食品中芽孢的危害及控制

张洋 王梦露

鹤壁职业技术学院 河南鹤壁 458030

食品工业中，微生物是影响产品货架期的一个关键因素。芽孢作为细菌微生物的特殊形态，具有很强的抗高温、高压、干旱、辐射等特性而很难被杀灭。当外界环境变化有利于微生物生长时，芽孢会通过萌发生理过程变成具有正常新陈代谢的营养体细胞。具有正常生命活动的细菌营养体会引起食品的腐败变质和食源性疾病。因此，如何控制食品中芽孢的数量成为食品安全的关键，了解和掌握控制芽孢数量的方法对于食品安全具有重要意义。

1 芽孢简介

作为细菌在面对艰难环境时形成的一种休眠体，芽孢内部没有蛋白质合成及新陈代谢的发生。芽孢结构与细菌营养体细胞之间具有巨大差异，其结构从外到内依次为胞外壁、芽孢衣、外膜、皮层、芽孢壁、内膜、核区（图1）。这些独特结构赋予了芽孢极强的抗性，使得芽孢免受外界不利因素的伤害而能存活上千年时间。当外部环境变化适合细菌生长时，芽孢通过萌发生理过程重新变成具有正常新陈代谢的营养体。恢复新陈代谢的营养体细胞不可避免的对食品安全产生威胁[1]。

图1 芽孢结构示意图

2 芽孢在食品中的危害

食品工业中，芽孢会引起食品腐败变质及一些食源性疾病，如肉毒梭状芽孢杆菌（Clostridium botulinum）、产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）、腊样芽孢杆菌（Bacillus cereus）、生孢梭状芽孢杆菌（Clostridium sporogenes）等。在奶制品加工过程中广泛存在的腊样芽孢杆菌能产生呕吐型毒害和腹泻型毒素，这两种毒素可引起不同类型的食源性疾病。呕吐型毒素是耐热的肠毒素，感染该毒素后患者会表现出呕吐、恶心，部分有腹泻的症状；腹泻型毒素是不耐热的肠毒素，进入人体6-14h后会引起肠炎症状，出现腹泻、腹痛、偶尔呕吐或发热症状。此外，产气荚膜梭菌会引起气性坏疽和另外两类食源性疾病，即相对温和的A型腹泻和严重的C型坏死性肠炎。

肉毒梭状芽孢杆菌是低酸性罐头食品加工过程中需要克服的难点和关键问题。肉毒梭状芽孢杆菌芽孢具有极强的毒性，其分泌的肉毒素是一种神经毒素，作用于脑神经核、神经接头以及植物神经末梢，阻碍神经冲动的传导进而引起肌肉松驰性麻痹。含量极低的肉毒素（LD50：1.3-2.1ng/kg）即可导致人的死亡。肉毒素中毒后先出现乏力头痛等症状，再出现复视、斜视、眼睑下垂等眼部肌肉麻痹症状，随后引起咽部肌肉麻痹症状，使得膈肌麻痹、呼吸困难，最后导致呼吸停止。比较少见的是肢体麻痹，如果能及时给予支持疗法与控制呼吸道感染，病人的死亡率可以从70%降低至10%。然而，存活后的病人恢复进展很缓慢，直至被感染的神经末梢重新长出。

肉毒梭状芽孢杆菌可分成四类：I型、II型、III型、IV型。不同类型的菌株产生不同的毒素。能引起人类中毒的主要为I型和II型，III型和IV型可在野鸟和家禽等动物中引起中毒。肉毒素中毒是中毒表象最重，死亡率最高的食物中毒。中毒方式包括毒素型肉毒中毒、创伤性肉毒中毒、婴儿肉毒中毒、吸入性肉毒中毒。肉毒中毒与饮食习惯有关，低酸性罐头食品（pH＞4.6）是引起肉毒中毒的主要食品来源，如肉、水果、奶类制品罐头[2]。以上可知，必须采取有效措施控制芽孢数量才能保障食品安全。

3 低酸性食品中芽孢的控制措施

在人类历史发展过程中，很多食品保藏方法，如腌制、干制、冷冻等方法可以控制食品中微生物数量。在水分活度较低、渗透压较高、低温条件下芽孢不会萌发和生长；在酸性食品中（pH＜4.6）芽孢萌发受到抑制。对于低酸性食品（pH＞4.6），必须将芽孢完全杀灭才能保障食品安全。

3.1 高温灭菌法

食品工业中，通常采用110-130℃的高温完全杀灭低酸性罐头食品中的芽孢。FDA提出商业无菌的目标是将1012CFU/g（mL）的肉毒梭状芽孢杀灭。理论上，高温灭菌法杀灭12个对数肉毒芽孢的条件为121℃处理2.5min。但实际加工过程中，食品经升温、保温、降温过程所需时间长达80min。长时间的高温处理会引起食品风味、色泽、质构及营养成分的下降。因此，寻找新的杀菌方式至关重要。如气调杀菌技术通过多阶段变温来实现杀菌，这种方法改善了高温杀菌锅时间过长引起的品质破坏和“蒸煮味”的弊端。此外，超高温瞬时杀菌技术在液体食品中也得到了应用。它是将物料放入到130℃的蒸汽环境中维持数秒钟实现瞬时杀菌。这种杀菌方法可迅速杀灭芽孢，还能较好保持食品原有的风味和营养成分，但此方法仅适用于液体食品杀菌限制了其广泛应用。对于半对流型罐头，利用回转式灭菌方法可以减少整个操作时间，产品受热比较均匀，适合八宝粥、笋、豌豆、蘑菇罐头等半固体产品；对于固体食品，使用超薄包装材料如薄膜蒸煮袋来增加杀菌过程中的传热速率，同时还能实现杀菌后产品的快速降温，减少高温影响食品品质。随着计算机技术和人工智能的发展，人们可以对产品温度、品质进行实时监控，进而建立实时杀菌模型，优化食品热杀菌工艺。现阶段热杀菌装备、工艺和技术有了很大突破，但处理过程中长时间高温引起食品风味、色泽、口感和质构下降的特性仍未能消除，同时伴随罐头“蒸煮味”的发生。因此，寻找更低温度，更短加热时间和节能低碳的食品杀菌新技术仍然是现代食品工业研究的重点。

3.2 非热杀菌

非热杀菌是新型的杀菌技术，它是在较低的温度下处理食品物料实现杀菌的一种技术。近些年，人们对该技术进行了深入的研究。研究最多、应用最广泛的为辐照和超高压杀菌。辐照是利用无线电波、红外、紫外线、X射线和γ射线照射食品实现杀菌的一种技术手段。电磁放射线（同位素60Co或137Cs 放射出的射线）和电离辐照（能量在0.5-10MeV的高能电子束）已被广泛应用在食品杀菌过程中。WHO在1999年的联合国际会议中宣布60Co-γ射线作为辐照源处理的食品在营养和安全性上没有大的变化，甚至得出不需要设置高剂量限制的结论。我国在1997年发布了6类国家标准，并对辐照剂量设置了严格规定，要求辐照产品时必须辐照均匀，遵守法规所标定的剂量。

电离辐照能有效杀灭食品中致病菌，如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌等。同时辐照也能有效杀灭芽孢，当辐照剂量为30kGy以上，12-log肉毒芽孢可被杀灭。辐照杀灭芽孢主要是因为芽孢结构中关键生物大分子（DNA等）受到了破坏。

与高温杀菌技术相比，辐照杀菌具有很多优点，如60Co-γ射线由于具有高能量和较强穿透力，可以直接对包装好的食品进行灭菌，避免食品的二次污染；辐照由于在室温下进行，产生极少热量，可以最大程度的保持食品的色香味和营养成分；此外，辐照在能耗方面远比高温杀菌低，能节约70-90%的能耗。然而，因为消费者对辐照食品缺乏共识、对辐照食品认可度低，市场上辐照食品种类很少。此外，辐射剂量达到30kGy以上才能实现杀灭12-D芽孢的杀灭效果，如此高剂量的辐照影响食品的色泽，还会出现异味。因此，辐照技术的大规模产业化应用还需很长时间。

超高压技术是现阶段研究最多、应用最广泛的非热杀菌技术。它利用水作为传压介质，将物料放入高压腔内（100-1000MPa）维持数分钟实现杀菌。超高压通过压力直接破坏细菌的细胞壁等结构的方式杀菌。超高压主要作用于生物大分子中氢键、离子键和疏水键等非共价键，而保维持食品风味、色泽、口感等特性的物质主要是由共价键组成的小分子。因此，超高压在杀灭细菌的同时，还能最大程度保持食品感官特性和营养价值。随着超高压技术的不断研究，出现了越来越多的超高压食品。如超高压果汁又被称为非浓缩还原果汁，受到了广大消费者的青睐。但超高压技术直接杀灭芽孢限制了其进一步商业化应用[3]。

3.3 其他手段

随着食品工业的发展，出现了很多新型杀菌技术，如脉冲电场、强磁场、低温等离子体、微波、超声波等。与高温杀菌不同，这些新型杀菌技术通过光、磁、电实现杀菌。新型杀菌技术能有效的杀灭食品中细菌营养体，可以应用在酸性食品杀菌过程中。但对芽孢杀灭的有限性同样限制了这些技术应用中低酸性食品中的应用，限制了其在食品工业中进一步的应用。因此，寻找新的杀菌方法或通过某些技术联合杀灭芽孢是食品加工过程中发展的重要目标。

4 展望

芽孢的存在一直是食品安全的重要威胁。高温灭菌仍是现在杀灭芽孢的主要方法。现阶段，高温灭菌后的食品很难满足人们对高质量生活水平的需求。寻找新的杀菌方法迫在眉睫。超高压技术能在较低温度下实现杀灭微生物，但却不能直接杀灭芽孢。研究表明，超高压与中等温度结合后能有效的杀灭芽孢，这为超高压技术的进一步商业化应用提供了新的思路和方法，需要人们进一步深入的研究。