二氧化氯消毒杀菌体系的特征及在食品制造现场的应用

阪田总一郎

（日本高砂热学工业株式会社新技术开发部）

二氧化氯消毒杀菌体系的特征及在食品制造现场的应用

阪田总一郎

（日本高砂热学工业株式会社新技术开发部）

介绍了二氧化氯消毒杀菌体系的特征及消毒杀菌机理，指出了应用二氧化氯消毒杀菌的一些关键数据和指标，列举了在食品制造现场应用二氧化氯消毒杀菌的实例，最后指出了二氧化氯生成的安全方法和应用前景。

二氧化氯；消毒杀菌；食品制造现场；CT值

由于使用福尔马林杀菌消毒有致癌的危险，日本高砂热学工业株式会社于2013年4月开始使用更加安全、效果更好的二氧化氯（ClO2）开展杀菌消毒业务。该公司销售的名为TSCLOO™的消毒杀菌产品，是Takasago Sterilization System ClO2的简称。本公司得到卫生综合管理会社集团的New Techno Grop（简称NTG）大力协助，负责对高砂热学工业株式会社的ClO2气体杀菌消毒技术进行指导，开展ClO2气体杀菌消毒的业务。

2013年7月中旬召开的日本国内最大的制药相关展示会，约700名医药、食品企业的人员以及50家有名的企业参会。此次展示会上展出的TSCLOO™获得了与会者的广泛好评。

1. ClO2气体杀菌消毒技术的历史

1.1 炭疽菌事件

ClO2自从200年前被发现后，其在纸浆和食品漂白、水消毒、室内喷雾消毒等方面得到了广泛应用，其它有氧化性的杀菌剂包括臭氧、次氯酸钠、过醋酸等。ClO2易于分解，不太容易保存，与其它杀菌剂相比，ClO2是具有强烈刺激性臭味的物质。但是，自2001年秋季美国发生炭疽菌恐怖事件以来，美国政府批准使用ClO2作为杀菌剂，开始对建筑屋内部进行大规模杀菌消毒，这一举措彻底改变了人们对ClO2的评价。因邮送炭疽菌污染的主要建筑物包括美国参议院（27万m3）、布伦特伍德邮件分发中心（38万m3）、汉密尔顿邮件分发中心（16万m3）及佛罗里达州事务所大楼。

美国环境保护厅（EPA）制定的消毒杀菌标准如下：①杀灭表面附着的1012个芽胞形成菌（其中包括最难杀死的炭疽菌）；②对重要的书籍、各种仪器、家具、美术作品影响要小（1000ppm，20h的曝露试验）；③清除污染后无杀菌剂残留，不会影响人们的健康；④清除污染的时间要短。

研究者以安全芽胞形成菌为对象进行了模拟试验，经过反复试验，并与过氧化氢、过醋酸等清除污染剂相比，最终选择了完全满足EPA关于消毒杀

菌4个要素的ClO2。美国2001年12月30日对参议院所在地实施ClO2消毒杀菌，12月31日完成消除污染作业，在对建筑物屋内整理、实施安全检查后，于2002年1月22日该建筑物重新开始正常办公。

1.2 在民用方面的应用

在美国发生的炭疽菌事件中，至少有22名感染者，其中有5名感染者死亡。在炭疽菌事件发生后，美国政府委托The sabre companies（Sabre公司）和ClorDiSys Solutions，Inc（CDS公司）等民间企业在医药、食品、医疗等领域开展采用ClO2的杀菌消毒作业。表1是美国和日本使用ClO2的领域与规定标准、法规的对比情况。EPA及其下属的国土安全研究所（NHSRC）对各种杀菌剂进行评价，并逐一公示了结果。

2. 杀菌消毒的条件（CT值）

CT值是杀菌剂使微生物不活性化所需的有效成分浓度与作用时间的积值。例如，6Log不活化CT值，表示杀菌剂能使106个微生物完全杀死所需的最低浓度与作用时间的积值。对于同样的CT值有同等的不活化效果，浓度增加1倍，作用时间就会减少一半。相反，浓度减少一半，则作用时间增加1倍，才能获得同样的不活化效果。

表1 ClO2的应用领域及规则

EPA和CDS公司对ClO2的不活化效果与CT值的关系做了详细调查。对炭疽菌的芽胞形成菌，6Log不活化CT值是720ppm · hrs。6Log不活化是大多数制药、食品产业的消除污染的标准。在发生炭疽菌事件之际，EPA对美国参议院办公所在地消除污染采用的CT值，是比制药、食品产业更高一级的9000ppm · hrs（750ppm×12hrs），对佛罗里达州办公楼消除污染采用的CT值是9000ppm · hrs（3000ppm×3hrs）。消除污染时的温湿度条件是在21℃以上、65%RH以上。基于美国国防上的理由，并未公布9000ppm · hrs的CT值是使多大的Log不活化，推测很有可能是12Log不活化的CT值。

对于有无芽胞形成菌6Log不活化的判定方法，由美国药典和日本药典作了详细规定。在用ClO2消毒杀菌时，使用的指标菌是芽胞形成菌的一种——Bacillus atrophaeus（菌株名为ATCC9372或NBRC13721）。在除纸材质外（例如玻璃和塑料）的管表面涂敷该菌株100万个以上，以此载体作为生物指示剂（BI）判定杀菌消毒力。满足此条件的BI为美国Mesa Labs公司的Releasat（商品名）。在这种薄板的指定位置用ClO2曝露一定时间，然后回收并在指定条件下培养，如果未检出芽胞菌的话，就认为达到6Log不活化的目标。

日本高砂热学工业技术部的坂田总一郎在顾客现场试验和该公司的技术研究所反复进行的模拟消除污染试验中，确认CT值在超过720ppm · hrs的ClO2曝露条件下，可以实现6Log的不活化。这与美国的报告结果一致。

ClO2的密度是空气的2倍多，浓度高于100ppm时呈黄褐色，肉眼可见。当浓度仅为100ppm（WHO安全浓度）的数分之一就可检测到ClO2的臭气（与漂白剂亚氯酸类似）。ClO2易被活性炭吸收，易溶于亚硫酸钠和硫代硫酸钠溶液，在太阳光直射的强UV曝露下，ClO2加速分解，使其浓度降低。但是，在有室外采光的屋内，ClO2几乎不会发生分解。

ClO2被人体吸收后转变为亚氯酸离子，如果吸收量大大超过人体的摄取安全标准，就会造成肝脏损害，减少血小板数量。与氯气和亚氯酸钠不同，ClO2在水中不会生成三氯甲烷，也不会与氨反应生成氯化铵，用ClO2消毒不会造成致癌性的反应生成物。正因为如此，ClO2水和ClO2气体已经在美国作为食品制造生产线的杀菌剂之一。

3. 杀菌消毒机理

图1是ClO2的杀菌消毒机理。由于氧原子与氯原子是不对称电子结合，在化学上不稳定，很容易通过自由基反应发生氧化作用，破坏由蛋白质构成的细菌细胞膜，及氧化病毒的外核。此时，氯原子和细菌与病毒体内的Na、K结合，生成NaCl、KCl。

ClO2+蛋白质+Na→氧化损伤蛋白质+O2+NaCl

在ClO2与微生物反应中，会使生物体的蛋白质变成蛋白质与氧结合的化合物，ClO2变成Cl-，Cl-与生物体内的阳离子（Na+或K+）配对。不只是ClO2，过氧化氢和臭氧等氧化性杀菌剂，福尔马林等水溶性气体，都是在微生物体中溶解后发挥杀菌作用。因此，杀菌消毒对象（微生物体）周围空气的相对湿度会使杀菌气体很容易溶入微生物体，即与杀菌效果有强的正相关性。虽然相对湿度提高，杀菌效果也提高，但氧化性杀菌剂和福尔马林的金属腐蚀性也会增强。

图1 二氧化氯杀菌消毒的机理

EPA 600/R-11/051（2011年7月www.epa.gov/ ord）推荐：在室温65%RH以上的条件下，ClO2可获得较高杀菌效果。坂田总一郎等人从实验中得出：既要发挥生物学指标6Log的杀菌力，又要抑制金属腐蚀性，最适相对湿度为60%RH。出于消毒杀菌目的，除了生物安全性外，还要根据食品生产设备的空间，决定最适相对湿度的数值。

4. ClO2气体的安全性

4.1 气体浓度的安全标准

在日本国内，对ClO2气体浓度的基本值，目前尚未作出规定。但美国职业安全卫生局（OSHA）制定了ClO2气体的职业性暴露标准。8h的加权平均值（TWA标准：大多数劳动者在8h/天、40h/周的工作时间暴露，对健康几乎没有影响的浓度）为0.1ppm（=100ppb）。此外，在15min的短时间内暴露的允许浓度为0.3ppm（=300ppb）。

4.2 经口摄取的安全性

在对食品制造现场使用ClO2气体杀菌消毒时，存在ClO2被食品吸收的可能性，这种情况对人的健康安全性及ClO2容许剂量都是个问题。利用ClO2对食品制造现场杀菌消毒时，不论ClO2以哪种形态存在都有进入食品的可能性，因此，日本厚生劳动省食品安全委员会制订了基于《食品安全基本法》的报告书。在这份报告书中，食品安全委员会根据图2的氯化物关系图，认为ClO2表现的毒性是由于亚氯酸（ClO2溶于水成为亚氯酸离子）而导致的，从两个化合物的神经行动学影响及发育毒性考虑，决定对ClO2不设定NOAEL（无毒性量），而对亚氯酸离子设定NOAEL，该结论沿用了EPA的见解。

对亚氯酸水（毒性与ClO2等价）影响食品健康的评价结果，设定亚氯酸水的每天摄取容量为0.029g/kg体重/日。

4.3. ClO2的表面附着量与经口摄取量

将饲养实验动物的无菌室（BCL）器材搬入BCL附属的Passroom内，用ClO2对其进行杀菌消毒。在室温下、60%RH的环境中，用300～400ppm的ClO2气体处理3h，然后用吸附分解触媒装置处理1h，使Passroom内的ClO2气体基本得到除去，继续吸附直至残留气体浓度为0。用离子色谱分析搬入器材不锈钢表面附着的亚氯酸离子量，得到的分析值大约为200ng/cm2。另一方面，对体重为50kg的大人的亚氯酸离子摄取量为0.029g/kg体重/天× 50kg=1.45g/天，实际上基本达不到该值。假如对制造中的食品直接实施ClO2气体杀菌消毒，除非该成年人食用1.45g/天÷200ng/cm2=725m2/天表面积杀菌后的食品，否则不会超过安全许可值。

图2 氯化物关系图

5. ClO2生成法

在美国和日本公司，商业化的ClO2生成法有4种，这些方法在日本实用化时存在以下问题。

①从充填Cl2的储气瓶中取出Cl2，通入到反应液（亚氯酸等）中生成ClO2的方法。

问题点：Cl2储气瓶的可操作性（危险物、储气瓶搬运与保管等）。

②次氯酸电解生成Cl2，把生成的Cl2通入反应液（亚氯酸等），生成ClO2的方法。

问题点：通过控制电解，控制ClO2的浓度，生成的ClO2浓度低。

③利用装置内生成高浓度ClO2水溶液进而生成ClO2的方法（高砂TSCLOO）在亚氯酸片（锭剂）中加入酸性液体（苹果酸），用电炉加热反应液促进ClO2的产生。

④在与酸反应的亚氯酸水溶液中通入N2和空气发泡，生成ClO2的方法。

6. 在食品制造现场的应用实例

6.1 设备概要

对适用于鱼肉加工及食品制造线的冷却罐内实施杀菌消毒。罐体是不锈钢制，高约3m，体积约50m3。在该罐体中，为了搬入搬出加工食品，设有螺旋输送机的入口和出口，开口密封非常重要。不锈钢输送机与外部简易清洁制造线（入口处为烤制线，出口处为包装线）直接连接，要想隔绝密封不可能，输送机紧密连接，为了防止气体漏出，需要进行必要地保养。

为了使罐体内充满ClO2，在图3所示罐体的输送机出入口以外，在气体容易发生泄漏的部位，需要用保养胶带密封。此外，由于数百ppm的ClO2可能对湿度传感器和烟感知器造成损伤，因而也需要用保养胶带包上，使其与ClO2气体隔绝。

不锈钢制的罐体内部定期用精制水洗净，地面上会残留一部分洗净水。如果洗净后不进行换气，在罐体密封后就使罐体相对湿度达到100%，会使ClO2气体发生装置和气体分解装置和循环泵腐蚀，并导致漏电保护器跳闸。用精制水洗净罐体后，必须进行换气，使罐体内的相对湿度低于65%后，必须实施密闭ClO2气体发生作业。

6.2 杀菌消毒服务的概要

为了实施杀菌消毒，每组装置必须具有相当于50m3空间的处理能力，其中包括ClO2发生装置、气体分解装置和使ClO2扩散的循环泵，并配置于消除污染对象空间内。保养需要在以下部位进行，这些部位要使用ClO2不能透过的材料：①输送机出入口；②天井、墙壁的给排气口；③洗手盆、水槽的开口部分；④插座；⑤照明开关；⑥出入所用的门开启部分。

此外，要事先检查照明器具是否泄漏电，确认罐体不漏气后才可保养。

6.3 ClO2浓度评价

在评价杀菌消毒工程中ClO2浓度在罐内空间的分布情况时，通常以空间平均浓度表示ClO2浓度的变化。在进行杀菌消毒处理时，TSCLOO服务的标准工程是杀菌消毒3h，分解1h。图4是杀菌消毒处理时，罐内ClO2浓度随时间变化的情况。杀菌消毒工程的平均ClO2浓度约240ppm。因此，计算出CT值（气体浓度与曝露时间的积）约720ppm · hrs，低于本公司制定的标准杀菌消毒指标9000ppm · hrs（300ppm×3hr），这只是达到CDS公司6Log不活化CT值720ppm · hrs的水平，在分解工程中也能快速吸附分解ClO2。

图3 杀菌消毒对象区域的保养概要图

从图4看到，ClO2的浓度峰值低于600ppm，与图5所示通常的生物学指标的场合不同，ClO2浓度的衰减很快，其理由是：冷却室内的螺旋输送机呈螺旋状紧密充填，输送机的搬送带部分的不锈钢表面积非常大，而且在本次ClO2杀菌消毒前曾对罐体用精制水喷雾洗净，之后对冷却室内只实施1h的循环除湿。在除湿过程中，螺旋输送机的不锈钢部件没有完全干燥，输送机和不锈钢地面也是潮湿状态。

ClO2对水是可溶性的，能溶于各种部件表面形成的水膜，因而与通常的生物清洁室的ClO2不同，浓度衰减很快。

图4 ClO2浓度与CT值的经时变化情况（食品制造冷却罐）

图5 ClO2度与CT值的经时变化情况（通常生物清洁室的比较例子）

表2 杀菌消毒前后冷却室内温湿度和生物学指标配置数

6.4 用生物学指标评价杀菌消毒效果

本研究用生物学指标（BI）评价了ClO2的杀菌消毒效果。BI采用Mesa.Lab制造的Releasat ClO2用菌种（菌种：B.atrophaeus（9372），菌数：106）；BI设置的9个场所如表2所示。BI对杀菌消毒效果的判定标准，是在内部温度调整为37℃的培养器内培养48h，对照培养液的颜色由橙色变为黄色即为阳性，培养液的颜色如果没有变化仍为橙色，即为阴性。图6是测定的结果。9个场所的测定结果均为阴性。即使在冷却室内设置BI最少的场所，该杀菌消毒操作仍达到使100万个芽胞形成菌减少到为0的消毒水平。图6最右端是未经ClO2消毒的对照样BI。

7. 结论

图6 用生物学指标评价杀菌消毒的结果写真

采用ClO2杀菌消毒，比具有致癌性的福尔马林更安全，操作时间更短，是一项切实可行的杀菌消毒技术。从其对生物恐怖袭击现场的消除污染效果和安全性得到证实后，由美国政府官方推荐ClO2作为消除污染技术在全国得到普及。在食品制造现场使用时，经口摄取安全性也比其它杀菌剂优异。

日本高砂热学工业的ClO2发生方法（TSCLOO），没有采用美国ClO2发生使用的Cl2（毒气）和盐酸（危险物），而是采用同天然果汁一样安全的原料苹果酸，是对人体健康、安全的ClO2发生技术。

岳霄译自2014.6《日本食品科学》。

The Characteristic of Chlorine Dioxide Disinfection System and The Application in Food Manufacturing Site

This article explained the characteristic and mechanism of chlorine dioxide Disinfection System，pointed out some key date and indicators in the course of applying chlorine dioxide，then illustrated the employment in food manufacturing site。Finally，the safety production method and application prospect of chlorine dioxide was indicated。

chlorine dioxide；disinfection；food manufacturing site；CT value

S859.79+9.1

A

1672-2701（2016）01-12-07