超声波辅助的高压脉冲电场灭菌工艺对内生孢子的研究进展

总结了国内外高压脉冲电场和超声波处理孢子的相关研究和联合灭菌工艺的研究现状，单独的超声波和超声波处理均很难达到理想的灭菌效果，最大灭菌效率为1～2个对数级。因此，超声波辅助的高压脉冲电场非热灭菌工艺应用于孢子具有乐观的应用前景。有望解决非热加工领域孢子的难题。

关键词：芽孢;高压脉冲电场;超声波;联合;因素分析

Abstract：At present， food-borne endospores are a difficult problem in non-thermal processing of food. In order to solve this problem， pulsed electric field sterilization assisted by ultrasound was proposed in order to find an effective technology to control the foodborne spores. As a conclusion， it is difficult to achieve an ideal sterilization effect by ultrasound or pulsed electric field alone， and the maximum sterilization efficiency is 1～2 logarithm. It is concluded that the technology of pulsed electric field assisted by ultrasound has an optimistic prospect in the non-thermal sterilization of foodborne spores.

Key words：Foodborne spores; Pulsed electric field; Ultrasound; Combination; Parameters

中圖分类号：TS252.51

1 芽孢在食品安全领域的重要性

当前非热灭菌工艺的研究对象主要是食品中的微生物营养体，对于细菌内生孢子的研究还比较少见。内生孢子是产芽孢细菌在不利环境下形成的休眠体，广泛分布在果汁、乳品和调味酱汁中。孢子在环境恢复后形成正常的具有繁殖能力的营养体，因此，内生孢子是危害消费者健康的重要因素，是现代食品工业亟待解决的重要课题[1]。2010年，美国农业部食品安全与检查局（USDA Food safety and inspection service）对中国出口食品企业进行现场考察后发现，大部分企业的危害分析与控制体系（Hazard analysis and critical control points）存在缺陷，对于孢子可能产生的危害没有预警措施。

内生孢子具有致密的外层结构，对热、酸碱性和盐度等环境条件具有较强的抗逆性。工业上一般采用高温灭菌处理才能达到理想的效果，常规的非热灭菌技术一般只能杀灭食源性微生物的营养细胞。在较低温度（25～55 ℃）下，一般非热灭菌工艺对内生孢子的灭菌效率较低，仅为1～2个对数级。最近几年，研究者们开始采用提高处理温度的方式来降低内生孢子对非热加工技术的抗逆性。研究结果表明，只有在温度达到80 ℃以上时，才能得到5～6个对数级[2]。然而，热处理会破坏食品的感官品质和营养成分，无法实现真正意义上的非热加工。

2 芽孢对高压脉冲电场和超声波灭菌工艺的抗逆性

相较于其他非热灭菌技术，高压脉冲电场（PEF）对于内生孢子的灭活作用具有一定的优势[1]，但灭活效果依然非常有限。1967年，Hamilton等[3]在研究高压脉冲电场的灭菌效果时发现，孢子的存在会使灭菌效率降低。主要原因在于内生孢子的脱水细胞质结构降低了细胞电导率，细胞周围无法形成足够的电位差;同时，包囊细胞质膜的皮层结构阻碍了电场对细胞膜的穿孔效应。近年来采用超声波和高压脉冲电场处理的孢子的相关研究情况见表1和表2。

3 影响高压脉冲电场灭菌效率的关键因素

3.1 高压脉冲电场处理参数

影响高压脉冲电场灭菌效率的处理参数包括电场强度、处理时间、温度、脉宽、频率、脉冲的极性、上升沿和下降沿等多种因素。一般认为，处理室中的电场强度和食品接受处理的时间是影响灭菌效率的主要因素。以液体食品为例，定义单位液体在电极间保留的时间为tres，则食品接受处理的脉冲数量n为保留时间tres和频率f的乘积，如公式（1）所示。单位体积液体的实际作用时间t为脉冲数量n和脉宽τ的乘积，如公式（2）所示。在连续性处理室中，单位体积液体的保留时间与液体流速和处理腔几何参数有关。

n=tres·f（1）

t=n·τ（2）

脉宽、脉冲重复频率和液体流速共同决定了液体食品接受高压脉冲电场处理的时间，是影响高压脉冲电场灭菌效率的重要因素。由于窄脉宽的脉冲有效处理时间更少，处理过程中的温升就不及长脉冲[10]。比较毫秒级、微秒级和纳秒级脉冲在能量输入上的差异，可以发现毫秒级脉冲输入能量要高，而微秒级与纳秒级脉冲则无多大差异[11]。有研究表明，对于脉宽低于4 μs的脉冲，单极性比双极性效率更高，而增加脉宽，单极性脉冲的优势逐步消失[12]。Zgalin等[13]人以大肠杆菌为处理对象，比较微秒级脉冲与纳秒级脉冲在灭菌效果上的差别，发现纳秒级脉冲只有与微秒级脉冲联合作用才能产生较好的灭菌效果。在微秒级区域，增加脉冲幅值和脉冲数量能显著提高灭菌效率。