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中国精品科技期刊2020

非热加工技术诱导微生物亚致死损伤及控制方法研究进展

王博华, 相启森, 白艳红

王博华,相启森,白艳红. 非热加工技术诱导微生物亚致死损伤及控制方法研究进展[J]. 食品工业科技,2023,44(5):459−465. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022040292.
引用本文: 王博华,相启森,白艳红. 非热加工技术诱导微生物亚致死损伤及控制方法研究进展[J]. 食品工业科技,2023,44(5):459−465. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022040292.
WANG Bohua, XIANG Qisen, BAI Yanhong. Research Progress on Sublethally Injured of Microorganisms Induced by Non-thermal Processing Technologies and Its Control Methods[J]. Science and Technology of Food Industry, 2023, 44(5): 459−465. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022040292.
Citation: WANG Bohua, XIANG Qisen, BAI Yanhong. Research Progress on Sublethally Injured of Microorganisms Induced by Non-thermal Processing Technologies and Its Control Methods[J]. Science and Technology of Food Industry, 2023, 44(5): 459−465. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022040292.

非热加工技术诱导微生物亚致死损伤及控制方法研究进展

基金项目: 国家自然科学基金(32072356);河南省重大公益专项(201300110100)。
详细信息
    作者简介:

    王博华(1998−),男,硕士研究生,研究方向:肉制品加工与安全控制,E-mail:wangbh1212@163.com

    通讯作者:

    白艳红(1975−),女,博士,教授,研究方向:肉制品加工与安全控制,E-mail: baiyanhong212@163.com

  • 中图分类号: TS201.3

Research Progress on Sublethally Injured of Microorganisms Induced by Non-thermal Processing Technologies and Its Control Methods

  • 摘要: 近年来,非热加工技术在食品杀菌保鲜领域的应用受到广泛关注。然而,大量研究表明,非热加工技术能够诱导微生物发生亚致死损伤。亚致死损伤是指微生物介于存活和死亡之间的一种损伤状态,可造成潜在的食品安全风险。本文综述了脉冲电场、高压二氧化碳、冷等离子体、高静水压等非热加工技术诱导微生物亚致死损伤的最新研究进展,探讨了亚致死损伤微生物的检测和控制方法,并展望了今后的研究方向,以期为研究亚致死损伤微生物及其控制技术提供理论参考。
    Abstract: In recent years, non-thermal processing technologies have been received great attentions for their potential application in food sterilization and preservation. However, various studies have showed that some non-thermal processing can cause sublethal injury of microbial cells. Sublethal injury of microorganisms refers to a physiological state in-between life and death, which may represent a potential risk for food safety. This article aimed to review the latest research progress in the formation of sublethally injured microorganisms induced by non-thermal processing technologies, such as pulsed electric field, high-pressure carbon dioxide, cold plasma, and high hydrostatic pressure. In addition, the detection and control methods of sublethally injured microbial cells are also reviewed in this article. Finally, the prospects for future research in the area are also discussed. This review provides a theoretical basis for the research of sublethal injury microorganisms and their control techniques.
  • 微生物导致的食品污染是威胁人类健康的重要因素之一。传统热加工技术能够有效杀灭微生物,但同时会破坏食品的营养成分和感官品质[1]。脉冲电场(Pulsed electric field,PEF)、高压二氧化碳(High pressure carbon dioxide,HPCD)、大气压冷等离子体(Atmosphere cold plasma,ACP)、高静水压(High hydrostatic pressure,HHP)等非热加工技术能够在较低的温度下杀灭微生物,同时最大限度保持食品原有的营养成分及感官品质,在食品加工保鲜领域的应用受到广泛关注[2]。然而,大量研究表明,PEF、HPCD、ACP等处理过程难以彻底杀灭微生物,部分细胞可能进入亚致死损伤状态[3-4]。当处于适宜条件时,亚致死损伤微生物能够修复为正常细胞,从而造成潜在的食品安全隐患[5]。本文综述了PEF、HPCD、ACP、HHP等常见非热加工技术诱导微生物亚致死损伤领域的最新国内外研究进展,探讨了亚致死损伤微生物的检测和控制方法,并对今后研究方向进行了展望,以期为非热加工技术诱导微生物亚致死损伤机制及控制技术的相关研究提供理论参考。

    亚致死损伤是指微生物介于存活和死亡之间的一种损伤状态[6]。研究证实,物理、化学处理以及营养匮乏等都可能诱导微生物进入亚致死损伤状态。亚致死损伤微生物并未失活,能够在非选择培养基上形成菌落[1]。亚致死状态下的微生物仍然具有一定的生理活性,但亚致死损伤微生物的细胞结构和功能出现可逆性破坏,无法在选择培养基中生长繁殖[7]。此外,亚致死损伤微生物细胞能够依靠适宜环境条件恢复为正常细胞,进而造成食品腐败变质或引发食源性疾病[8];而部分难以修复的亚致死损伤微生物则进入活的不可培养状态(Viable but non-culturable,VBNC)并保持其致病性(图1[9]

    图  1  非热加工技术诱导的亚致死损伤微生物
    Figure  1.  The formation of sublethally injured-microorganisms induced by non-thermal processing technologies

    亚致死损伤微生物在适宜条件下可以被修复,从而造成潜在食品安全风险,因此,有必要建立有效的亚致死损伤微生物检测方法。目前,主要采用选择性培养法、流式细胞术以及红外光谱法等方法检测亚致死损伤微生物。

    选择性培养法是目前检测亚致死微生物最常用的方法。与正常细胞相比,亚致死损伤微生物因其细胞壁、细胞膜等发生损伤而无法在添加了高浓度NaCl的选择培养基中生长,但可以在非选择培养基上进行生长繁殖。因此通过计算微生物在非选择性和选择性培养基上所形成菌落数的差值即可得出亚致死损伤微生物的数量[10-11]。Zhao等[12]使用选择性培养法检测经PEF处理(25 kV/cm,200 μs)后的亚致死损伤大肠杆菌(Escherichia coli),结果显示其亚致死率为40.8%。选择性培养法具有成本低、适用范围广、能够定量分析亚致死损伤微生物等优势,但同时也存在操作复杂、耗时长等缺陷,并且在检测过程中可能会发生漏检、错检等问题。

    流式细胞术(Flow cytometry,FCM)可以通过检测荧光信号对单个细胞进行多参数和快速定量分析。FCM能够通过检测细胞膜完整性、细胞膜电位及细胞生理代谢活动等特性,进而区分特定状态的细胞群体[13-15]。孔晓雪等[16]采用SYBR-GreenⅠ和碘化丙啶染色并结合FCM分析HHP处理(200 MP,5 min)后的E. coli O157:H7,发现亚致死损伤细胞占总细胞数的18.7%,且检测结果与选择性培养法一致。FCM具有操作简单、速度快、可实时定量分析等优点,但检测成本较高,且无法区分亚致死损伤微生物与VBNC态微生物。

    红外光谱也被用于亚致死损伤微生物的检测。构成微生物的核酸、蛋白质、糖类、脂类等物质对红外光具有选择性吸收,其红外光谱具有高度特异性。与正常细胞相比,亚致死损伤微生物的细胞壁、细胞膜、核酸等组分发生明显变化,通过采集样本光谱结合化学计量学分析可以区分微生物生化信息上的差别[17]。研究证实傅里叶变换红外光谱(Fourier translation infrared spectroscopy,FT-IR)(4000~600 cm−1)能够有效区分热处理诱导的后亚致死损伤单增李斯特菌(Listeria monocytogenes[18]。喻文娟等[19]发现显微红外光谱技术(4000~400 cm−1)结合化学计量学分析可以有效区分正常的、热激后亚致死的和完全致死的副溶血弧菌(Vibrio parahaemolyticus)。红外光谱检测法虽然具有操作简单、检测速度快且应用范围广等优点,但不同微生物细胞结构和组成存在较大差异,影响了检测结果的准确性;同时,该方法难以对亚致死损伤微生物进行定量分析。

    研究发现,高温、冷冻、干燥、发酵等食品加工过程均可能诱导微生物发生亚致死损伤[20-22]。相对传统加工技术,非热加工技术具有处理温度低、杀菌温度低、加工能耗与排放少、能更好保持食品固有营养成分、质构、色泽和新鲜度等优点,在食品工业中的应用受到广泛关注,已成为未来食品加工的发展趋势。然而,大量研究表明,PEF、HPCD、ACP、HHP等均能诱导微生物发生亚致死损伤(表1)。

    表  1  非热加工技术诱导的微生物亚致死损伤
    Table  1.  Sublethal injury of microorganisms induced by non-thermal processing technologies
    加工技术菌株样品介质处理参数亚致死率(%)参考文献
    PEFS. cerevisiae黄酒电场强度9.0 kV/cm;温度25 ℃;时间120 μs12.5[23]
    PEFL. innocua磷酸盐缓冲液电场强度36.0 kV/cm;脉冲宽度1.49 μs;脉冲频率100 Hz90.0[24]
    HPCDE. coli K-12苹果汁压力7.6 MPa;温度38 ℃;时间20 min84.0[25]
    HPCDE. faecalis生理盐水压力6.05 MPa;温度45 ℃;时间30 min71.8[26]
    ACPS. typhimurium牛血清蛋白溶液电压85 kV;间距40 mm;时间140 s90.7[27]
    ACPS. aureus生理盐水功率40 W;间距5 mm;时间10 min78.1[28]
    HHPE. coli O157:H7磷酸盐缓冲液温度25 ℃;时间5 min;压力400 MPa35.6[16]
    HHPL. monocytogene脑心浸出液肉汤温度20 ℃;时间15 min;压力200 MPa51.5[29]
    超声波E. coli O157:H7生理盐水频率20 kHz;功率强度22.5 W/cm2;时间5 min30.3[30]
    紫外E. coli O157:H7椰汁温度40 ℃;功率15 W;间距14 cm;剂量166.55 mJ/cm224.0[31]
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    PEF是通过在待处理食品物料的两端施加脉冲式高强度电场以实现非热杀菌的一种物理加工手段,具有效率高、能耗小、副产物少等优点[32]。PEF会产生电崩解和电穿孔等作用,破坏微生物细胞膜完整性,致使细胞内容物泄露,从而导致细胞损伤或死亡[33]。研究表明,PEF处理会诱导E. coli O157:H7[12]、英诺克李斯特菌(L. innocua[24]、酿酒酵母(S. cerevisiae[34]、布鲁塞尔德克酵母(Dekkera bruxellensis[35]等发生亚致死损伤。例如,杨楠楠[23]研究发现,经PEF处理(9.0 kV/cm,120 μs)后,黄酒中S. cerevisiae的亚致死率为12.5%。

    PEF诱导的微生物亚致死损伤程度主要受电场强度、处理温度、微生物种类等因素的影响[36]。Wang等[37]发现,随着电场强度的增加或温度的升高,S. aureus亚致死率呈现先上升后下降的趋势。当电场强度由13 kV/cm上升至39 kV/cm,S. aureus的亚致死率由20.0%升至45.2%;然而,当电场强度继续增加至52 kV/cm时,其亚致死率则降低至20.8%;此外,当处理温度由10 ℃升高至37 ℃时,S. aureus的亚致死率由12.3%升高至46.8%;但继续升高温度至45 ℃时,S. aureus的亚致死率则降低至19.9%。这可能是由于随着电场强度、处理温度等的升高,亚致死损伤S. aureus的细胞膜通透性遭到破坏,造成细胞内容物流失等,最终引起细胞死亡。此外,微生物种类也会影响PEF诱导的微生物亚致死损伤。例如,Zhao等[12]研究发现,经PEF处理(25 kV/cm,200 μs)后,牛奶中E. coli O157:H7和S. aureus的亚致死率分别为40.8%和36.5%,这可能与其细胞壁组成存在差异等有关。

    HPCD主要是在较低温度下将食品物料与高压二氧化碳接触,以达到钝酶、杀菌等目的,具有处理条件相对温和、对食品品质破坏小、安全无毒无残留等优点。高浓度CO2会破坏微生物细胞结构,导致胞内pH降低和胞内酶的失活,从而影响微生物的代谢活动,最终造成微生物失活[38]。大量研究表明,HPCD可诱导微生物进入亚致死损伤状态。研究发现,经HPCD处理(压力为5 MPa,温度为25 ℃,pH5.6)60 min后,E. coli O157:H7亚致死率接近100.0%[39];Yuk等[25]研究发现经HPCD处理(7.6 MPa,38 ℃,20 min)后,苹果汁中E. coli K-12的亚致死率为84.0%。

    HPCD诱导的微生物亚致死损伤主要受处理时间、温度等因素的影响。Takahashi等[40]研究发现S. cerevisiae经压力为4 MPa的HPCD处理4 h后,亚致死损伤S. cerevisiae超过4 lg CFU/mL;而当处理时间延长至8 h后,未检测到亚致死损伤S. cerevisiae。造成上述结果的原因可能是随着HPCD处理时间的延长,更高浓度的CO2渗入微生物细胞内,进而影响胞内相关酶活性及代谢活动,最终造成亚致死损伤细胞死亡。此外,Bi等[41]发现HPCD诱导的微生物亚致死损伤也受处理温度的影响。当处理温度为 25 ℃ 时,经压力为 5 MPa 的 HPCD 处理 40 min后,亚致死损伤E. coli O157:H7的细胞数量约为5 lg CFU/mL;当处理温度升高至45 ℃时,亚致死损伤E. coli O157:H7的细胞数量减少了1.7 lg CFU/mL。这可能是由于随着处理温度的升高,亚致死损伤细胞修复能力降低,从而造成其进一步失活。

    ACP是近几年新兴的食品加工新技术,具有处理时间短、温度低、无污染等优点,在食品加工等领域展现出广阔的应用前景[42]。等离子体是由离子、电子、自由基和未电离的中性粒子等组成的整体呈电中性的物质状态[43]。目前,主要通过介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge,DBD)、电晕放电(Corona discharge)、微波放电(Microwave discharges,MD)等方式产生ACP[44]。研究证实,经DBD等离子体处理5 min后,L. monocytogene的亚致死率为85%[45];经功率为600 W的ACP处理8 min后,L. monocytogene的亚致死率为45.8%[46]

    ACP诱导的微生物亚致死损伤主要受放电功率、处理时间、微生物种类等因素的影响。Liao等[11]研究发现,经功率为 40 W 的 DBD 等离子体处理 45 s后,S. aureus的亚致死率为8.9%,而当功率上升至50 W时,S. aureus的亚致死率则上升至81.3%。这可能是由于随着放电功率的升高,产生了更高浓度的自由基等物质,从而诱导更多的S. aureus进入亚致死损伤状态。此外,处理时间也显著影响DBD等离子体诱导的S. aureus亚致死损伤。经DBD等离子体(功率为60 W,电极板间距为4 mm)处理30 s后,S. aureus的亚致死率为96.3%;但当处理时间延长至45 s时,S. aureus亚致死率则降低至62.3%[11]。造成上述结果的原因可能是,随着处理时间的延长,产生的活性物质不断累积,从而造成亚致死损伤细胞的大量死亡和亚致死率的降低。此外,Huang等[27]发现,在相同样品介质(玻璃表面、明胶表面、PBS、NaCl溶液)下,S. aureus的亚致死率始终高于S. typhimurium,表明S. typhimurium对DBD等离子体更为敏感,这可能是与上述两种细菌的细胞结构和组成等不同有关[47]

    HHP指以水或油等作为介质来传递压力,将待处理样品置于100~1000 MPa下进行处理的一种非热加工技术,具有低温、快速、无有害物质残留等优点[48],可以有效失活微生物并最大限度保留食物原有的营养及感官品质[49]。研究发现,HHP处理能够诱导微生物进入亚致死损伤状态[50-52]。Sokolowska等[51]报道L. innocua经压力为400 MPa的HHP于20 ℃下处理10 min后,其亚致死率接近100%。同样地,Zhu等[52]发现在20 ℃条件下用HHP以500 MPa处理10 min后,L. monocytogene的亚致死率约为98%。

    HHP诱导微生物亚致死损伤主要受处理压力、温度、微生物种类等因素的影响。孔晓雪等[16]发现,随着HHP处理压力的升高,E. coli O157:H7的亚致死率呈现出先升高后降低的趋势;经400 MPa的HHP处理后,E. coli O157:H7亚致死率最高,为35.6%;而压力升高至500 MPa时,亚致死率则降低至30.2%。这可能是由于随处理压力的升高,E. coli O157:H7细胞损伤程度增加,造成亚致死损伤细胞死亡。Zhu等[52]发现温度影响HHP诱导的微生物亚致死损伤;在HHP处理过程中,在较低温度(20 ℃)下L. monocytogene亚致死率随处理压力的增加而升高(64.6%~98%);但在较高温度(40 ℃)下,亚致死损伤细胞菌落数随压力的升高而逐渐降低至检测限以下。此外,微生物种类也会影响HHP诱导的微生物亚致死损伤。Nasilowska等[53]发现,经压力为400 MPa的HHP处理10 min后,亚致死损伤L. innocua CIP 80.11T和野生型菌株L. innocua 23/13的数量分别为 3.83 lgCFU/mL和2.39 lg CFU/mL。

    研究证实,超声波、紫外等非热加工技术也会诱导微生物发生亚致死损伤。Li等[30]报道中发现经超声波处理(频率20 kHz,功率强度22.5 W/cm2,时间5 min)后,生理盐水中E. coli O157:H7的亚致死率为30.3%;Gabriel等[31]研究发现接种于椰汁中的E. coli O157:H7经紫外处理(温度40 ℃,功率15 W,间距14 cm)后,其亚致死率为24.0%。

    非热加工技术处理过程中存在的微生物亚致死损伤现象及其潜在的安全隐患已经受到广泛关注。但目前相关研究多集中于非热加工技术工艺参数对微生物亚致死损伤的影响规律,且对亚致死微生物产生机制的研究尚不充分;此外,非热加工技术诱导微生物亚致死损伤的研究中多采用纯培养体系,而对肉制品、果蔬等食品中微生物亚致死损伤现象的研究相对较少。因此,在上述非热加工技术应用于食品杀菌保鲜时,需考虑其诱导产生的亚致死损伤微生物所引发的潜在食品安全风险。

    非热加工技术已大量应用于食品加工业,并取得了良好的效果。然而非热加工技术所诱导的亚致死损伤微生物是一个不容忽视的食品安全问题。研究证实,将非热加工技术与防腐剂、温热等协同处理能够有效抑制亚致死损伤微生物的形成。

    研究表明非热加工技术与乳酸[54]、乳酸链球菌素[55]等防腐剂协同处理可以有效抑制亚致死损伤微生物。例如,经压力为300 MPa的HPP处理10 min后,亚致死损伤L. monocytogene为4.3 lg CFU/mL;而经HPP协同乳酸(0.15%,w/v)处理后,亚致死损伤L. monocytogene降低至3.9 lg CFU/mL,表明HPP与乳酸协同处理能够显著抑制亚致死损伤L. monocytogene。而脉冲电场、冷等离子体与防腐剂协同处理对亚致死损伤微生物的影响还有待深入研究。

    研究证实,通过调控处理温度可提高非热加工技术对微生物的杀灭效能[56]。陈晓婵等[57]发现,经PEF于25 ℃下处理后,草莓汁中亚致死损伤E. coli为1.3 lg CFU/mL;而经PEF于55 ℃处理后,亚致死损伤E. coli降低至0.7 lg CFU/mL。此外,龚怡[58]评价了HHP与温热协同处理对枯草芽孢杆菌(B. subtilis)亚致死损伤的影响;结果表明,在压力为500 MPa的HHP处理15 min条件下,当协同处理温度由40 ℃升至60 ℃,B. subtilis亚致死率由82.2%降低至8.7%。造成上述结果的原因可能是亚致死损伤微生物的细胞膜遭到破坏,对热处理的敏感性增强;处理温度升高能够进一步失活亚致死损伤微生物[5]

    研究表明,不同非热加工技术协同处理可显著降低亚致死损伤微生物细胞数量。Liao等[28]发现,经ACP单独处理后,S. aureus亚致死率为47.5%;而依次经ACP和超声波处理后,S. aureus的亚致死率降低至16.8%。这可能是由于超声波能够通过热效应、机械效应等进一步失活亚致死损伤S. aureus。许愈[59]的研究也发现类似规律,经超声波单独处理后,亚致死损伤V. parahaemolyticus细胞数量为2.1 lg CFU/mL;而依次经微酸性电解水和超声波处理后,亚致死损伤V. parahaemolyticus降低至0.3 lg CFU/mL。造成上述结果的原因可能是酸性电解水在超声波处理后更容易进入到细胞内部并杀死V. parahaemolyticus

    综上所述,非热加工技术与防腐剂、温热等协同处理能够有效抑制亚致死损伤微生物。在今后的研究中,应进一步评价非热加工技术与防腐剂、温热等协同处理对食品中亚致死损伤微生物形成及食品营养和感官品质的影响;同时,还应综合运用细胞生物学、转录组学、蛋白质组学等实验方法系统揭示上述协同处理抑制亚致死损伤微生物的作用机制。

    随着消费者对食品营养及感官品质要求的不断提高,非热加工技术在食品工业中的应用受到广泛关注。然而大量研究证实,高静水压、冷等离子体等非热加工技术可诱导微生物发生亚致死损伤,进而造成潜在食品安全隐患。然而,非热加工技术诱导微生物发生亚致死损伤的作用机制尚未完全阐明。在今后的研究中,应揭示非热加工处理对食品中亚致死损伤微生物形成的影响规律;同时,应综合运用转录组学、蛋白质组学等实验方法系统揭示非热加工技术诱导微生物发生亚致死损伤的分子机制;此外,还应系统研究非热加工技术所诱导亚致死微生物的修复规律,并构建亚致死损伤微生物协同控制措施,从而为非热加工技术在食品工业中的实际应用提供理论依据和技术支撑。

  • 图  1   非热加工技术诱导的亚致死损伤微生物

    Figure  1.   The formation of sublethally injured-microorganisms induced by non-thermal processing technologies

    表  1   非热加工技术诱导的微生物亚致死损伤

    Table  1   Sublethal injury of microorganisms induced by non-thermal processing technologies

    加工技术菌株样品介质处理参数亚致死率(%)参考文献
    PEFS. cerevisiae黄酒电场强度9.0 kV/cm;温度25 ℃;时间120 μs12.5[23]
    PEFL. innocua磷酸盐缓冲液电场强度36.0 kV/cm;脉冲宽度1.49 μs;脉冲频率100 Hz90.0[24]
    HPCDE. coli K-12苹果汁压力7.6 MPa;温度38 ℃;时间20 min84.0[25]
    HPCDE. faecalis生理盐水压力6.05 MPa;温度45 ℃;时间30 min71.8[26]
    ACPS. typhimurium牛血清蛋白溶液电压85 kV;间距40 mm;时间140 s90.7[27]
    ACPS. aureus生理盐水功率40 W;间距5 mm;时间10 min78.1[28]
    HHPE. coli O157:H7磷酸盐缓冲液温度25 ℃;时间5 min;压力400 MPa35.6[16]
    HHPL. monocytogene脑心浸出液肉汤温度20 ℃;时间15 min;压力200 MPa51.5[29]
    超声波E. coli O157:H7生理盐水频率20 kHz;功率强度22.5 W/cm2;时间5 min30.3[30]
    紫外E. coli O157:H7椰汁温度40 ℃;功率15 W;间距14 cm;剂量166.55 mJ/cm224.0[31]
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-25
  • 网络出版日期:  2022-12-30
  • 刊出日期:  2023-02-28

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