二氧化氯的抗菌效果及其在食品保鮮中的研究進(jìn)展

陳 虹，王 群，方 欣，孫璐瑤，陳 進(jìn)，步 恬

（泰州學(xué)院醫(yī)藥與化學(xué)化工學(xué)院，江蘇省手性醫(yī)藥化學(xué)品生物制造重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇泰州225300）

進(jìn)入二十一世紀(jì)，人們的生活水平不斷提高，對(duì)食品安全也有了新的需求和期待，如無防腐劑食品、無菌包裝等。二氧化氯為無機(jī)化合物，在常溫常壓條件下是一種具有刺鼻氣味的黃綠色至橙黃色氣體，具有強(qiáng)氧化性，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的高效、低毒、快速、廣譜的綠色消毒劑。1985 年被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)用于食品加工設(shè)備的消毒；1992年，經(jīng)世界衛(wèi)生組織批準(zhǔn)用于飲用水消毒；1996 年，我國(guó)衛(wèi)生部批準(zhǔn)將其用作水產(chǎn)品和果蔬保鮮的食品添加劑。

二氧化氯因其強(qiáng)大的殺菌效果，被國(guó)際組織評(píng)為A1級(jí)消毒劑[1]，其殺菌能力強(qiáng)、效率高，在低濃度下可殺死多種病原菌[2]，如大腸桿菌、沙門氏菌、酵母和霉菌等[3-5]，在pH值為2～10范圍內(nèi)仍能保持較高的殺菌效率。此外，二氧化氯還具有漂白、除臭等功能[6]。同時(shí)，二氧化氯具有良好的使用安全性，在消毒過程中不會(huì)像其他氯消毒劑與有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)或產(chǎn)生有毒物質(zhì)。因此，基于二氧化氯優(yōu)異的抗菌消毒效果和良好的使用安全性能，使其在食品保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用逐步得到廣泛關(guān)注。

1 二氧化氯的概述

1.1 二氧化氯的性質(zhì)

1.1.1 理化性質(zhì)

二氧化氯常溫下為黃綠色強(qiáng)烈刺激性臭味氣體[7]，熔點(diǎn)為-59.5 ℃，沸點(diǎn)為11 ℃；極易溶于水，溶液易揮發(fā)，受光易分解，對(duì)熱、震動(dòng)、撞擊相當(dāng)敏感，極易反應(yīng)發(fā)生爆炸；穩(wěn)定態(tài)ClO2無色、無味、無腐蝕性、無毒、不揮發(fā)、不易燃、不易分解，在-95～-5 ℃條件下可以保存2年，儲(chǔ)存和運(yùn)輸安全方便。將ClO2穩(wěn)定在固態(tài)吸附劑或惰性溶液中，再根據(jù)需要緩慢釋放，可得到一定有效濃度的ClO2氣體。

二氧化氯的氧化性能比氯氣高2.63 倍[8]，有效氯是氯氣的2.6倍，反應(yīng)活化性也高，可在光照、堿性條件下發(fā)生歧化反應(yīng)生成

1.1.2 生物安全性

二氧化氯可用于飲用水的消毒。飲用經(jīng)二氧化氯消毒的飲用水后，水中的二氧化氯在人體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生亞氯酸根，部分亞氯酸根可被分解為能被人體利用的氯離子，亞氯酸根和氯離子可在幾天后隨尿液排出，但達(dá)到一定濃度時(shí)就會(huì)使動(dòng)物和人體體內(nèi)碘元素的代謝與生理活性受到破壞。經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從幼鼠出生前14 d 到出生后21 d 期間在其飲水中添加劑量為100 mg/L 二氧化氯，會(huì)明顯減少老鼠甲狀腺素的分泌量[9]。也有研究發(fā)現(xiàn)：二氧化氯暴露會(huì)產(chǎn)生劑量依賴性鰓病理，包括上皮抬升、肥大、增生和壞死；亞氯酸鹽在致死暴露水平下，可引起慢性炎癥反應(yīng)，造血和血管內(nèi)組織的循環(huán)和固定吞噬細(xì)胞顯著增加[10]；高濃度的二氧化氯會(huì)使體內(nèi)生成高濃度的高鐵血紅蛋白，導(dǎo)致氧氣運(yùn)輸能力下降。但到目前為止，幾乎沒有研究表明二氧化氯是否能通過皮膚大量地進(jìn)入人體，如果通過呼吸或飲用攝入了一定量的二氧化氯，呼吸道和消化道會(huì)出現(xiàn)刺痛感。盡管二氧化氯及其歧化產(chǎn)物ClO-2和ClO-3在高劑量或者高濃度（如高于100 mg/L）時(shí)具有潛在的毒性，且其嚴(yán)重程度取決于對(duì)二氧化氯的攝入量，但是在小于5 mg/L 的低濃度范圍內(nèi)，使用二氧化氯對(duì)飲用水進(jìn)行消毒，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生負(fù)面影響。

1.2 二氧化氯的殺菌機(jī)理

1.2.1 二氧化氯的氧化能力

二氧化氯分子的電子結(jié)構(gòu)呈不飽和狀態(tài)，其氧化能力主要表現(xiàn)在干預(yù)電子供體的原子基團(tuán)，奪走電子，使其成為無活性物質(zhì)，快速有效地殺死細(xì)菌。武建明[11]研究發(fā)現(xiàn)，二氧化氯對(duì)鐮刀菌、黃曲霉、粉紅單端孢、鏈格孢、青霉、藍(lán)霉、根霉7 種病原菌具有抑制作用，并且隨著其濃度的增加，抑菌能力增強(qiáng)，溫度越高，分子擴(kuò)散速度越快，抑菌效果也越好。

1.2.2 二氧化氯對(duì)微生物細(xì)胞膜的破壞

二氧化氯對(duì)微生物細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)和含氧化合物[12]的影響是滅菌的關(guān)鍵，它最終導(dǎo)致細(xì)胞代謝紊亂。有研究表明，二氧化氯抑制枯草芽孢桿菌孢子萌發(fā)的原因可能是由于芽孢內(nèi)膜受到損傷[13]。由于二氧化氯是小分子，極易透過細(xì)胞膜，從而導(dǎo)致呼吸抑制和跨膜離子濃度梯度的降低[14]。此外，Praeger等[15]提出二氧化氯可通過改變膜中的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)來提高細(xì)胞的通透性。Cho 等[16]研究表明，利用二氧化氯處理大腸桿菌后可導(dǎo)致大腸桿菌中的蛋白質(zhì)滲漏。Zhu 等[17]報(bào)道稱將二氧化氯作用于酵母菌時(shí)，盡管酵母菌質(zhì)膜的完整性受到破壞，但蛋白質(zhì)和DNA 都是大分子，它們不容易從細(xì)胞中滲透出來，因此二氧化氯的滅活機(jī)制也與對(duì)代謝酶活性的抑制和破壞有關(guān)。

1.2.3 二氧化氯破壞微生物的蛋白質(zhì)

二氧化氯與蛋白質(zhì)中的某些氨基酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，通過干擾微生物的氨基酸使之分解[18]來影響蛋白質(zhì)的合成[19]，并殺死微生物。二氧化氯的反應(yīng)活性使其進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)后能氧化氨基酸，抑制蛋白質(zhì)合成，按照氨基酸與二氧化氯的反應(yīng)活性排序從高到低依次為半胱氨酸（Cys）、酪氨酸（Tyr）、色氨酸（Trp）、組氨酸（His）、脯氨酸（Pro）[20]。微生物體內(nèi)許多酶都是蛋白質(zhì)，參與微生物的生命活動(dòng)，二氧化氯對(duì)細(xì)胞壁有吸附和穿透能力，它可以通過釋放原子氧來氧化細(xì)胞中含有巰基的酶，從而導(dǎo)致這些酶被破壞[21]。

1.2.4 二氧化氯使微生物遺傳物質(zhì)被氧化

二氧化氯能夠使微生物體內(nèi)的DNA、RNA 被氧化[22]。Bolognesi等[23]對(duì)損傷后的DNA處理結(jié)果表明：采用0.2 mg/L 的二氧化氯處理1 h 可誘導(dǎo)遺傳毒性。Ishidate等[24]研究發(fā)現(xiàn)：在激活狀態(tài)下，二氧化氯能夠促使鼠傷寒沙門氏菌的反向突變，但二氧化氯對(duì)DNA 的作用機(jī)制尚不完全清楚，需要進(jìn)一步探索。除此之外，二氧化氯還能與RNA 相互作用。Simonet等[25]發(fā)現(xiàn)，RNA 病毒暴露于二氧化氯中時(shí)被降解。Alvarez 等[26]發(fā)現(xiàn)，二氧化氯能通過與病毒RNA 反應(yīng)以及破壞病毒基因組作為RNA合成模板的能力來滅活脊髓灰質(zhì)炎病毒。

2 二氧化氯的抗菌消毒效果

二氧化氯具有很強(qiáng)的氧化性，其氧化能力是單質(zhì)氯氣氧化能力的2.63 倍，是環(huán)氧乙烷氧化能力的一千多倍。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)二氧化氯殺菌消毒的研究報(bào)道很多。

居麗雯等[27]探討了二氧化氯溶液對(duì)流感病毒的滅活作用，發(fā)現(xiàn)二氧化氯溶液對(duì)流感病毒的血凝素抗原有一定的破壞作用，5 mg/L 二氧化氯溶液作用5 min 可使流感病毒血凝效價(jià)降低一半，同時(shí)流感病毒的血凝效價(jià)隨著二氧化氯濃度的增加和作用時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。孫榮芳等[28]對(duì)比分析了液氯和二氧化氯兩種消毒劑殺滅病毒的效果，結(jié)果表明：當(dāng)液氯處理的最高質(zhì)量濃度達(dá)7.0 mg/L，且消毒作用時(shí)間為60 min時(shí)，其對(duì)腮腺炎病毒、腺病毒7型、單純性皰疹病毒Ⅰ型、脊髓灰質(zhì)炎病毒Ⅰ型、柯薩奇病毒B3、艾可病毒Ⅱ型這6種病毒均不能滅活；然而，1.0 mg/L的二氧化氯作用30 min，對(duì)以上6種病毒均可以完全滅活。李愛萍等[29]研究則發(fā)現(xiàn)：二氧化氯投加量20 g/L作用45 min 和15/L 作用60 min，均可將染菌水樣中枯草桿菌黑色變種芽孢降至為0 CFU/100 mL。

以上研究結(jié)果說明：二氧化氯不僅對(duì)流感病毒、腮腺炎病毒等7 種病毒均具有明顯、高效的滅活效果，而且對(duì)枯草桿菌的黑色變種芽孢也具有殺菌效果。

3 二氧化氯在食品保鮮中的應(yīng)用

二氧化氯作為一種安全高效的強(qiáng)氧化性殺菌劑，其不產(chǎn)生致癌物，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，因此在食品保鮮方面也有著非常廣泛的應(yīng)用，并得到了認(rèn)可。

3.1 在果蔬保鮮中的應(yīng)用

新鮮果蔬由于易受到各種有害微生物的污染而使得貨架期較短，貯藏過程中會(huì)發(fā)生失水、變色、出現(xiàn)異味、營(yíng)養(yǎng)成分損失和腐敗等現(xiàn)象，造成品質(zhì)下降，已成為世界上最廣泛的公共衛(wèi)生問題之一[30]。我國(guó)是世界上第一大果蔬生產(chǎn)國(guó)，果蔬損失占采后總量很大比例，因此研究人員對(duì)果蔬保鮮開展了許多研究。

3.1.1 二氧化氯的保鮮原理

果蔬的變質(zhì)主要是由其自身的生理作用和微生物等病害侵染引起的，雖然果蔬成熟過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和乙烯等使果蔬腐爛加快的物質(zhì)[31]，但通過二氧化氯對(duì)侵染果蔬的微生物進(jìn)行殺滅處理也是進(jìn)行果蔬保鮮的重要手段；同時(shí)二氧化氯可以防止水果中蛋氨酸分解生成乙烯，并且能夠破壞已產(chǎn)生的乙烯，起到延緩果蔬變質(zhì)的效果[11]。另外，二氧化氯不會(huì)與有機(jī)化合物反應(yīng)形成有毒的氯化副產(chǎn)物，因此有利于保證食品安全[32]。而且，有研究表明，在采后處理過程中使用二氧化氯可以對(duì)果蔬進(jìn)行強(qiáng)效殺菌，且不影響果蔬處理前的外觀和風(fēng)味[33]。

3.1.2 二氧化氯使用濃度對(duì)保鮮效果的影響

二氧化氯作為一種廣譜殺菌劑，在質(zhì)量濃度為0.1 mg/L 條件下可殺滅諸如大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等致病菌，當(dāng)存在有機(jī)物時(shí)，其干擾質(zhì)量濃度為幾十毫克每升時(shí)也可殺滅細(xì)菌繁殖體、病毒、噬菌體和細(xì)菌芽孢等。二氧化氯對(duì)生鮮果蔬表面的殺菌功效受有效劑量、菌耐受性、保持時(shí)間、溫度、相對(duì)濕度等綜合因素的影響[34]。

有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二氧化氯溶液質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，能夠最大程度抑制蘋果表面的細(xì)菌生長(zhǎng)，保持蘋果在冷藏期間的脆度和硬度，并延長(zhǎng)貯藏時(shí)間[35]。采前施用60 mg/L 二氧化氯可有效抑制‘海沃德’獼猴桃冷藏期間果實(shí)表面菌落的生長(zhǎng)，當(dāng)二氧化氯與羧甲基纖維素復(fù)合使用時(shí)，能夠有效降低獼猴桃的呼吸作用，實(shí)現(xiàn)抑菌和常溫保鮮的雙重效果[36]。使用質(zhì)量濃度為20 mg/L 的二氧化氯處理時(shí)，能夠使荔枝表面的炭疽孢子全部滅活，使荔枝果皮不易發(fā)生褐變和腐壞[37]。也有研究發(fā)現(xiàn)，使用0.2μL/L二氧化氯氣體每隔3.5 d 處理30 min，能夠抑制香蕉中丙二醛的生成，使果皮細(xì)胞的細(xì)胞膜滲透性降低，減緩香蕉在運(yùn)輸過程中因外力損傷而導(dǎo)致的表皮褐變，并能夠使果實(shí)的成熟時(shí)間延長(zhǎng)[38]。

3.1.3 二氧化氯應(yīng)用方式對(duì)不同果蔬保鮮效果的影響

二氧化氯的常見應(yīng)用形式為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。其中氣熏和液態(tài)浸洗是常見的使用方式。利用藥物緩控釋技術(shù)，將二氧化氯負(fù)載到固體載體中，并在使用時(shí)緩慢釋放氣態(tài)二氧化氯，也是一種新型的使用方式。

有研究對(duì)新疆哈密瓜、葡萄分別采用二氧化氯浸泡、氣熏處理，可降低哈密瓜的自然發(fā)病率和病情指數(shù)，維持哈密瓜、葡萄的采后品質(zhì)[39]。二氧化氯液浸處理草莓時(shí)，處理濃度越高，草莓的感病損傷越少[40]；但是二氧化氯對(duì)果皮有一定的漂白損傷，所以草莓在貯藏后期色澤受到影響。但并非二氧化氯的使用濃度越高越好，高濃度二氧化氯溶液浸泡處理會(huì)使西蘭花切面發(fā)生褐變[41]，影響西蘭花中葉綠素含量和VC 含量，不利于貯藏。另外，相對(duì)濕度對(duì)二氧化氯氣體的抗菌作用也有一定影響[1，42]。當(dāng)菠菜經(jīng)二氧化氯氣體處理后，病菌明顯減少，但致病菌在相對(duì)濕度90%的條件下減少得更加明顯。當(dāng)二氧化氯溶液與殼聚糖溶液復(fù)配使用時(shí)，能夠抑制苯丙氨酸解氨酶、肉桂醇脫氫酶、多酚氧化酶和過氧化物酶的活性[43]，使極易發(fā)生褐變的萵苣延遲褐變，抑制霉菌等微生物的生長(zhǎng)，減少木質(zhì)素的合成，抑制呼吸作用，對(duì)萵苣的保鮮起到了更好的效果。

Zhang 等[44]制備了二氧化氯微膠囊緩釋抗菌膜，并用其包裝芒果，考察貯藏過程中芒果的硬度、色差等理化指標(biāo)的變化，探究了二氧化氯微膠囊緩釋抗菌膜的使用效果，研究結(jié)果表明，未經(jīng)包裝處理的芒果容易腐爛，而經(jīng)包裝處理的芒果其理化指標(biāo)有所改善，說明二氧化氯微膠囊緩釋抗菌膜提高了芒果的貯藏品質(zhì)。該微膠囊緩釋抗菌膜在未來食品工業(yè)中可能會(huì)有廣泛的應(yīng)用。

3.2 在水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)用

我國(guó)水產(chǎn)品種類非常豐富，但因水資源污染嚴(yán)重，導(dǎo)致水產(chǎn)品中可能攜帶細(xì)菌、病毒。眾所周知，二氧化氯在水處理方面有著廣泛的應(yīng)用。二氧化氯可以有效去除水中的有害細(xì)菌，為水產(chǎn)品提供一個(gè)安全可靠的生存環(huán)境。二氧化氯也可作為水產(chǎn)品的保鮮劑，尤其是在水產(chǎn)品捕撈后及時(shí)使用二氧化氯處理可以保持較好的品質(zhì)。

楊賢慶等[45]將制作好的羅非魚丸隨機(jī)分為4組，使用不同質(zhì)量濃度的二氧化氯溶液進(jìn)行浸泡，研究（4±1）℃的冷藏條件下，穩(wěn)定態(tài)二氧化氯對(duì)魚丸的新鮮度影響，當(dāng)穩(wěn)定態(tài)二氧化氯質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，能夠有效阻斷細(xì)菌和微生物的繁殖，有效減輕魚丸中蛋白質(zhì)變性和脂肪氧化等問題，具有良好的殺菌保鮮效果，成功延長(zhǎng)了羅非魚丸6～10 d的貨架期。

3.3 在飲品保鮮中的應(yīng)用

飲料在罐裝前后必須進(jìn)行殺菌處理，俗話說“病從口入”，飲品中很容易混入細(xì)菌，口服后對(duì)胃腸道產(chǎn)生影響，危害消費(fèi)者的身體健康。在飲品生產(chǎn)的工藝環(huán)節(jié)及所用材料中使用二氧化氯進(jìn)行滅菌消毒，可以除去病原微生物。同時(shí)，二氧化氯不易殘留，安全可靠，不會(huì)影響飲品的口感，能滿足人們對(duì)飲品質(zhì)量的期待。

奶牛乳房炎是影響牛奶品質(zhì)的重要因素，而引起奶牛乳房炎的病原菌主要為無乳鏈球菌、停乳鏈球菌、乳房鏈球菌、表皮葡萄球菌、大腸埃希氏菌和金黃色葡萄球菌6種，殺滅或抑制這些致病菌則有利于奶品質(zhì)量的提高。丘通強(qiáng)等[46]以一種液態(tài)的穩(wěn)定性二氧化氯作為擠前藥浴，對(duì)乳區(qū)表面消毒后的菌落總數(shù)進(jìn)行無重復(fù)雙因素方差分析，發(fā)現(xiàn)二氧化氯對(duì)乳頭表面的殺菌效果超過98%，且成本較低，驗(yàn)證了二氧化氯作為奶牛乳頭擠前藥浴的安全性、有效性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)廣大牧場(chǎng)降本增效具有較大的參考意義。

3.4 在肉制品保鮮中的應(yīng)用

肉制品的生產(chǎn)流水線中，生禽水線的污染是主要問題，可以利用二氧化氯來對(duì)水線進(jìn)行清理。利用二氧化氯的強(qiáng)氧化性可殺滅細(xì)菌。同時(shí)還可在生禽水塔中加入二氧化氯，一方面保證飲水健康，除去水中的金屬離子和其他有害物質(zhì)，另一方面可以保持水線清潔[47]。

陳曉麟等[48]使用50 mg/L二氧化氯處理豬肉，在冷藏條件下能延長(zhǎng)其貨架期至6 d；使用150 mg/L二氧化氯處理毛肚，能延長(zhǎng)其保質(zhì)期至10 d；采用250 mg/L二氧化氯處理鴨腸，可將其保質(zhì)期延長(zhǎng)至9 d。純CO預(yù)處理與50 mg/L二氧化氯和30 g/L乳酸相結(jié)合，能夠有效抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，降低牛肉腐敗程度，延長(zhǎng)牛肉保質(zhì)期[49]。

另外，Visvalingam 等[50]研究了二氧化氯、酸化亞氯酸鈉和過氧乙酸對(duì)牛肉中大腸桿菌O157：H7的有效性控制，結(jié)果顯示：二氧化氯是最有效的抗微生物劑，其濃度是影響牛肉中大腸桿菌O157：H7 數(shù)量的關(guān)鍵因素。

3.5 在食品保鮮包裝中的應(yīng)用

利用藥物的緩控釋技術(shù)，將二氧化氯應(yīng)用于食品保鮮包裝中已逐漸受到重視。肖生苓等[51]開發(fā)了一種二氧化氯緩釋保鮮紙，其以紙基為載體，以亞氯酸鈉為二氧化氯的前驅(qū)體，通過控制酸活化劑的量和作用時(shí)間，達(dá)到抑菌殺毒、延長(zhǎng)果蔬保鮮期的目的，為木質(zhì)纖維類綠色保鮮材料的研發(fā)提供了技術(shù)與支持。楊莎[52]設(shè)計(jì)了一種全新的緩釋型二氧化氯制劑——二氧化氯膜，A膜負(fù)載了被β-環(huán)糊精包合的活化劑組分，B 膜負(fù)載了被聚乙烯醇包覆的亞氯酸鈉，A、B 膜之間添加控釋薄膜，使有效釋放率提高至25%，而且延長(zhǎng)有效釋放時(shí)間達(dá)17 d，較普通的緩釋型二氧化氯制劑保鮮時(shí)間長(zhǎng)。

4 結(jié)語

二氧化氯因其廣譜高效的抗菌特性和保鮮效果逐漸被食品保鮮行業(yè)所青睞，目前已在飲用水消毒以及果蔬、水產(chǎn)品、飲品、肉制品、抗菌食品包裝等領(lǐng)域均有研究和應(yīng)用，其抗菌保鮮效果取決于使用時(shí)的形態(tài)、濃度和頻次，且濃度起到了最關(guān)鍵的影響。因此，建議在二氧化氯基礎(chǔ)研究上，更加注重濃度相關(guān)的安全性和實(shí)用性研究，尤其在二氧化氯緩控釋制劑及包裝材料的研究、開發(fā)、應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)一步加大研發(fā)力度，以降低其生物毒性，充分利用其優(yōu)異的抗菌消毒保鮮效果。同時(shí)，二氧化氯本身還存在著以下兩個(gè)亟待解決的難題，在研究和應(yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：其一，二氧化氯沸點(diǎn)低，需利用藥物前體或添加適宜載體輔料才能制成較穩(wěn)定的食品保鮮劑、包裝材料抗菌劑等；其二，目前二氧化氯相關(guān)緩釋劑型的釋放可控性不佳，在開發(fā)相應(yīng)緩控釋劑型和食品包裝材料時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮其控制釋放性能的研究。