浅述臭氧的灭菌效能

浅述臭氧的灭菌效能

作者：张雪颖

来源：《食品安全导刊·下旬刊》2019年第02期

摘 要：臭氧是氧气的同素异形体。它通常是由分子氧（O2）与化学物质的相互作用、闪电期间的放电或太阳产生的短紫外线（UV）辐射产生的。由于臭氧对细菌、真菌、原生动物以及细菌和真菌的孢子具有很强的抗菌活性，在食品界中，臭氧作为有效的消毒剂而被广泛应用。本文就臭氧的灭菌效能进行阐述。 关键词：臭氧;细菌;真菌;消毒

由于业界对强效抗菌剂的需求及被这种消毒剂成功实施的宣传所推动，人们对臭氧在食品生产和加工过程中的应用的兴趣一直在稳步增长。当微生物存在于低臭氧需求的环境中时，臭氧对细菌、真菌、原生动物以及细菌和真菌的孢子具有很强的抗菌活性。臭氧对大多数被检测的病毒也是有效的。臭氧与微生物细胞成分的氧化反应是臭氧对微生物灭活的主要作用机制。臭氧的氧化活性与其分子形式或分解副产物（也称为活性氧）直接相关，如羟基、超氧阴离子和氢过氧基。复杂的氧化反应一般发生在微生物细胞包膜、细胞内酶和遗传物质中的不饱和脂质上。臭氧的主要目标是微生物细胞表面。臭氧与细胞包膜中不饱和脂的双键反应导致细胞成分的泄漏和微生物的裂解。科学家研究了600 mg/L的气态臭氧对大肠杆菌K-12长达30 min的影响。研究发现，随着臭氧化时间的延长，细菌活力下降，细胞膜通透性降低，细胞内蛋白质逐渐降解。通过电镜观察，经臭氧处理后微生物细胞的损伤情况，笔者发现臭氧会对革兰氏阴性菌的细胞膜造成破坏，从而导致其细胞成分的丧失。另外，臭氧对革兰氏阳性细胞壁无明显损伤和细胞间损伤是臭氧介导的细胞失活的主要原因。除了对微生物细胞膜的破坏外，臭氧通过氧化其巯基而使某些酶失活，例如臭氧可以对鼠伤寒沙门氏菌有致突变作用，导致细胞损伤或灭活。科学家研究了枯草芽孢杆菌孢子灭活和耐水臭氧的机制，已经发现，DNA损伤并不是臭氧灭活这些分化微生物的原因。结果表明，臭氧介导的失活是由于枯草杆菌孢子内膜的损伤所致，但对臭氧的抗性归因于孢子外壳。 1 细菌的灭活

细菌对臭氧的敏感性因属和种而异。一般来说，细菌孢子对臭氧处理的抵抗力比营養细胞强。Broadwater等人研究了臭氧对蜡样芽孢杆菌营养和孢子形态的灭活作用。作者报告了0.12 mg/L的臭氧使小脑营养细胞的数量减少了2个对数单位，而要达到同样的灭活水平，则臭氧的浓度需要2.29 mg/L。在另一项研究中，Khadre和Yousef测试了8株芽孢对臭氧的抗性，结果显示嗜热芽孢杆菌对臭氧的抗性最强，而蜡样芽孢杆菌最敏感。这表明嗜热芽孢杆菌可作为臭氧对不同食品接触表面的消毒效果的指标。

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革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌对臭氧处理的抗药性差异的研究结果是相互矛盾的。Kim和Yousef研究了臭氧处理的革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌在间歇反应体系中的失活动力学。作者认为，臭氧对大肠杆菌O157：H7、假单胞菌、肠系膜白细胞和单核细胞李斯特菌的灭活效果最好，其中大肠杆菌O157：H7最耐药，而单核细胞原杆菌最敏感。在另一项研究中，研究人员发现革兰氏阴性菌对臭氧的敏感性比被测试微生物中的革兰氏阳性菌更敏感。同样，Sobsey等人也报告说，与革兰氏阴性相比，革兰氏阳性物质对臭氧处理的抵抗力更强。 细菌存在的环境对臭氧处理的灭活效果也是非常重要的。在蒸馏水中用1.5 ;mg/kg臭氧处理肠道沙门氏菌时，致病菌的数量减少了6个对数单位。在家禽皮肤上接种致病菌，并在空气中以8%（wt/wt）的气态臭氧处理15 s，只减少了一个对数单位的肠道沙门氏菌的数量。 当将志贺氏菌接种在水和切碎的生菜中时，研究人员对臭氧灭活该病原体的灭活作用进行了评估。用1.6 mg/kg和2.2 mg/kg臭氧水溶液处理1 min，该病原菌数量分别减少3.7和5.6个对数单位。经5 mg/kg臭氧水处理5 min后，该病原菌在切碎的生菜丝上的灭活仅为1.8个对数单位。其他研究人员对水中或马铃薯表面臭氧小肠结肠炎耶尔森菌的灭活进行了评估。在1.4 mg/kg和1.9 mg/kg的臭氧水溶液中分别处理1 min，水中的小肠结肠炎菌数（最初为108 CFU/mL）分别减少4.6和6.2个对数单位。当该病原菌接种于马铃薯表面（大约2×105 CFU/g）时，5 mg/kg的臭氧水处理1 min，仅使种群减少1.6个对数单位。臭氧对芽孢和梭菌的杀孢作用在酸性介质中得到增强。灭活程度也受处理后细菌生理状态的影响。处于指数期的细胞比静止期的细胞对臭氧更敏感。 2 真菌的灭活

水态和气态的臭氧是一种有效的抗真菌剂，其杀菌作用因物种而异。Beuchat等人调查了黄曲霉分生孢子对臭氧的敏感性。在pH值为5.5和7.0的磷酸盐缓冲液中，用1.74 mg/kg臭氧处理黄曲霉和寄生曲霉分生孢子。在pH值为5.5和7.0的条件下，黄曲霉的D值分别为1.7和1.5，黄曲霉的D值分别为2.1和1.7。而Faroo和Akhlaque研究了臭氧水溶液对副念珠菌的抗真菌作用。在0.23～0.26 mg/L臭氧化水中处理对虾立枯病菌1.67 min后，该微生物的数量减少2个对数单位。Kawamura等人报道，当酵母细胞在0.02 mg/L的水溶液中处理20 s或在1 mg/L的水溶液中处理5 s时，热带假丝酵母的计数下降了2个对数单位。

在另一项研究中，臭氧浓度为0.19 mg/L的臭氧可同时减少半个原生质体种群，但相同浓度的臭氧处理5 min后，黑曲霉孢子数减少。Naitoh和Shiga评价了臭氧水溶液在0.3～0.5 mg/L范围内的杀菌作用。结果表明，臭氧对曲霉、青霉和副球虫孢子的杀菌活性阈值分别为90～180 min、45～60 min和5～10 min。此外，臭氧对所有被测微生物的抗菌效果随着pH值和处理水温度的降低而增加。

Naitoh研究了6种不同酵母菌在不同温度和湿度条件下对气态臭氧的敏感性。汉森氏菌用气态臭氧在30～60 ℃和25%～90%相对湿度下处理1～5 h。*滑念珠菌和马克斯克鲁维酵

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母的种群在低温下臭氧处理5 h后降低 1 个对数单位。 然而，这种处理不会影响其他测试酵母的微生物数量。研究显示，随着处理温度、湿度和时间的增加，臭氧的杀真菌作用增强。当将该植物病原体接种在马铃薯葡萄糖琼脂上，并在2 ℃下在富含臭氧的环境中储存时，灰葡萄孢菌的菌丝体生长较慢。 3 原生寄生虫的灭活

原蟲寄生虫，如鞭毛虫、隐孢子虫、环孢素等与一些水传播疾病爆发有关。Clark等人的研究显示臭氧是一种比氯或二氧化氯对水系统中的原生动物寄生虫更有效的化学消毒剂。Widmer等人采用扫描电子显微镜、免疫印迹和流式细胞术技术对沙鼠革兰氏囊的感染性进行了研究。1.5 mg/L的臭氧处理囊肿0、30、60、120 s。结果显示，臭氧暴露60 s或更长时间可有效地灭活蓝氏贾第鞭毛虫的囊肿，处理后可引起广泛的蛋白质降解和囊壁深刻的结构修饰。 据报道，原生动物的囊肿和卵囊对臭氧处理的抵抗力存在差异。根据Wickramanayake等人的研究显示水蚤胞囊对臭氧的抵抗力比毛滴囊肿强。作者报道，0.2 mg/L的臭氧处理7.5 min灭活了2个对数单位，但是仅1.05 min 就足以实现毛滴囊肿的类似灭活。当疟原虫暴露于1 mg/L的臭氧下5 min时，小球藻卵囊的数量下降了1对数单位。研究人员还报道，当在这些寄生虫在相同的条件下被处理时，小孢子囊对臭氧的抗性比贾第虫的卵囊的抗性高30倍。 4 病毒的灭活

臭氧是一种有效的病毒杀菌剂。低浓度臭氧和短接触时间通常足以使病毒在低臭氧需求介质中灭活。当介质对臭氧的要求较高时（如废水中），需要较长的接触时间和较高的臭氧浓度来灭活病毒。据报道，病毒对臭氧的敏感性发生了变化。已有报道声称病毒对臭氧敏感性的变异。似乎噬菌体如f2、MS2是最易受臭氧感染的病毒。甲型肝炎病毒对臭氧的抵抗力大于脊髓灰质炎病毒。Khadre 和 Yousef对人类轮状病毒对臭氧的敏感性进行了测试，结果显示将高滴度的轮状病毒悬液用5.2～25 mg/L的臭氧处理1 min，则导致微生物的感染率降低2～8个对数单位TCID 50/mL。用0.25 mg/L的臭氧处理脊髓灰质炎病毒1型（Maonyey）5 min，这种暴露导致该病毒的2个对数单位的灭活。据Farooq和Akhlaque报告，当病毒悬液以0.23～0.26 mg/L臭氧作用1.67 min时，I型脊髓灰质炎病毒减少2.5个对数单位。

臭氧的反应性、溶解性和消毒效果受温度、pH值、湿度以及处理介质中臭氧要求物质的存在等多种因素的影响。此外，臭氧的杀菌效果在很大程度上取决于它能否接触到目标微生物，而不与食品成分相互作用。因此，寻求合适的臭氧消毒灭菌方法还有待研究。