含铜铁素体不锈钢抑制食品腐败的作用

2021-01-04杨春光赵金龙

上海金属 2020年6期

张壮杨春光赵金龙李绮杨柯

(1.辽宁大学化学院, 辽宁沈阳 110036；2.中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心，辽宁沈阳 110016)

随着生活水平的提高，人们对生活质量有了更高层次的追求。近年来频发的食物中毒及食源性疾病事件引起了人们对食品安全的极大重视，如何延长食品保鲜期已成为家庭食品安全的主要关注点之一[1-2]。由于微生物可以利用食品中的营养物质促进自身生长繁殖形成生物膜[3-4]，导致食品易腐败变质，缩短食品的保鲜期。因此，寻找通过调控食品的生物污染来预防食品腐败的存储环境，对于加强大众食品安全具有重要的现实意义。

近年来，杨柯课题组所研发的抗菌不锈钢很大程度上满足了人们对抗菌生活制品的需求，在一定程度上为抑制食品的微生物污染、延长食品保鲜期提供了新的研究方向。铁素体不锈钢在厨房设施、微波炉、冰箱、洗碗机、食品运输车、运输管道等与食品相关的领域中应用广泛[5]。含铜铁素体不锈钢不仅具有优异的耐腐蚀性能、成形性能、外观质量及成本低廉等特点，还具备强烈、长效的抗菌功能[6-7]，能在一定程度上抑制微生物所导致的食品腐败。但目前尚未开展相关的研究。

本文以含铜430铁素体不锈钢(430-Cu不锈钢)作试验材料，以430不锈钢作对照材料，初步研究了430-Cu不锈钢延缓鲜榨果汁及新鲜鱼肉腐败的作用，分析了含铜铁素体不锈钢与食品接触的可行性和科学性，以期通过调控食品表面及保存环境中的微生物对食品进行防腐保鲜，为含铜铁素体不锈钢在食品行业的应用提供理论依据。

1 试验材料及方法

1.1 材料准备

试验用430不锈钢和430-Cu不锈钢由中国科学院金属研究所提供，其化学成分如表1所示。

表1 430和430-Cu不锈钢的化学成分(质量分数)

试验用两种不锈钢采用25 kg真空感应炉在相同工艺条件下冶炼，铸锭在1 100 ℃保温30 min后锻造成5 mm厚的试板。将两种不锈钢在800 ℃保温30 min水冷固溶处理。随后对430-Cu钢进行抗菌热处理：在550 ℃保温1 h后冷却至室温，以析出足够的抗菌富Cu相。将两种试验材料分别线切割成10 mm×10 mm×5 mm和40 mm×40 mm×5 mm的试样[8]，用砂纸打磨至1 000号，然后采用体积分数为75%的酒精溶液清洗。

用鲜榨橙汁和新鲜鱼肉作为研究对象。试验前对橙汁进行灭菌处理，将新鲜鱼肉切成40 mm×40 mm的块状。

1.2 抗菌性测试

采用平板计数法[9]检测试验材料的抗菌性能，在超净台进行。试验用细菌为大肠杆菌(Escherichiacoli,E.coli, ATCC 25922)，是一种食源性致病菌。选用Luria-Bertani(LB)培养基作为细菌的标准培养基[10]，其组成为：5 g牛肉膏，5 g NaCl，10 g蛋白胨，20 g琼脂及1 000 mL蒸馏水。采用体积分数为4%的NaOH溶液将培养基溶液的pH值调节至7.2±0.1。在测试抗菌性能之前，将所有的试验器具放置在高温高压锅中灭菌，灭菌温度和时间为(121±2)℃和20 min。将所有试样置于体积分数为75%的酒精溶液中超声清洗20 min，随后吹干。

在抗菌性能测试中，首先采用磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline, PBS)配置105CFU/ml浓度的E.coli细菌悬液，抽取50 μL滴加在灭菌的不锈钢试样表面，随后将装有试样的孔板放在湿度为95%的(37 ± 2)℃恒温箱(Heraeus B6060, Germany)中进行培养，培养时间为24 h。然后冲洗不锈钢试样表面的细菌，采用一定的稀释倍数制备成细菌悬液。抽取100 μL细菌悬液滴在LB培养基表面进行平板涂覆。将平板置于同一恒温箱中进行培养，培养时间为24 h，随后进行细菌菌落的计数。抗菌率的计算公式：

K%=(α0-αT)/α0×100%

式中：K为抗菌率，α0为对照试样430不锈钢表面的菌落数，αT为430-Cu不锈钢表面的菌落数。此外，每种试样做3个平行样。

1.3 鲜榨橙汁的保存

试验用鲜榨果汁为市售100% NFC橙汁(农夫山泉)，抽取30 mL将其分别置于装有430和430-Cu不锈钢的灭菌培养皿中，试样尺寸均为40 mm×40 mm×5 mm，试验环境温度为(37±2)℃。

1.4 新鲜鱼肉的保存

试验用鱼肉是市场当日出售的冷鲜鱼肉，将其切成40 mm×40 mm、质量相同的薄片，分别铺展在尺寸为40 mm×40 mm×5 mm的430和430-Cu不锈钢试样表面，环境温度为(23±2)℃。

1.5 感官评定

采用感官评价方法，并根据NY 82.2—1988《果汁测定方法》和GB/T 37062—2018《水产品感官评价指南》，对保存不同时间的果汁和鱼肉的色泽、气味及状态等感官指标进行评价[11-12]。鲜榨橙汁的评价时间点为初始状态、保存5和10天；新鲜鱼肉的评价时间点为初始状态、保存9天。

1.6 微生物菌落总数测定

考察430-Cu不锈钢对鲜榨橙汁的抗菌性能,所用细菌为E.coli，采用鲜榨橙汁配置103CFU/mL浓度的E.coli细菌悬液。抽取2 mL菌液分别置于尺寸为40 mm×40 mm×5 mm的430和430-Cu不锈钢试样表面，置于37 ℃恒温恒湿培养箱中培养，培养时间为4和8 h。然后分别抽取100 μL细菌悬液滴在LB培养基上进行平板涂覆。将平板置于同一恒温箱中培养，培养时间为24 h，检测不同时间内菌落数量的变化。

1.7 电导率测定

分别取不同时间内430和430-Cu不锈钢试样表面的新鲜鱼肉3 g，捣碎后加入30 mL蒸馏水震荡后用电导率仪(DDS-11A)测定新鲜鱼肉浸出液的电导率。测试时间点为初始状态和保存3、6、9、12、15天。

2 结果与讨论

2.1 抗菌性

采用平板计数法研究了430-Cu不锈钢对E.coli的抗菌性，平板表面的活菌分布状态见图1。通过计算，430-Cu不锈钢的抗菌率达99.9%。从图1可明显看出，试验材料与E.coli共培养24 h后，430不锈钢表面有大量的菌落，而430-Cu不锈钢表面则没有，表明430-Cu不锈钢抑制了细菌的繁殖。这是由于430-Cu不锈钢含铜，在时效处理过程中，随着富铜相的析出，材料的抗菌性能得到了提高。当细菌与430-Cu不锈钢接触时，溶出的铜离子将进入细胞，导致细胞膜渗漏甚至破裂或在细胞内加速Fenton反应而产生大量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)，细胞内ROS过量会对微生物造成不可逆转的损伤甚至凋亡[13]，最终使430-Cu不锈钢显示出强烈的抗菌性能。

图1 与E.coli共培养24 h 后430和430-Cu不锈钢表面的菌落情况

2.2 新鲜果汁保鲜

果汁的腐败变质是一个非常复杂的过程，受生物、化学以及物理(主要为环境)等多种因素的影响。新鲜果汁腐败主要是微生物发酵、代谢及增殖等过程共同作用所导致的。果汁中富含的蛋白质、糖类在细菌的作用下引发氧化或酶促进反应而发生褐变，细菌含量越高，相应的褐变效应越明显。而果汁腐败变质后气味及状态的变化是酵母菌的发酵产生乙醇及引起有机酸变化所致[14-15]。图2为在(37±2)℃恒温条件下，鲜榨橙汁的空白对照及在430和430-Cu不锈钢表面的初始状态，以及共培养5、10天后橙汁的感官变化。

图2 初始状态及与430和430-Cu不锈钢共培养5和10天的鲜榨橙汁的宏观形貌

试验结果显示：在共培养5天后，空白对照及同430不锈钢共培养的果汁色泽暗淡且表面出现少量白色菌落；而同430-Cu不锈钢共培养的果汁表面状态基本未变，只有些许颜色变化。随着培养时间延长到10天，空白对照及同430不锈钢共培养的果汁表面菌落面积逐渐扩展，表面被大量黑色菌落覆盖，果汁呈胶体状且气味发酸；而同430-Cu不锈钢共培养的果汁无菌落，仅失去了果香味，底部有絮状沉淀物。这表明430-Cu不锈钢对果汁的腐败有一定的抑制作用。

此外，进一步考察了430-Cu不锈钢对鲜榨橙汁中微生物菌落数的影响。鲜榨橙汁中微生物菌落数变化的测定结果(图3)表明：在共培养4 h后，430不锈钢表面出现大量E.coli菌落，而430-Cu不锈钢表面菌落数明显较少。随着共培养时间延长到8 h，430不锈钢表面E.coli菌落数急剧增加，430-Cu不锈钢表面菌落数虽有增加，但仍远低于430不锈钢表面的菌落数。这表明在果汁环境中，430-Cu不锈钢也具有良好的抗菌性。可见，通过控制食品中微生物的繁殖可有效延长食品的保鲜期，抑制其腐败。

图3 果汁环境中与E.coli共培养4和8 h后430和430-Cu不锈钢表面的菌落数

2.3 新鲜鱼肉保鲜

新鲜鱼肉含有较高的水分，十分适合微生物的生存，因此易遭受微生物污染而加速腐败。肉制品发生变化时可通过色泽、气味、状态等感官指标观察到。图4为新鲜鲫鱼肉在430和430-Cu不锈钢表面的初始状态及共培养9天后外观的变化。

图4 初始状态和共培养9天后430和430-Cu不锈钢表面鱼肉的宏观形貌

试验结果显示：在共培养9天后，相较于放置在430-Cu不锈钢表面的新鲜鱼肉，430不锈钢表面的鱼肉粘液渗出更严重且颜色更深，且其海腥味加重、弹性变差。新鲜鱼肉产生的粘液是蛋白质分解产物和微生物菌落融合在鱼肉表面而产生的粘性物，同时微生物大量繁殖后会产生色素导致颜色加深[16]。此外，胺类、吲哚及硫化氢等有刺激性气味的化合物会在鱼肉腐败过程中伴随微生物分解蛋白质而产生[17]。

肉制品的电导率变化可作为其新鲜程度的评判标准。随着微生物菌落数的增多，肉制品中蛋白质的分解产物越多，电导率增大，鱼肉的品质变差。图5为430和430-Cu不锈钢表面新鲜鱼肉的电导率随时间的变化。随着培养时间的延长，新鲜鱼肉的电导率增大，但430不锈钢表面的新鲜鱼肉的电导率上升速度更快，在相同的培养时间点，其数值更高且差异性明显。其原因是：430不锈钢不具备抗菌功能，鱼肉中的微生物将蛋白质、脂肪等转化为小分子化合物从而产生大量的离子，进而促使电导率增大，导致新鲜鱼肉腐败[18]。