食品工业中新型杀菌技术研究进展

徐　　娟，张昭寰，肖莉莉，王　　旭，潘迎捷，2，赵　　勇，2，*

（1.上海海洋大学食品学院，上海201306；2.农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室，上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海201306）

食品工业中新型杀菌技术研究进展

徐娟1，张昭寰1，肖莉莉1，王旭1，潘迎捷1，2，赵勇1，2，*

（1.上海海洋大学食品学院，上海201306；2.农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室，上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海201306）

随着人们对食品安全要求的提高以及科学技术的发展，食品杀菌技术不断得到研究与应用。传统杀菌技术虽然能保证食品在微生物方面的安全，但会破坏食品的营养成分和天然特性。为了更大限度保持食品固有品质，一些新型杀菌技术应运而生，如超高压杀菌技术、低温等离子体杀菌技术、纳米颗粒杀菌技术、酸性电解水杀菌技术和噬菌体杀菌技术。本文详述了这些新技术的原理及其在食品工业中的应用，并对它们的发展前景进行了展望，以期为新型杀菌技术在食品工业中的推广应用和提高食品的质量安全提供参考。

新型杀菌技术，食品，应用

随着人们生活水平的提高和营养意识的增强，对于食品质量的要求也日益提高，在强调食品安全的同时，还要保持食品原有的营养和色香味不受破坏。杀菌作为食品加工中的关键环节，能够有效抑制或杀灭腐败菌和致病菌，从而达到延长产品贮藏期、保证食品安全的目的。传统的杀菌技术可有效杀死微生物、钝化酶类，保证食品在微生物方面的安全，但其能耗大，所需的高温易破坏食品色泽、风味、质构和营养成分［1-2］。因此，低耗能、快速且能保持食品固有特性的新型杀菌技术的研发是当前国内外研究的热点之一［3］。

近年来，超高压、低温等离子体、纳米颗粒、酸性电解水以及噬菌体等杀菌技术以其独特的优势，得到开发和应用。这些新兴的杀菌技术一般在常温下进行，处理过程中热效应低，尤其适合对热敏感的物料和制品。这不仅能保证食品在微生物方面的安全，还使食品的营养成分、质构、色泽、风味得到较好的保持，符合了消费者对食品营养、安全等多方面的要求。本文重点阐述了上述五种新型杀菌技术的原理和在食品工业中的应用，并对其发展前景进行展望，旨在为新型杀菌技术在食品加工中的推广应用和提高食品的质量安全提供参考。

1　超高压杀菌技术

1.1超高压杀菌技术的原理

超高压杀菌技术（Ultra-high pressure technology，UHP）又称为高压技术或高静水压技术，是指将密封于柔性容器内的食品置于压力系统中，以水或其他液体作为传压介质，采用100 MPa以上的压力处理食品，以达到杀菌、灭酶和改善食品功能特性的目的。目前，国内外对超高压的杀菌机理尚未形成一个系统的理论。其基本原理是利用了压力对微生物的致死作用。现有研究表明，超高压对微生物的影响是多方面的。高压可导致微生物的形态结构、生物化学反应、基因机制以及细胞壁等方面发生变化，从而影响微生物原有的生理活动机能，甚至使原有功能被破坏或者发生不可逆的变化，导致微生物死亡［4］。

1.2超高压杀菌技术在食品工业中的应用

超高压技术在果蔬类产品中的主要用途是杀菌和钝酶［5］。研究表明，超高压杀菌效果与果蔬的天然成分及微生物的类型有关，主要表现在处理压力、温度、保压时间和pH等杀菌参数的敏感性上的差异［6］。李萌萌等［5］全面的总结了不同果蔬汁超高压处理的最佳工艺，并指出建立超高压杀菌动力学模型可对果蔬汁杀菌过程进行合理的优化和控制，从而提高杀菌效果。此外，除了可对杀菌过程中果蔬汁的色泽、风味、营养成分等表征进行分析研究外，还可深入研究其功能性成分的活性变化情况。

在乳制品的生产中，超高压杀菌能杀灭乳品中绝大部分的常见微生物，保留乳品中的活性成分、矿物质、维生素，改善乳品的浊度，但对乳中蛋白质有一定影响，如酪蛋白胶粒直径减小，免疫球蛋白失活等。因此，超高压杀菌技术在乳制品生产上的应用，还有待进一步研究［7］。

超高压杀菌技术在肉制品中的应用，可与添加剂、抑菌剂、优势性微生物及不同的包装方式相结合，探讨具有实用价值的综合超高压杀菌条件。肉制品是一个复杂的食品体系，只有积累大量可靠的抑制微生物活性的加工参数，才能实现该技术的商业化。同时杀菌过程引起的肉制品蛋白结构的改变、脂质氧化、色泽变化以及其对食品毒性、致敏性、消化性和营养成分的影响仍是需要研究的问题［8-9］。

近年来，超高压杀菌技术在水产品中的应用研究越来越深入［10-11］。国外超高压杀菌在水产品杀菌应用中最成功的案例是对牡蛎中副溶血性弧菌、创伤弧菌以及大肠杆菌等的杀菌，并获得了较佳的压力和保压时间控制水平。345 MPa、90 s的处理是杀灭牡蛎中副溶血性弧菌的最佳条件，可以将其菌落数降到不能检出的水平［12］。400 MPa、10 min的处理可以有效减少牡蛎中的总菌数［13］。在此基础上，国内外学者逐渐将该技术应用于其他贝类和虾类产品，如毛蚶、贻贝、缢蛏、泥螺、虾仁等［14-17］。研究表明，采用超高压处理章鱼、生鱿鱼片、沙丁鱼、熏三文鱼、金枪鱼等鱼类产品时，能够明显减少其中的常见致病菌，并且使产品的货架期延长［18-22］。就当前形势看，超高压杀菌技术在水产品的基础研究与产品开发方面正处于初级阶段，在实际操作中可以结合热处理、酶处理等辅助加工方式，以拓展超高压在水产品中的应用范围。

2　低温等离子体杀菌技术

等离子体（Plasma）是继固态、液态、气态之后物质的第四种状态，它是由离子、电子、自由基和化学性粒子组成的电中性物质［23］。低温等离子体（nonequilibrium Plasma）是指体系中电子温度远高于体系中其他粒子温度的等离子体。当施加脉冲电场（如电晕放电、介电阻挡放电等）时，其表观温度接近或略高于环境温度，这使等离子体杀菌消毒具有更为普遍的意义［24-25］。

2.1低温等离子体杀菌技术的原理

一般认为，低温等离子体的杀菌机制与其含有的带电粒子、活性物质以及紫外线和其他射线有关。带电粒子轰击微生物，可直接破坏蛋白质、核酸等大分子物质，使微生物死亡。活性物质与微生物中的蛋白质和核酸反应，扰乱微生物的正常功能。紫外线可通过干扰细胞DNA中胸腺嘧啶的形成来抑制细菌的再繁殖，破坏蛋白质氨基酸的结构，使蛋白质失去生物活性［26］。

2.2低温等离子体杀菌技术在食品工业中的应用

低温等离子体杀菌技术可以杀死多种类型的抗性细菌、真菌类病原菌、芽孢、病毒和酵母菌等。然而不同方法（激发源、基础气体、放电方法等因素）产生的低温等离子体成分不一，同种成分的浓度也可能不一，杀菌效果就会有所差别［27］。目前国内外已将这一技术应用于食品加工和医疗卫生在内的诸多领域，尤其是食品表面、液体食品和包装食品的杀菌消毒［28］。Bermúdez-Aguirre等［29］将生菜、土豆和西红柿分别接种大肠杆菌，采用低温等离子体技术杀菌，研究表明高电压和延长处理时间能使杀菌效果更佳。通过直接处理染有寄生曲霉的坚果（榛子、花生和开心果），等离子体杀菌技术可以有效杀灭霉菌，为粮食处理中真菌毒素的清除提供了新的有力手段［30］。马虹兵等［31］发现，低温等离子体可以在常温和极短的时间内杀死液体食品中的病原菌包括大肠埃希氏菌和沙门氏菌，实验中低温等离子体可使接种在橙汁和牛奶中的细菌总数明显降低，且对橙汁中的VC含量和牛奶的氧化值影响甚微。可见，低温等离子体对液体食品进行杀菌消毒，对食品中的活性养分不会构成大的损伤，保证了食品的新鲜度和营养性。低温等离子体灭菌还在食品及食品包装过程中的消毒方面具有广泛的应用前景［28］。尽管对于等离子体活性粒子能否透过包装材料的问题尚有异议，但相继有工作者开发了杀灭密封包装袋内微生物的等离子体灭菌方法，用于食品的先包装后灭菌［32-33］。

总体来说，低温等离子体灭菌技术具有灭菌时间短、灭菌全面、操作简单、灭菌绿色化的特点，然而作为一种新的杀菌技术，在实际应用中仍存在很多问题，如杀菌效率低、工艺参数复杂及化学残留。其所需的外围设备提高了该技术加工设备的投资，使低温等离子体技术与传统工艺相比失去了性价比的优势。未来的研究热点将集中于研究等离子体与微生物之间的相互作用机理，以及相关等离子体技术和处理设备的开发。

3　纳米颗粒杀菌技术

纳米颗粒是指在三维空间上至少有一维尺度小于100 nm的材料。纳米颗粒一般为球形或类球形，由数目极少的原子簇或分子簇组成，是一种介于宏观块体和微观原子/分子之间的介观系统［34］。

3.1纳米颗粒杀菌技术的原理

纳米颗粒可能的毒性机制包括：沉积到细胞表面的纳米颗粒干扰细胞膜的功能；纳米颗粒产生的活性氧自由基氧化菌体外膜，造成菌体的损伤；纳米颗粒的穿膜效应引起膜的通透性改变，使得与调节和代谢相关的离子和信号物质泄漏到膜外，导致菌体代谢紊乱；纳米颗粒进入胞内干扰或破坏蛋白质和核酸等生命分子的功能；此外，纳米颗粒还可以通过抑制呼吸链活性，致使细菌难以获得生命活动所需的能量［35］。

3.2纳米颗粒杀菌技术在食品工业中的应用

纳米颗粒作为一种新型的抗菌剂已逐渐在食品保鲜、杀菌及食品包装中得到应用，但由于人们对纳米材料生物毒性知识的匮乏，纳米技术的研究开发将是一个长久持续的过程［36］。Akbar等［37］以海藻酸钙为活性膜载体，附以纳米氧化锌颗粒，对即食家禽肉中的鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌进行抗菌测试，结果发现处理后的细菌细胞形态发生变化，细胞膜上出现小孔，致使细菌死亡。研究表明，将纳米粒子与抗生素结合使用，会显著增强抗菌效果，有助于新型联合抗菌剂的开发，为应对多重耐药菌提供了可能［38］。在食品包装中，出现了以纳米增强型食品包装材料、“智能”和“活性”包装材料为基础的新型包装材料。纳米复合增强型包装产品的开发主要利用了纳米粒子尺寸小，表面活性高和无机材料惰性强的特点。除了在原有基础上进行功能增强外，纳米粒子还可以带来新的功能，如抗菌活性。其中应用最多的是纳米银粒子。例如，纳米银可以在烹饪炊具和餐具上以纳米粒子-聚合物涂层的形式得到应用，起到抗菌和杀菌的作用。与此同时，利用纳米粒子合成得到的纳米微球或囊泡可以携带食品防腐剂，在食品运输和存储过程中通过缓慢释放起到防腐功效，达到“智能”包装的目的［39］。

纳米粒子的抗菌活性取决于两个主要因素：一是纳米粒子本身的物理化学性质，如纳米颗粒自身的粒径、形状、浓度和表面修饰物等。这些因素均能影响纳米颗粒和菌体的接触及侵入，造成的杀伤作用强弱也不同；二是微生物的种类，不同类型的细菌在细胞壁结构上存在很大的差异，革兰氏阳性菌因有厚的肽聚糖而不容易被纳米颗粒侵入，因而纳米颗粒对其杀伤作用明显弱于革兰氏阴性菌［40］。在今后的研究中，全面系统地认识纳米颗粒抗菌机理，设计出更高效更安全的纳米颗粒，评估和规避纳米颗粒所产生的负面效应，将使其在食品安全控制中具有更好的应用前景。

4　酸性电解水杀菌技术

电解水（Electrolyzed Water）也称电解离子水或氧化还原电位水，是在特殊的装置中电解食盐或稀盐酸得到的具有特殊功能的酸性电解水和碱性电解水的总称。一般将pH 2～3，氧化还原电位（ORP）大于1100 mV的电解水称为酸性电解水［41］。

4.1酸性电解水杀菌技术的机理

酸性电解水的杀菌机制主要与其含有的有效氯含量（ACC）、活性氧以及ORP、pH有关。有效氯含量（ACC）是杀灭微生物的主要因素。活性氧可与氨基发生特异反应，破坏细胞膜并渗透到细胞内，破坏有机物的链状结构，从而使蛋白质及DNA合成受阻，使微生物致死。其次，高ORP值和低pH超出了微生物的生存范围，使细胞膜电位发生改变，导致细胞膜通透性增强、细胞肿胀及细胞代谢酶的破坏，细胞内物质溢出、溶解，从而达到杀灭微生物的作用［42］。

4.2酸性电解水在食品工业中的应用

目前，电解水已经在食品工业中大范围普及，主要用于新鲜果蔬、禽蛋肉类、水产品以及食品加工设备的杀菌［43］。酸性电解水能够有效杀灭果蔬表面的细菌、霉菌、酵母，并且能很好地保持水果的硬度和可溶性固形物含量，降低腐烂率和褐变指数，达到保鲜的效果［44］。将酸性电解水以浸渍或者喷涂的方式对鸡蛋表面和生鲜猪肉进行消毒杀菌，可使两者表面的细菌数量大大降低［45-46］。近年来，为保证水产食品的安全，酸性电解水已被逐步应用到水产养殖环境、水产品加工设备器具以及水产品加工贮运和流通消费中的杀菌消毒等环节。Wang等［47］研究了酸性电解水对熟虾中的副溶血性弧菌的失活作用，通过建立响应面模型探究了NaCl浓度、处理时间、温度三个因素下，何种杀菌效果最佳，该项工作为预测酸性电解水条件下副溶血性弧菌的失活提供了理论支撑。蓝蔚青等［48］采用酸性电解水对冷藏带鱼的品质变化影响进行研究，结果表明酸性电解水能在短时间内抑制微生物的生长繁殖，减缓挥发性盐基氮的升高，使带鱼的冷藏货架期延长。

相对于其他传统的杀菌剂，酸性电解水具有可现场生产、操作简便、广谱高效、价格低廉的优点。然而，酸性电解水的杀菌活性成分易受时间、光照、空气及接触介质的影响，尤其是有效氯含量易随光照和空气而降解。为了尽可能长时间地保持酸性电解水的杀菌能力，许多学者开始研究固态电解水（即电解水冰）的保存特性及杀菌效果［49］。高萌等［50］以冷冻金枪鱼为原料，通过酸性电解水镀冰衣技术、不同杀菌剂杀菌效果比较及组合优化研究，发现pH4.5酸性电解水镀冰衣在80 d冻藏期内，可显著减少鱼肉中的细菌总数和大肠埃希氏菌数量。在对虾和秋刀鱼的保鲜效果中，酸性电解水冰相比自来水冰能够延缓产品色泽和pH的变化，维持肌肉纤维的形态，防止脂肪的氧化和挥发性盐基氮的形成，同时有效抑制产品中微生物的繁殖［51-52］。以上研究表明，电解水冰技术从一种全新的角度开辟贮藏保鲜的新途径，其有效的低温及杀菌效果将有利于其取代自来水冰在生活中的应用，也为新型镀冰衣技术的研发奠定了理论基础。同时对于电解水和电解水冰贮藏保鲜效果的评判可从传统的物理、化学、微生物指标发展到酶活、蛋白质、微生物多样性等角度。

为进一步推广酸性电解水杀菌技术在食品工业中的应用，如何提高酸性电解水的稳定性，深入揭示其杀菌机理，生产出大型的电解水生产设备，探讨电解水杀菌过程对微生物生长行为的影响以及对食品本身成分和品质造成的变化都是亟待解决的问题。

5　噬菌体杀菌技术

5.1噬菌体杀菌技术的原理

目前噬菌体制剂主要分为两大类。第一类是活体噬菌体制剂，也是最早的噬菌体制剂。第二类是噬菌体裂解酶制剂。在人们对噬菌体杀菌机制的研究中发现，能使噬菌体成功溶菌的关键在于噬菌体产生的裂解酶，噬菌体裂解酶是由双链DNA噬菌体编码依靠宿主菌合成的酶，其能特异高效地水解细菌的细胞壁，使细菌裂解死亡［53］。

5.2噬菌体杀菌技术在食品工业中的应用

目前应用噬菌体防治食源性细菌疾病已取得重要进展，噬菌体作为潜在的新型杀菌物质，对目标菌进行控制主要有两种方式，一是将所分离得到的噬菌体直接用于控制目标菌，二是在分离得到目标菌的噬菌体后，通过分子生物学手段获得噬菌体的裂解酶，然后利用裂解酶来控制目标菌［54-56］。其治疗细菌感染的优势在于：噬菌体杀菌具有严格的宿主特异性，不会破坏正常菌；噬菌体可以产生一定程度的变异用以适应宿主菌的变异，因而噬菌体治疗效果不因细菌耐药性而改变。同时，噬菌体自我增殖快，能够使得抗菌效应增强。为弥补单一噬菌体特异性太强的特点，将不同菌株的噬菌体混在一起，拓宽噬菌体的裂解谱，使噬菌体治疗的应用性加强［57］。Abuladze等［58］将三种噬菌体的混合物作用于污染了大肠杆菌O157∶H7的食品中，结果发现噬菌体混合物能够明显降低大肠杆菌O157∶H7的量。然而，噬菌体控制致病菌过程中存在治疗的最佳时间和剂量不易掌握的缺陷。同时噬菌体的溶源现象、转导作用可能引起宿主表型的改变，甚至增强宿主的致病性或毒力。此外，革兰氏阳性菌由于细胞壁上含有厚的肽聚糖，增加了噬菌体裂解酶应用的难度［59］。因此，筛选宽抑菌谱的特异性噬菌体，提高噬菌体的安全性、将噬菌体或噬菌体制剂与其他杀菌方法相结合将是未来的研究方向。

6　结论

与传统杀菌技术相比，以上新型杀菌技术不仅能够杀灭腐败菌和致病菌，保证食品的质量安全，还能够有效保持食品原有的色香味，减少对食品营养成分的破坏。为了更好的将这些杀菌技术应用到食品工业中，研究重点主要体现在以下几个方面：新型杀菌技术的杀菌机理、影响因素和应用范围；将两种或两种以上的杀菌方式相结合替代单一的杀菌方式；深入研究新型杀菌技术对食品品质和食品安全的影响；设计和研制可用于工业生产的设备以及探究杀菌的相关工艺参数，以尽快应用于实践平台。随着食品工业的现代化和杀菌技术研究的深入，新型杀菌技术的理论将不断被完善，这些杀菌技术在食品加工中必将发挥越来越大的作用。

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Research progress of new sterilization technology in food industry

XU Juan1，ZHANG Zhao-huan1，XIAO Li-li1，WANG Xu1，PAN Ying-jie1，2，ZHAO Yong1，2，*
（1.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2.Shanghai Engineering Research Center of Aquatic-Product Processing&Preservation，Laboratory of Quality＆Safety Risk Assessment for Aquatic Products on Storage and Preservation（Shanghai），Ministry of Agriculture，Shanghai 201306，China）

With the improvement of requirements of food safety and development of science and technology，much research and application of sterilization technology have recently been made.Traditional processing had been used as an effective technique for ensuing microbiological food safety in food industry.However，it also destroys nutrition and affects natural characteristics of the product.In order to keep the inherent quality of food to the greatest extent，some new sterilization technologies were emerging，such as ultra-high pressure processing，atmospheric non-equilibrium plasma，nanoparticles，acidic electrolyzed water and bacteriophages sterilization. The principle and their application in food industry were discussed in detail and this article also expected the development foreground of them，in order to provide reference information for application and development of these technologies and guarantee for food quality and security.

new sterilization technology；food；application

TS201.3

A

1002-0306（2015）16-0378-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.16.069

2014－10－08

徐娟（1991-），女，硕士研究生，研究方向：食品安全风险评估，E-mail：yuansuwawaxj@163.com。

赵勇（1975-），男，博士，教授，研究方向：食品安全风险评估，E-mail：yzhao@shou.edu.cn。

国家自然科学基金面上项目（31271870）；上海市科委计划项目（14DZ1205100，14320502100，12391901300）；上海市科技兴农重点攻关项目（沪农科攻字2014第3-5号）。