-Bertani(LB)培養(yǎng)基作為細(xì)菌的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基[10]，其組成為：5 g牛肉膏，5 g NaCl，10 g蛋白胨，20 g瓊脂及1 000 mL蒸餾水。采用體積分?jǐn)?shù)為4%的NaOH溶液將培養(yǎng)基溶液的pH值調(diào)節(jié)至7.2±0.1。在測試抗菌性能之前，將所有的試驗(yàn)器具放置在高溫高壓鍋中滅菌，滅菌溫度和時間為(121±2)℃和20 min。將所有試樣置于體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精溶液中超聲清洗20 min，隨后吹干。

在抗菌性能測試中，首先采用磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline, PBS)配置105CFU/ml濃度的E.coli細(xì)菌懸液，抽取50 μL滴加在滅菌的不銹鋼試樣表面，隨后將裝有試樣的孔板放在濕度為95%的(37 ± 2)℃恒溫箱(Heraeus B6060, Germany)中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)時間為24 h。然后沖洗不銹鋼試樣表面的細(xì)菌，采用一定的稀釋倍數(shù)制備成細(xì)菌懸液。抽取100 μL細(xì)菌懸液滴在LB培養(yǎng)基表面進(jìn)行平板涂覆。將平板置于同一恒溫箱中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)時間為24 h，隨后進(jìn)行細(xì)菌菌落的計(jì)數(shù)。抗菌率的計(jì)算公式：

K%=(α0-αT)/α0×100%

式中：K為抗菌率，α0為對照試樣430不銹鋼表面的菌落數(shù)，αT為430-Cu不銹鋼表面的菌落數(shù)。此外，每種試樣做3個平行樣。

1.3 鮮榨橙汁的保存

試驗(yàn)用鮮榨果汁為市售100% NFC橙汁(農(nóng)夫山泉)，抽取30 mL將其分別置于裝有430和430-Cu不銹鋼的滅菌培養(yǎng)皿中，試樣尺寸均為40 mm×40 mm×5 mm，試驗(yàn)環(huán)境溫度為(37±2)℃。

1.4 新鮮魚肉的保存

試驗(yàn)用魚肉是市場當(dāng)日出售的冷鮮魚肉，將其切成40 mm×40 mm、質(zhì)量相同的薄片，分別鋪展在尺寸為40 mm×40 mm×5 mm的430和430-Cu不銹鋼試樣表面，環(huán)境溫度為(23±2)℃。

1.5 感官評定

采用感官評價方法，并根據(jù)NY 82.2—1988《果汁測定方法》和GB/T 37062—2018《水產(chǎn)品感官評價指南》，對保存不同時間的果汁和魚肉的色澤、氣味及狀態(tài)等感官指標(biāo)進(jìn)行評價[11-12]。鮮榨橙汁的評價時間點(diǎn)為初始狀態(tài)、保存5和10天；新鮮魚肉的評價時間點(diǎn)為初始狀態(tài)、保存9天。

1.6 微生物菌落總數(shù)測定

考察430-Cu不銹鋼對鮮榨橙汁的抗菌性能,所用細(xì)菌為E.coli，采用鮮榨橙汁配置103CFU/mL濃度的E.coli細(xì)菌懸液。抽取2 mL菌液分別置于尺寸為40 mm×40 mm×5 mm的430和430-Cu不銹鋼試樣表面，置于37 ℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)時間為4和8 h。然后分別抽取100 μL細(xì)菌懸液滴在LB培養(yǎng)基上進(jìn)行平板涂覆。將平板置于同一恒溫箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)時間為24 h，檢測不同時間內(nèi)菌落數(shù)量的變化。

1.7 電導(dǎo)率測定

分別取不同時間內(nèi)430和430-Cu不銹鋼試樣表面的新鮮魚肉3 g，搗碎后加入30 mL蒸餾水震蕩后用電導(dǎo)率儀(DDS-11A)測定新鮮魚肉浸出液的電導(dǎo)率。測試時間點(diǎn)為初始狀態(tài)和保存3、6、9、12、15天。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗菌性

采用平板計(jì)數(shù)法研究了430-Cu不銹鋼對E.coli的抗菌性，平板表面的活菌分布狀態(tài)見圖1。通過計(jì)算，430-Cu不銹鋼的抗菌率達(dá)99.9%。從圖1可明顯看出，試驗(yàn)材料與E.coli共培養(yǎng)24 h后，430不銹鋼表面有大量的菌落，而430-Cu不銹鋼表面則沒有，表明430-Cu不銹鋼抑制了細(xì)菌的繁殖。這是由于430-Cu不銹鋼含銅，在時效處理過程中，隨著富銅相的析出，材料的抗菌性能得到了提高。當(dāng)細(xì)菌與430-Cu不銹鋼接觸時，溶出的銅離子將進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞膜滲漏甚至破裂或在細(xì)胞內(nèi)加速Fenton反應(yīng)而產(chǎn)生大量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)，細(xì)胞內(nèi)ROS過量會對微生物造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷甚至凋亡[13]，最終使430-Cu不銹鋼顯示出強(qiáng)烈的抗菌性能。

圖1 與E.coli共培養(yǎng)24 h 后430和430-Cu不銹鋼表面的菌落情況

2.2 新鮮果汁保鮮

果汁的腐敗變質(zhì)是一個非常復(fù)雜的過程，受生物、化學(xué)以及物理(主要為環(huán)境)等多種因素的影響。新鮮果汁腐敗主要是微生物發(fā)酵、代謝及增殖等過程共同作用所導(dǎo)致的。果汁中富含的蛋白質(zhì)、糖類在細(xì)菌的作用下引發(fā)氧化或酶促進(jìn)反應(yīng)而發(fā)生褐變，細(xì)菌含量越高，相應(yīng)的褐變效應(yīng)越明顯。而果汁腐敗變質(zhì)后氣味及狀態(tài)的變化是酵母菌的發(fā)酵產(chǎn)生乙醇及引起有機(jī)酸變化所致[14-15]。圖2為在(37±2)℃恒溫條件下，鮮榨橙汁的空白對照及在430和430-Cu不銹鋼表面的初始狀態(tài)，以及共培養(yǎng)5、10天后橙汁的感官變化。

圖2 初始狀態(tài)及與430和430-Cu不銹鋼共培養(yǎng)5和10天的鮮榨橙汁的宏觀形貌

試驗(yàn)結(jié)果顯示：在共培養(yǎng)5天后，空白對照及同430不銹鋼共培養(yǎng)的果汁色澤暗淡且表面出現(xiàn)少量白色菌落；而同430-Cu不銹鋼共培養(yǎng)的果汁表面狀態(tài)基本未變，只有些許顏色變化。隨著培養(yǎng)時間延長到10天，空白對照及同430不銹鋼共培養(yǎng)的果汁表面菌落面積逐漸擴(kuò)展，表面被大量黑色菌落覆蓋，果汁呈膠體狀且氣味發(fā)酸；而同430-Cu不銹鋼共培養(yǎng)的果汁無菌落，僅失去了果香味，底部有絮狀沉淀物。這表明430-Cu不銹鋼對果汁的腐敗有一定的抑制作用。

此外，進(jìn)一步考察了430-Cu不銹鋼對鮮榨橙汁中微生物菌落數(shù)的影響。鮮榨橙汁中微生物菌落數(shù)變化的測定結(jié)果(圖3)表明：在共培養(yǎng)4 h后，430不銹鋼表面出現(xiàn)大量E.coli菌落，而430-Cu不銹鋼表面菌落數(shù)明顯較少。隨著共培養(yǎng)時間延長到8 h，430不銹鋼表面E.coli菌落數(shù)急劇增加，430-Cu不銹鋼表面菌落數(shù)雖有增加，但仍遠(yuǎn)低于430不銹鋼表面的菌落數(shù)。這表明在果汁環(huán)境中，430-Cu不銹鋼也具有良好的抗菌性?？梢?，通過控制食品中微生物的繁殖可有效延長食品的保鮮期，抑制其腐敗。

圖3 果汁環(huán)境中與E.coli共培養(yǎng)4和8 h后430和430-Cu不銹鋼表面的菌落數(shù)

2.3 新鮮魚肉保鮮

新鮮魚肉含有較高的水分，十分適合微生物的生存，因此易遭受微生物污染而加速腐敗。肉制品發(fā)生變化時可通過色澤、氣味、狀態(tài)等感官指標(biāo)觀察到。圖4為新鮮鯽魚肉在430和430-Cu不銹鋼表面的初始狀態(tài)及共培養(yǎng)9天后外觀的變化。

圖4 初始狀態(tài)和共培養(yǎng)9天后430和430-Cu不銹鋼表面魚肉的宏觀形貌

試驗(yàn)結(jié)果顯示：在共培養(yǎng)9天后，相較于放置在430-Cu不銹鋼表面的新鮮魚肉，430不銹鋼表面的魚肉粘液滲出更嚴(yán)重且顏色更深，且其海腥味加重、彈性變差。新鮮魚肉產(chǎn)生的粘液是蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物和微生物菌落融合在魚肉表面而產(chǎn)生的粘性物，同時微生物大量繁殖后會產(chǎn)生色素導(dǎo)致顏色加深[16]。此外，胺類、吲哚及硫化氫等有刺激性氣味的化合物會在魚肉腐敗過程中伴隨微生物分解蛋白質(zhì)而產(chǎn)生[17]。

肉制品的電導(dǎo)率變化可作為其新鮮程度的評判標(biāo)準(zhǔn)。隨著微生物菌落數(shù)的增多，肉制品中蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物越多，電導(dǎo)率增大，魚肉的品質(zhì)變差。圖5為430和430-Cu不銹鋼表面新鮮魚肉的電導(dǎo)率隨時間的變化。隨著培養(yǎng)時間的延長，新鮮魚肉的電導(dǎo)率增大，但430不銹鋼表面的新鮮魚肉的電導(dǎo)率上升速度更快，在相同的培養(yǎng)時間點(diǎn)，其數(shù)值更高且差異性明顯。其原因是：430不銹鋼不具備抗菌功能，魚肉中的微生物將蛋白質(zhì)、脂肪等轉(zhuǎn)化為小分子化合物從而產(chǎn)生大量的離子，進(jìn)而促使電導(dǎo)率增大，導(dǎo)致新鮮魚肉腐敗[18]。

圖5 430不銹鋼和430-Cu不銹鋼表面的魚肉浸出液的電導(dǎo)率隨時間的變化

3 結(jié)論

(1)時效處理后的430-Cu不銹鋼具有優(yōu)異的抗菌性能，對E.coli的殺菌率達(dá)99.9%。

(2)430-Cu不銹鋼能抑制細(xì)菌繁殖，能使鮮榨果汁和新鮮魚肉等食品在保存期內(nèi)不發(fā)出異味和發(fā)生外觀質(zhì)量的變化。

(3)放置在430-Cu不銹鋼表面的新鮮魚肉的電導(dǎo)率變化緩慢，延長了新鮮肉制品的保鮮期。