高压C02杀菌机理及对芽孢类细菌杀菌效果研究

高媛　周先汉　曾庆构

摘要：高压C0处理技术在有效地杀灭微生物和酶的同时，能很好地保持食品原有的营养成分、色泽、气味，同时因成本低廉、安全无毒等优点受到广泛关注。在高压C0杀菌中，最难杀灭的是芽孢类细菌，相对细菌来说具有更高的抗热、抗压及抗辐射性能。因此对芽孢的杀灭效果常作为衡量食品灭菌效果的重要指标。本文回顾了国内外研究状况，提出了高压C0杀灭芽孢类细菌需解决的基础问题。

关键词：高压C0;芽孢;杀菌

由于常用的热力杀菌用于液态食品存在难以克服的弊端及食品保鲜加工的迫切需要，国内外许多学者以及食品科技界人士均致力于開发新型杀菌技术。这类技术须兼具杀灭效果好、无化学残留及毒副作用、成本低廉、便于大规模应用等优点。随着科学技术手段的不断进步，有研究发现，高压C0对多数的食品微生物有较好的杀灭作用。

一、高压C0杀菌技术简介

高压C0杀菌技术作为一种新兴的“冷杀菌”技术受到广泛关注，在有效地杀灭微生物、保证食品贮藏安全的同时，也能满足消费者对于“原汁原味”的追求，符合“最低加工”的理念。此外，其还具有操作压力相对较低、经济可行、运行成本低等优点。

二、国内外研究概况

国外研究现状。1951年，Fraser使用C02、N2、N20及Ar气对大肠杆菌进行试验，能够达到95%到gg%的杀菌率[1]，但gg%的杀灭效果距离大多数场合大于6个对数的杀菌率要求相距甚远[2]。Foster于1962年使用高压N2进行了6种微生物杀菌试验，观测到5 8.g%的微生物细胞破裂[3]。Kamihira等1987年发现，高压C02对某些微生物有致死作用。Taniguchi等用C02气体对一些热敏性物质进行杀菌试验，并对嗜热脂肪芽孢杆菌（Geobacillus stearothermophlilus）等产芽孢阳性菌通过添加夹带剂的方法，获得了较好的杀菌效果[4-6]。Lin等人改进实验装置，采用静态加压的方法对微生物的致死做了较为详细的研究，酵母细胞的杀菌率达到7个对数值以上，或被完全杀灭[7]。Isenschmid等研究了高压CO2对酵母细胞活性的影响，发现CO2在溶液中的浓度是影响酵母菌致死率的主要因素[8]。随后Ballestra等针对大肠杆菌和真菌孢子的研究发现，提高温度有助于增强CO：的杀菌作用[9-10]。Hong等研究了乳酸菌在高压C02下的致死过程，推测高压C02处理会给细胞膜带来一定损伤。随后几年里，有许多学者针对不同的微生物展开研究，在工艺条件合适的情况下，高压C02能够得到好的杀灭效果，满足实用杀菌的要求[11-13]。

国内研究状况。贾世儒等以面包酵母为对象，考察了超临界CO：对其活性影响[14]。结果表明，增加菌体含水量、延长处理时间、提高压力，均有利于提高杀灭效果。柏冰等报道，IMPa的CO2处理4min，可杀灭37.2%的啤酒酵母[15]，同时发现压力、时间、酵母溶液浓度等参数对杀菌效果也有影响。廖小军、胡晓松等于2006年开展了超临界C02对高纯度辣根过氧化物酶（HRP）的酶活力及其二级和三级结构的影响，揭示了酶失活机理[16]。廖小军课题组还开展了苹果汁中接种大肠杆菌的杀菌试验研究，在合适的处理条件下（52℃，45MPa，30min）能够达到7.66杀灭对数值。重庆大学锅炉燃烧研究室与美国威斯康星大学的R.S.Amaon教授合作，设计并建造了高压C02杀菌试验装置，对高压C02灭菌机理展开了较为系统的试验研究[17]。

高压CO2杀菌机理。关于高压C02杀菌技术的研究报道很多，Garcia-Gonzalez等将高压C02杀菌机制概括为以下7个步骤：二氧化碳溶解于微生物外部的介质中;细胞膜的改性;微生物细胞内部pH的降低;细胞内部pH的降低引起关键酶的钝化，进而使细胞内的新陈代谢受到抑制;分子态二氧化碳和碳酸氢根离子对新陈代谢的直接抑制效应;微生物内部的电解质平衡被打破;细胞或细胞膜中重要组分的流失。但这7个步骤中的大部分步骤并不是完全按顺序进行的，而是以非常复杂和相关的方式同时发生[18]。

三、高压C02杀灭芽孢的效果

常规处理。Rao等对Bacillus subtilis使用高压二氧化碳处理结合高温（82℃以上）发现处理后芽孢的内膜受到破坏，大量DPA释放，孢核发生水合，芽孢失去抗性后被杀灭，并对高压二氧化碳杀灭芽孢的机制进行总结，如图1所示[19-20]。

协同处理。Spilimbergo等实验表明Bacillus subtilis在7.OMPa，75℃的条件下处理120min能够达到7个对数值。其他协同方法还有添加乳酸链球菌素、抗菌素等物质。Zhang等研究报道，高压C02/H202协同处理（27.5MPa，60℃，240min，200ppm的H202）能够杀灭Bacillus pumilus孢子超过6个对数值[21]。

四、小结

高压C02杀菌还未形成系统的理论体系，技术研究较局限，成果不能共享，存在的问题主要有以下方面：

实验条件模式化。研究者采用的对象偏向模式微生物，细胞悬液的制备都采用无菌水或缓冲液或转接到指定基质中进行处理，与现实条件相差较大，应根据具体加工对象更加有针对性地设计杀菌工艺参数，借鉴指示菌杀菌规律，使杀菌技术更贴近实际生产。

内生芽孢的杀菌机制研究较少。由于芽孢核区含水量（40%）远低于营养细胞，细胞膜多且结构致密，芽孢壳能够阻止化学药品渗入，对于营养细胞内部pH降低的杀菌机制不适于解释芽孢的杀菌处理。实现食品卫生条件要求的6个对数值的杀菌要求，高压C02处理芽孢和其他杀菌方法比不具优势。因此，采用相应的协同方法就显得重要。

实验数据难以对结论形成有力支持。高压C02可能直接杀灭微生物，也有可能造成的只是微生物损伤。现有杀菌机理的大部分的结论是通过对实验结果的观察推测得到的，需要更明确的实验数据的支持。

参考文献

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