二氧化氯的抗菌效果及其在食品保鲜中的研究进展

陈 虹，王 群，方 欣，孙璐瑶，陈 进，步 恬

（泰州学院医药与化学化工学院，江苏省手性医药化学品生物制造重点建设实验室，江苏泰州225300）

进入二十一世纪，人们的生活水平不断提高，对食品安全也有了新的需求和期待，如无防腐剂食品、无菌包装等。二氧化氯为无机化合物，在常温常压条件下是一种具有刺鼻气味的黄绿色至橙黄色气体，具有强氧化性，是国内外公认的高效、低毒、快速、广谱的绿色消毒剂。1985 年被美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于食品加工设备的消毒；1992年，经世界卫生组织批准用于饮用水消毒；1996 年，我国卫生部批准将其用作水产品和果蔬保鲜的食品添加剂。

二氧化氯因其强大的杀菌效果，被国际组织评为A1级消毒剂[1]，其杀菌能力强、效率高，在低浓度下可杀死多种病原菌[2]，如大肠杆菌、沙门氏菌、酵母和霉菌等[3-5]，在pH值为2～10范围内仍能保持较高的杀菌效率。此外，二氧化氯还具有漂白、除臭等功能[6]。同时，二氧化氯具有良好的使用安全性，在消毒过程中不会像其他氯消毒剂与有机物发生反应或产生有毒物质。因此，基于二氧化氯优异的抗菌消毒效果和良好的使用安全性能，使其在食品保鲜领域的应用逐步得到广泛关注。

1 二氧化氯的概述

1.1 二氧化氯的性质

1.1.1 理化性质

二氧化氯常温下为黄绿色强烈刺激性臭味气体[7]，熔点为-59.5 ℃，沸点为11 ℃；极易溶于水，溶液易挥发，受光易分解，对热、震动、撞击相当敏感，极易反应发生爆炸；稳定态ClO2无色、无味、无腐蚀性、无毒、不挥发、不易燃、不易分解，在-95～-5 ℃条件下可以保存2年，储存和运输安全方便。将ClO2稳定在固态吸附剂或惰性溶液中，再根据需要缓慢释放，可得到一定有效浓度的ClO2气体。

二氧化氯的氧化性能比氯气高2.63 倍[8]，有效氯是氯气的2.6倍，反应活化性也高，可在光照、碱性条件下发生歧化反应生成

1.1.2 生物安全性

二氧化氯可用于饮用水的消毒。饮用经二氧化氯消毒的饮用水后，水中的二氧化氯在人体内会产生亚氯酸根，部分亚氯酸根可被分解为能被人体利用的氯离子，亚氯酸根和氯离子可在几天后随尿液排出，但达到一定浓度时就会使动物和人体体内碘元素的代谢与生理活性受到破坏。经动物实验发现，从幼鼠出生前14 d 到出生后21 d 期间在其饮水中添加剂量为100 mg/L 二氧化氯，会明显减少老鼠甲状腺素的分泌量[9]。也有研究发现：二氧化氯暴露会产生剂量依赖性鳃病理，包括上皮抬升、肥大、增生和坏死；亚氯酸盐在致死暴露水平下，可引起慢性炎症反应，造血和血管内组织的循环和固定吞噬细胞显著增加[10]；高浓度的二氧化氯会使体内生成高浓度的高铁血红蛋白，导致氧气运输能力下降。但到目前为止，几乎没有研究表明二氧化氯是否能通过皮肤大量地进入人体，如果通过呼吸或饮用摄入了一定量的二氧化氯，呼吸道和消化道会出现刺痛感。尽管二氧化氯及其歧化产物ClO-2和ClO-3在高剂量或者高浓度（如高于100 mg/L）时具有潜在的毒性，且其严重程度取决于对二氧化氯的摄入量，但是在小于5 mg/L 的低浓度范围内，使用二氧化氯对饮用水进行消毒，不会对人体产生负面影响。

1.2 二氧化氯的杀菌机理

1.2.1 二氧化氯的氧化能力

二氧化氯分子的电子结构呈不饱和状态，其氧化能力主要表现在干预电子供体的原子基团，夺走电子，使其成为无活性物质，快速有效地杀死细菌。武建明[11]研究发现，二氧化氯对镰刀菌、黄曲霉、粉红单端孢、链格孢、青霉、蓝霉、根霉7 种病原菌具有抑制作用，并且随着其浓度的增加，抑菌能力增强，温度越高，分子扩散速度越快，抑菌效果也越好。

1.2.2 二氧化氯对微生物细胞膜的破坏

二氧化氯对微生物细胞膜中蛋白质和含氧化合物[12]的影响是灭菌的关键，它最终导致细胞代谢紊乱。有研究表明，二氧化氯抑制枯草芽孢杆菌孢子萌发的原因可能是由于芽孢内膜受到损伤[13]。由于二氧化氯是小分子，极易透过细胞膜，从而导致呼吸抑制和跨膜离子浓度梯度的降低[14]。此外，Praeger等[15]提出二氧化氯可通过改变膜中的脂质和蛋白质结构来提高细胞的通透性。Cho 等[16]研究表明，利用二氧化氯处理大肠杆菌后可导致大肠杆菌中的蛋白质渗漏。Zhu 等[17]报道称将二氧化氯作用于酵母菌时，尽管酵母菌质膜的完整性受到破坏，但蛋白质和DNA 都是大分子，它们不容易从细胞中渗透出来，因此二氧化氯的灭活机制也与对代谢酶活性的抑制和破坏有关。

1.2.3 二氧化氯破坏微生物的蛋白质

二氧化氯与蛋白质中的某些氨基酸发生氧化还原反应，通过干扰微生物的氨基酸使之分解[18]来影响蛋白质的合成[19]，并杀死微生物。二氧化氯的反应活性使其进入细胞体内后能氧化氨基酸，抑制蛋白质合成，按照氨基酸与二氧化氯的反应活性排序从高到低依次为半胱氨酸（Cys）、酪氨酸（Tyr）、色氨酸（Trp）、组氨酸（His）、脯氨酸（Pro）[20]。微生物体内许多酶都是蛋白质，参与微生物的生命活动，二氧化氯对细胞壁有吸附和穿透能力，它可以通过释放原子氧来氧化细胞中含有巯基的酶，从而导致这些酶被破坏[21]。

1.2.4 二氧化氯使微生物遗传物质被氧化

二氧化氯能够使微生物体内的DNA、RNA 被氧化[22]。Bolognesi等[23]对损伤后的DNA处理结果表明：采用0.2 mg/L 的二氧化氯处理1 h 可诱导遗传毒性。Ishidate等[24]研究发现：在激活状态下，二氧化氯能够促使鼠伤寒沙门氏菌的反向突变，但二氧化氯对DNA 的作用机制尚不完全清楚，需要进一步探索。除此之外，二氧化氯还能与RNA 相互作用。Simonet等[25]发现，RNA 病毒暴露于二氧化氯中时被降解。Alvarez 等[26]发现，二氧化氯能通过与病毒RNA 反应以及破坏病毒基因组作为RNA合成模板的能力来灭活脊髓灰质炎病毒。

2 二氧化氯的抗菌消毒效果

二氧化氯具有很强的氧化性，其氧化能力是单质氯气氧化能力的2.63 倍，是环氧乙烷氧化能力的一千多倍。目前，国内外对二氧化氯杀菌消毒的研究报道很多。

居丽雯等[27]探讨了二氧化氯溶液对流感病毒的灭活作用，发现二氧化氯溶液对流感病毒的血凝素抗原有一定的破坏作用，5 mg/L 二氧化氯溶液作用5 min 可使流感病毒血凝效价降低一半，同时流感病毒的血凝效价随着二氧化氯浓度的增加和作用时间的延长而下降。孙荣芳等[28]对比分析了液氯和二氧化氯两种消毒剂杀灭病毒的效果，结果表明：当液氯处理的最高质量浓度达7.0 mg/L，且消毒作用时间为60 min时，其对腮腺炎病毒、腺病毒7型、单纯性疱疹病毒Ⅰ型、脊髓灰质炎病毒Ⅰ型、柯萨奇病毒B3、艾可病毒Ⅱ型这6种病毒均不能灭活；然而，1.0 mg/L的二氧化氯作用30 min，对以上6种病毒均可以完全灭活。李爱萍等[29]研究则发现：二氧化氯投加量20 g/L作用45 min 和15/L 作用60 min，均可将染菌水样中枯草杆菌黑色变种芽孢降至为0 CFU/100 mL。

以上研究结果说明：二氧化氯不仅对流感病毒、腮腺炎病毒等7 种病毒均具有明显、高效的灭活效果，而且对枯草杆菌的黑色变种芽孢也具有杀菌效果。

3 二氧化氯在食品保鲜中的应用

二氧化氯作为一种安全高效的强氧化性杀菌剂，其不产生致癌物，且不会对环境造成二次污染，因此在食品保鲜方面也有着非常广泛的应用，并得到了认可。

3.1 在果蔬保鲜中的应用

新鲜果蔬由于易受到各种有害微生物的污染而使得货架期较短，贮藏过程中会发生失水、变色、出现异味、营养成分损失和腐败等现象，造成品质下降，已成为世界上最广泛的公共卫生问题之一[30]。我国是世界上第一大果蔬生产国，果蔬损失占采后总量很大比例，因此研究人员对果蔬保鲜开展了许多研究。

3.1.1 二氧化氯的保鲜原理

果蔬的变质主要是由其自身的生理作用和微生物等病害侵染引起的，虽然果蔬成熟过程中会产生二氧化碳和乙烯等使果蔬腐烂加快的物质[31]，但通过二氧化氯对侵染果蔬的微生物进行杀灭处理也是进行果蔬保鲜的重要手段；同时二氧化氯可以防止水果中蛋氨酸分解生成乙烯，并且能够破坏已产生的乙烯，起到延缓果蔬变质的效果[11]。另外，二氧化氯不会与有机化合物反应形成有毒的氯化副产物，因此有利于保证食品安全[32]。而且，有研究表明，在采后处理过程中使用二氧化氯可以对果蔬进行强效杀菌，且不影响果蔬处理前的外观和风味[33]。

3.1.2 二氧化氯使用浓度对保鲜效果的影响

二氧化氯作为一种广谱杀菌剂，在质量浓度为0.1 mg/L 条件下可杀灭诸如大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等致病菌，当存在有机物时，其干扰质量浓度为几十毫克每升时也可杀灭细菌繁殖体、病毒、噬菌体和细菌芽孢等。二氧化氯对生鲜果蔬表面的杀菌功效受有效剂量、菌耐受性、保持时间、温度、相对湿度等综合因素的影响[34]。

有研究发现，当二氧化氯溶液质量浓度为50 mg/L时，能够最大程度抑制苹果表面的细菌生长，保持苹果在冷藏期间的脆度和硬度，并延长贮藏时间[35]。采前施用60 mg/L 二氧化氯可有效抑制‘海沃德’猕猴桃冷藏期间果实表面菌落的生长，当二氧化氯与羧甲基纤维素复合使用时，能够有效降低猕猴桃的呼吸作用，实现抑菌和常温保鲜的双重效果[36]。使用质量浓度为20 mg/L 的二氧化氯处理时，能够使荔枝表面的炭疽孢子全部灭活，使荔枝果皮不易发生褐变和腐坏[37]。也有研究发现，使用0.2µL/L二氧化氯气体每隔3.5 d 处理30 min，能够抑制香蕉中丙二醛的生成，使果皮细胞的细胞膜渗透性降低，减缓香蕉在运输过程中因外力损伤而导致的表皮褐变，并能够使果实的成熟时间延长[38]。

3.1.3 二氧化氯应用方式对不同果蔬保鲜效果的影响

二氧化氯的常见应用形式为气态、液态、固态。其中气熏和液态浸洗是常见的使用方式。利用药物缓控释技术，将二氧化氯负载到固体载体中，并在使用时缓慢释放气态二氧化氯，也是一种新型的使用方式。

有研究对新疆哈密瓜、葡萄分别采用二氧化氯浸泡、气熏处理，可降低哈密瓜的自然发病率和病情指数，维持哈密瓜、葡萄的采后品质[39]。二氧化氯液浸处理草莓时，处理浓度越高，草莓的感病损伤越少[40]；但是二氧化氯对果皮有一定的漂白损伤，所以草莓在贮藏后期色泽受到影响。但并非二氧化氯的使用浓度越高越好，高浓度二氧化氯溶液浸泡处理会使西兰花切面发生褐变[41]，影响西兰花中叶绿素含量和VC 含量，不利于贮藏。另外，相对湿度对二氧化氯气体的抗菌作用也有一定影响[1，42]。当菠菜经二氧化氯气体处理后，病菌明显减少，但致病菌在相对湿度90%的条件下减少得更加明显。当二氧化氯溶液与壳聚糖溶液复配使用时，能够抑制苯丙氨酸解氨酶、肉桂醇脱氢酶、多酚氧化酶和过氧化物酶的活性[43]，使极易发生褐变的莴苣延迟褐变，抑制霉菌等微生物的生长，减少木质素的合成，抑制呼吸作用，对莴苣的保鲜起到了更好的效果。

Zhang 等[44]制备了二氧化氯微胶囊缓释抗菌膜，并用其包装芒果，考察贮藏过程中芒果的硬度、色差等理化指标的变化，探究了二氧化氯微胶囊缓释抗菌膜的使用效果，研究结果表明，未经包装处理的芒果容易腐烂，而经包装处理的芒果其理化指标有所改善，说明二氧化氯微胶囊缓释抗菌膜提高了芒果的贮藏品质。该微胶囊缓释抗菌膜在未来食品工业中可能会有广泛的应用。

3.2 在水产品保鲜中的应用

我国水产品种类非常丰富，但因水资源污染严重，导致水产品中可能携带细菌、病毒。众所周知，二氧化氯在水处理方面有着广泛的应用。二氧化氯可以有效去除水中的有害细菌，为水产品提供一个安全可靠的生存环境。二氧化氯也可作为水产品的保鲜剂，尤其是在水产品捕捞后及时使用二氧化氯处理可以保持较好的品质。

杨贤庆等[45]将制作好的罗非鱼丸随机分为4组，使用不同质量浓度的二氧化氯溶液进行浸泡，研究（4±1）℃的冷藏条件下，稳定态二氧化氯对鱼丸的新鲜度影响，当稳定态二氧化氯质量浓度为50 mg/L时，能够有效阻断细菌和微生物的繁殖，有效减轻鱼丸中蛋白质变性和脂肪氧化等问题，具有良好的杀菌保鲜效果，成功延长了罗非鱼丸6～10 d的货架期。

3.3 在饮品保鲜中的应用

饮料在罐装前后必须进行杀菌处理，俗话说“病从口入”，饮品中很容易混入细菌，口服后对胃肠道产生影响，危害消费者的身体健康。在饮品生产的工艺环节及所用材料中使用二氧化氯进行灭菌消毒，可以除去病原微生物。同时，二氧化氯不易残留，安全可靠，不会影响饮品的口感，能满足人们对饮品质量的期待。

奶牛乳房炎是影响牛奶品质的重要因素，而引起奶牛乳房炎的病原菌主要为无乳链球菌、停乳链球菌、乳房链球菌、表皮葡萄球菌、大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌6种，杀灭或抑制这些致病菌则有利于奶品质量的提高。丘通强等[46]以一种液态的稳定性二氧化氯作为挤前药浴，对乳区表面消毒后的菌落总数进行无重复双因素方差分析，发现二氧化氯对乳头表面的杀菌效果超过98%，且成本较低，验证了二氧化氯作为奶牛乳头挤前药浴的安全性、有效性和经济性，对广大牧场降本增效具有较大的参考意义。

3.4 在肉制品保鲜中的应用

肉制品的生产流水线中，生禽水线的污染是主要问题，可以利用二氧化氯来对水线进行清理。利用二氧化氯的强氧化性可杀灭细菌。同时还可在生禽水塔中加入二氧化氯，一方面保证饮水健康，除去水中的金属离子和其他有害物质，另一方面可以保持水线清洁[47]。

陈晓麟等[48]使用50 mg/L二氧化氯处理猪肉，在冷藏条件下能延长其货架期至6 d；使用150 mg/L二氧化氯处理毛肚，能延长其保质期至10 d；采用250 mg/L二氧化氯处理鸭肠，可将其保质期延长至9 d。纯CO预处理与50 mg/L二氧化氯和30 g/L乳酸相结合，能够有效抑制细菌生长，降低牛肉腐败程度，延长牛肉保质期[49]。

另外，Visvalingam 等[50]研究了二氧化氯、酸化亚氯酸钠和过氧乙酸对牛肉中大肠杆菌O157：H7的有效性控制，结果显示：二氧化氯是最有效的抗微生物剂，其浓度是影响牛肉中大肠杆菌O157：H7 数量的关键因素。

3.5 在食品保鲜包装中的应用

利用药物的缓控释技术，将二氧化氯应用于食品保鲜包装中已逐渐受到重视。肖生苓等[51]开发了一种二氧化氯缓释保鲜纸，其以纸基为载体，以亚氯酸钠为二氧化氯的前驱体，通过控制酸活化剂的量和作用时间，达到抑菌杀毒、延长果蔬保鲜期的目的，为木质纤维类绿色保鲜材料的研发提供了技术与支持。杨莎[52]设计了一种全新的缓释型二氧化氯制剂——二氧化氯膜，A膜负载了被β-环糊精包合的活化剂组分，B 膜负载了被聚乙烯醇包覆的亚氯酸钠，A、B 膜之间添加控释薄膜，使有效释放率提高至25%，而且延长有效释放时间达17 d，较普通的缓释型二氧化氯制剂保鲜时间长。

4 结语

二氧化氯因其广谱高效的抗菌特性和保鲜效果逐渐被食品保鲜行业所青睐，目前已在饮用水消毒以及果蔬、水产品、饮品、肉制品、抗菌食品包装等领域均有研究和应用，其抗菌保鲜效果取决于使用时的形态、浓度和频次，且浓度起到了最关键的影响。因此，建议在二氧化氯基础研究上，更加注重浓度相关的安全性和实用性研究，尤其在二氧化氯缓控释制剂及包装材料的研究、开发、应用中应进一步加大研发力度，以降低其生物毒性，充分利用其优异的抗菌消毒保鲜效果。同时，二氧化氯本身还存在着以下两个亟待解决的难题，在研究和应用中应重点关注：其一，二氧化氯沸点低，需利用药物前体或添加适宜载体辅料才能制成较稳定的食品保鲜剂、包装材料抗菌剂等；其二，目前二氧化氯相关缓释剂型的释放可控性不佳，在开发相应缓控释剂型和食品包装材料时应重点考虑其控制释放性能的研究。